對此，東華大學材料科學與工程學院，纖維材料改性國家重點實驗室朱美芳院士團隊以極性聚合物聚乙烯醇為高分子基體，石墨烯為導電填料系統的研究了聚合物基導電復合材料的導電機理。分析了石墨烯在聚合物基體中的分散形態與導電網絡構筑間的關系，探索了導電填料加入到高分子基體后難以實現導電或導電性較低的原因。課題通過對石墨烯的界面增容結構設計及其與聚合物基體間相容性與分散性的調控研究，揭示了石墨烯在聚合物基體中分散時的“籠蔽效應”(Chemical Engineering Journal, 2020, 383: 123126)。通過分子間相互作用調控弱化“籠蔽效應”構筑了高度取向的導電網絡，制備了電導率為25S/m的聚乙烯醇/石墨烯導電納米復合材料，解決了導電聚合物復合材料導電性低或不導電的難題 (ACS Applied Nano Materials, 2018, 1(9): 4781-4787)。
近日，該團隊在前期的研究基礎上，利用自制的實驗室級濕法紡絲設備連續化制備了聚合物基柔性導電雜化纖維(PVA/GnP &PVA/GnP/S)。通過對雜化體系在剪切流場和拉伸流場下石墨烯納米片層(GnP)的聚集態結構演變過程的研究，發現GnP在纖維中存在著高度取向的結構，但是受可紡性限制難以通過負載量的提高構筑取向聯通的導電網絡。為了進一步提高CPFs的導電性研究人員在雜化體系內部引入導電高分子PEDOT:PSS (S)組分，目的是利用S相在體系內部構筑有機/無機雜化導電網絡強化電子在一維方向上的軸向傳輸。通過紡絲工藝設計和凝聚態結構的調控研究者最終獲得了滲流閾值為0.2wt%的PVA/GnP/S導電雜化體系, 實現33.6 S/m高導電性聚合物基柔性雜化纖維的連續化制備。該工作以“Organic-Inorganic Hybrid Conductive Network to Enhance the Electrical Conductivity of Graphene-Hybridized Polymeric Fibers”為標題發表在Chemistry of Materials期刊上。該論文的第一作者是東華大學博士后楊利軍，通訊作者為費翔副教授和朱美芳教授。
圖1 導電纖維濕法紡絲成形工藝。(a) 濕法紡絲工藝流程，(b) 實驗室中試濕法紡絲生產設備。[紡絲視頻查看以下鏈接：https://www.bilibili.com/video/BV1Aq4y1i7aJ?p=1&share_medium=android&share_plat=android&share_session_id=54c3ad34-144e-4fd6-8cbd-96419925fc49&share_source=WEIXIN&share_tag=s_i×tamp=1646710908&unique_k=J9i4tts.]
聚合物/石墨烯雜化紡絲溶液的流變性以及粘彈性隨剪切應力的變化規律對調控初級纖維內部的組織結構至關重要。導電纖維的濕法紡絲過程是將多元雜化紡絲溶液在剪切流動下從毛細孔擠入到凝固浴中，在凝固浴的雙擴散傳質作用下固化成初生纖維原絲。受剪切力作用大分子鏈會沿著剪切應力的方向進行取向，與此同時石墨烯納米片層也會沿著取向的方向進行定向排列，這種定向排列的初級取向結構會在毛細孔擠出時在凝固劑的作用下得到固定和保留，在纖維單軸拉伸過程中進一步被強化。研究者利用有機導電高分子PEDOT:PSS(S)在拉伸流場的取向強化過程中構筑了聯通的有機/無機雜化導電網絡，實現了電子傳輸的協同增強效應。實驗證明，PEDOT:PSS(S)導電高分子的存在能夠顯著降低石墨烯鄰域電子躍遷傳遞的勢壘，增大隧道躍遷電流。根據經典的滲流閾值方程確定了PVA/GnP/S三元雜化體系中的滲流閾值為0.2wt%遠低于PVA/GnP二元雜化體系的2.5wt%。由于導電網絡的取向效應使纖維在電子傳輸上呈現出明顯的各項異性，纖維的軸向和徑向電導率相差6個數量級分別是軸向33.6S/m，徑向5.59E-5 S/m。此外，該導電纖維具有較好的力學性能和伸長率，斷裂強度為4.82cN/dtex滿足紡織應用需求（圖2）。
圖2 導電纖維的性能測試。(a) 隧道躍遷勢壘模型, (b-d) 導電高分子的負載量對隧道躍遷電流的大小和導電性的影響, (e) 纖維電導率的各向異性, (f) 纖維的介電性能，(g) 纖維的力學性能, (h) 纖維的熱性能, (i) 競品導電性對比
所制備的纖維、紗線及織物的結構形貌如圖3所示。通過紡絲線在線牽伸、干燥和卷繞得到了聚乙烯醇基導電雜化纖維絲桶。利用場發射掃面電鏡對該纖維的微觀形貌和結構進行表征。研究發現導電纖維的表面存在著溝紋結構，纖維截面呈扁平狀。這些形貌和結構的形成受控于濕法紡絲成形過程中溶劑和凝固劑雙擴散傳質速率和紡絲液的組成和濃度的影響。實際應用證明，所形成的溝紋結構利于纖維吸濕性和服用舒適性的提高，更利于后道的紡織加工，這是因為粗糙的表面結構可以增加紗線間的抱合力的緣故。進一步研究者利用導電長絲經過加捻設備的加捻得到了導電纖維紗線，進而編織成導電纖維織物。通過導電性測試發現該導電纖維織物具有良好的導電性（32.1 S/m）可以作為柔性導電載體點亮LED燈，作為電子信號的傳輸載體該纖維在智能可穿戴產品領域具有巨大的應用潛力。
圖3 導電纖維及織物的形貌表征。(a) 數碼照片，(b-c) 纖維的微觀形貌，(d-e) 纖維及紗線的偏光顯微鏡照片，(f) 織物的導電性測試，(g) 織物的顯微結構，(i) 石墨烯在基體中的分散形貌，(i-j) 元素分布與EDS分析
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c02754
來源：高分子科學前沿
