Rumo à tricotabilidade das fibras de óxido de grafeno

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 14946 (2015) Citar este artigo

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Desenvolvimentos recentes no processamento de fibra de óxido de grafeno (GO) incluem demonstrações emocionantes de estruturas têxteis tecidas à mão. No entanto, é incerto se as fibras produzidas podem satisfazer os requisitos de processamento da produção têxtil convencional. Este trabalho relata pela primeira vez a produção de fibras GO altamente flexíveis e resistentes que podem ser tricotadas em máquinas têxteis. As fibras GO são feitas usando um método de fiação úmida com jato seco, que permite a extração da solução de fiação (a dispersão GO) em vários estágios do processo de fiação da fibra. A composição da coagulação e as condições de fiação são avaliadas detalhadamente, o que levou à produção de fibras densamente compactadas com seções transversais quase circulares e domínios GO altamente ordenados. Os resultados são fibras GO tricotáveis com módulo de Young de ~7,9 GPa, resistência à tração de ~135,8 MPa, tensão de ruptura de ~5,9% e tenacidade de ~5,7 MJ m-3. A combinação de método de fiação adequado, composição de coagulação e condições de fiação resultou em fibras GO com notável tenacidade; o fator chave para seu tricô bem-sucedido. Este trabalho destaca progressos importantes na realização de todo o potencial das fibras GO como uma nova classe de têxteis.

Muitos desenvolvimentos interessantes em fibras puras de grafeno e óxido de grafeno (GO) foram relatados por grupos de pesquisa em todo o mundo . Os impulsionadores desses avanços são a facilidade de integração das fibras na pesquisa têxtil e o fato de as fibras de grafeno e GO fornecerem propriedades de valor agregado para aplicações avançadas. A investigação e desenvolvimento têxtil utiliza tecnologia que existe há muitas décadas e é indiscutivelmente uma das rotas mais viáveis para o desenvolvimento de tecidos multifuncionais, incluindo dispositivos de armazenamento de energia vestíveis à base de grafeno10. Embora tenha havido algumas demonstrações de estruturas têxteis a partir de fibras GO, estas foram tecidas à mão1,3,8,11. Este método de produção manual torna difícil avaliar se o processo pode ser adotado utilizando máquinas têxteis e se as fibras produzidas são capazes de atender aos requisitos do processamento têxtil. É fundamental estudar as metodologias de fiação apropriadas para produzir fibras GO tricotáveis e determinar a viabilidade de tricotá-las, a fim de realizar todo o seu potencial.

Desenvolvimentos recentes na fiação de fibras de GO concentraram-se em melhorar a rigidez e a resistência. Até o momento, os aprimoramentos de outras propriedades que são necessárias para alcançar a tricotabilidade, como flexibilidade (extensibilidade) e resistência, foram negligenciados. Notavelmente, não houve relatos sobre o desenvolvimento de estruturas têxteis a partir de fibras GO utilizando máquinas têxteis.

As propriedades mecânicas das fibras GO podem ser adaptadas para atender a uma aplicação desejada através do controle cuidadoso das condições de fiação da fibra 1,2,3,4,5,6,7,8,9. Relatórios sobre fiação úmida de dispersões de óxido de grafeno líquido cristalino (LCGO) indicam que o alinhamento dos domínios LCGO, suas interações, bem como os defeitos estruturais inerentes às folhas GO foram críticos para melhorar as propriedades da fibra3, 11,15. Descobriu-se que o estiramento da fibra durante a fiação resulta em um maior alinhamento dos domínios LCGO, melhorando ainda mais as propriedades mecânicas . As condições de fiação que resultaram em defeitos nas fibras apresentam baixa rigidez e resistência . Na fiação úmida com jato seco de nanofitas de grafeno (GNR), a introdução de um entreferro entre a fieira e o banho de coagulação resultou em propriedades mecânicas superiores devido ao estiramento do jato (o jato é aqui referido como o fluxo estável de solução giratória no ar)16. Este método requer que o GNR seja dissolvido em ácido clorossulfônico e o éter dietílico seja usado como não solvente no banho de coagulação; ambos os reagentes representam desafios para a expansão. Por outro lado, a fiação úmida com jato seco de dispersões aquosas de GNR resultou em fibras com propriedades inferiores.

23 gauge) had very small diameters (<20 μm) which were difficult to handle. In dry-jet wet-spinning, very fine spinnerets (>30 gauge, nozzle diameter <0.16 mm) were required to avoid droplet formation and to achieve spinnability (Fig. 2e). More importantly, larger nozzle diameters required higher GO concentration for the formation of a continuous jet to occur. For example, a 30 gauge needle (nozzle diameter 0.16 mm) required a 20 mg mL−1 GO dispersion to achieve the same spinnability as the 34 gauge needle (nozzle diameter 0.08 mm) using a 10 mg mL−1 GO concentration; otherwise, only droplets formed at the needle tip (Fig. 2d). Upon the investigation of nozzle size, injection rate and GO concentration during dry-jet wet-spinning, it was found that GO fibres can be successfully produced using air gap lengths of up to 5 cm. It was found however, that not all GO concentrations could be spun consistently with various nozzle sizes or at particular injection rates using a 5 cm air gap. In contrast, fibres can be consistently produced from all spinning parameters investigated when the air gap is set at 3 cm. Therefore, we maintained the air gap at 3 cm for all of our dry-jet wet-spinning experiments to ensure consistency of spinning parameters across all samples while simultaneously maximising jet-drawing. This air gap is in the range of air gaps used in commercial processes (0.5–10 cm)20,21,22,23./p>20 Hz based on above calculations), the 5 mg mL−1 LCGO dispersion exhibited a G’/G” <3 that is typical of viscoelastic soft solids24. In contrast, LCGO dispersions at higher concentrations (e.g. 10 and 20 mg mL−1) exhibited G’/G” >4 that is typical of viscoelastic gels24. These results clearly highlight the difference in rheological behaviour of GO concentrations that can be used for wet-spinning (i.e. below 10 mg ml−1) and dry-jet wet-spinning (i.e. above 10 mg ml−1) applications and how the fibre spinning conditions (i.e. flow rate and nozzle diameter) can be used to fine tune their flow behaviour and thus spinnability./p>