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小烯导读
石墨烯纤维，作为碳基纤维家族的新成员，近几年得到了广泛的关注，已发展出多种制备方法，包括湿法纺丝、干法纺丝、干喷释放、电泳法以及薄膜提拉成纤法等。相比碳纳米管纤维和碳纤维，石墨烯纤维的电导率和机械性能较差，但是通过对石墨烯纤维掺杂可以较大程度提高电导率和力学性能。此外，石墨烯纤维优异的热导率和低廉的制备价格使其在很多领域具有广阔的应用前景。
石墨烯纤维是2011 年才发展起来的一种以天然石墨为最初原料的新型碳质纤维，由石墨烯或者功能化石墨烯纳米片的液晶原液经湿法纺丝一维有序组装而成。石墨烯纤维具有良好的机械性能、电学性能和导热性能，可用于导电织物、散热、储能等领域。
宏观的石墨烯纤维可由微观石墨烯片层通过一定纺丝方法得到，所得到的石墨烯纤维不仅可以保持石墨烯优异的导电性、导热性等性能，而且具有优良的柔性和力学性能，从而可以作为性能优异的柔性导电材料。下面，将分别介绍石墨烯纤维的不同的制备方法，在此基础上，介绍其在柔性导电材料领域中的应用。
石墨烯纤维的制备主要参考了传统的纺丝手段，主要方法分为湿法纺丝、干法纺丝以及干喷湿纺等。此外，石墨烯纤维也可通过电泳法以及石墨烯薄膜提拉成纤维等方法进行制备。
湿法纺丝制备石墨烯纤维需要用到稳定分散的GO溶液。在纺丝过程中，用注射器将纺丝液注入凝固浴，得到凝胶状的GO纤维。为了保证GO纤维的均匀性和连续性，一般需要在纺丝过程中旋转凝固浴或转动收集单元从而以一定速度牵引纤维(图8(a, b))。相比于旋转凝固浴，转动收集单元可以提供稳定的牵引力和转动速度，能更好的保证纤维的性能。凝胶状GO纤维经过干燥后得到力学性能优异的GO纤维，还原后即可得到导电性良好的rGO纤维。
湿法纺丝制备GO纤维的本质是液晶相湿法纺丝，GO片层的高纵横比以及GO层间强作用力对于自组装成连续的高性能的石墨烯纤维至关重要。湿法纺丝制备石墨烯纤维的关键是控制GO纺丝液和凝固浴。
GO纺丝液的可纺丝性是由GO片层的尺寸和溶液的浓度决定的。对于大尺寸的GO纺丝液，只有当纺丝液中的GO完全为液晶相并大于临界浓度时才具备可纺丝性，否则，得到的产物会是一些不连续的纤维或者团聚物。
Jalili 等发现，当GO片层的公称直径(D)为37 μm时，全液晶相的GO纺丝液的浓度只有大于临界浓度(0.75 mg∙mL－1)时才能保证连续的纺丝。Xu 等报道，当GO片层的D = 25 μm 时，临界浓度为4 mg∙mL－ 1；D = 0.91μm时，临界浓度为81 mg∙mL－1。GO的液晶相取向结构在凝胶状和干燥的纤维中都能保持，即使对GO 片层进行掺杂也不会影响其取向性和纺丝性，由此可以制备聚合物或者金属纳米粒子掺杂的石墨烯复合纤维。除了GO纺丝液，凝固浴在石墨烯纤维的制备过程中也起到重要的作用。
干法纺丝也是以GO 的稳定分散液作为纺丝液，和湿法纺丝相比，干法纺丝不需要使用凝固浴，而是将纺丝液注入并封闭在一维管状模具中，采用加热或高温化学还原方式使溶剂挥发，GO沉降堆叠成纤维。
Yu 等132将GO分散液注入到一维管内，220－230 °C 下加热得到石墨烯纤维。该纤维的长度可达数米，拉伸强度可达180 MPa。这种方式得到的纤维实质上是rGO 纤维，因为高温促使GO发生了还原。Acik 等133研究发现GO在180 °C下27%的含氧官能团会被去除掉，大多数的羟基、环氧基团以及羧基在200 °C 下也会发生解离。
干法纺丝得到的石墨烯纤维省去了还原过程，具有较好的电导率(10 S∙cm－ 1)134。Li 等135 将GO和维他命C溶液共同注入聚丙烯(PP)管内，在80 °C下保持1 h，GO在还原的同时也自组装成了凝胶状纤维。溶液蒸发干燥之后，石墨烯纤维极度收缩，直径减小了95%－97%，电导率达到8 S∙cm－1。在干法纺丝过程中，液晶相分散液并不是必需的，分散杂乱的GO分散液以及低公称直径、低浓度的纺丝液也可以用来制备石墨烯纤维。改进管状结构的形状以及在GO纺丝液中引入聚合物或者金属纳米粒子掺杂，可以制备出中空结构和石墨烯复合纤维。
干喷湿纺是合成石墨烯纤维的另一种重要的方式。和湿法纺丝相比，该方法也需要使用凝固浴，但是注射器喷头顶端与凝固浴未直接接触，两者之间有一段空气间隙。采用干喷湿纺方式可以制备出结构均匀，截面环形的纤维。
Xiang等将GO 分散在氯磺酸溶液中，GO 为液晶相，喷头顶端与凝固浴之间的距离为12 cm，制备得到了优异性能的石墨烯纤维。空气间隙的存在可以减小喷头与凝固浴之间GO的速度梯度，重力作用可以改善纤维的取向性。研究发现，12 cm的空气间隙得到的纤维直径比2 cm 的空气间隙时要小，机械性能更好，但是，当空气间隙过长时纺丝效果会变差。
GO分散液可视为胶体，在电场的作用下，带电的GO片层会产生迁移运动出现电泳现象。Kim等用电泳组装法制备出GO纤维。采用石墨针作为正极，将石墨针浸没在GO分散液中，施加1－2V的恒定电压，在提拉石墨针过程中GO会在电极的末端自组装成凝胶状纤维。干燥和退火之后，rGO纤维具有光滑的表面。电泳法制备石墨烯纤维效率较低，不适合大规模生产。
从石墨烯薄膜直接制备石墨烯纤维按石墨烯的制备途径可分为两类。第一类是由GO薄膜卷绕得到石墨烯纤维。Cruz-Silva 等139在聚四氟乙烯薄膜上刮涂GO 溶液并蒸发溶剂得到连续的GO 膜，将GO薄膜裁剪成带状，再卷绕成石墨烯纤维。
第二类是利用CVD生长出的石墨烯薄膜制备石墨烯纤维。Zhu等先用CVD法在铜箔上生长出连续的石墨烯薄膜，将铜箔基底刻蚀之后，石墨烯薄膜转移至有机溶剂中，例如乙醇、丙酮以及乙酸乙酯。这类有机溶剂的表现张力很小(22－25 mN∙m－1)，石墨烯薄膜在这类溶剂中会皱缩，当将石墨烯薄膜拉出时，由于三相界面张力(石墨烯、空气以及有机溶剂)的作用，会将卷曲的石墨烯薄膜挤成纤维，蒸发溶剂之后可以得到多孔石墨烯纤维。这种方式得到的石墨烯纤维导电性较高，可以达到10－200 S∙cm－1，但在刻蚀过程中石墨烯薄膜易断裂，且该方法不易于大面积制备。
石墨烯纤维是近年来发展出的新的碳基纤维材料，可由多种方法制备得到，并且可以实现大批量制备。石墨烯纤维具有优异的电学和力学性能，其电导率可以达到416 S∙cm－ 1，强度为652MPa，相比碳纳米管纤维和碳纤维还有很大的提升空间。近期，浙江大学高超研究组154通过对石墨烯纤维掺杂得到了电导率超过20000 S∙cm－1的石墨烯复合纤维。此外，石墨烯纤维具有极好的柔性和热导率，在很多领域具有广泛的应用前景。
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