بينما تسعى صناعة الألياف الكيميائية إلى التحول عالي الأداء ومتعدد الوظائف، أصبحت مواد الألياف الجرافينية ثلاثية الأبعاد المجوفة قوة رئيسية في التغلب على قيود الألياف الكيميائية التقليدية بهيكلها الفريد وأدائها الممتاز. فهي لا تضخ الحيوية التكنولوجية في الصناعة فحسب، بل تعمل أيضًا على توسيع حدود التطبيق. تستحق قيمتها وعملية إنتاجها مناقشة متعمقة.

أولاً، تغلبت مواد الألياف الجرافينية ثلاثية الأبعاد المجوفة على عنق الزجاجة في أداء الألياف الكيميائية التقليدية. على الرغم من أن الألياف الكيميائية التقليدية مثل البوليستر والنايلون منخفضة التكلفة، إلا أنها تعاني من مشاكل مثل عدم كفاية القوة وضعف مقاومة الطقس، مما يجعل من الصعب تلبية احتياجات المجالات المتطورة. عندما يتم الجمع بين القوة العالية والتوصيل العالي للجرافين مع الهيكل ثلاثي الأبعاد المجوف خفيف الوزن وعالي التهوية، تكون قوة الشد للمادة أكثر من 30% أعلى من الألياف الكيميائية العادية. كما أن لديها توصيل حراري ممتاز ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية. يمكن استخدامه مباشرة في الملابس الخارجية المتطورة ومكونات الطائرات الخفيفة وغيرها من السيناريوهات، مما يملأ الفجوة في مجال الأداء العالي لمواد الألياف الكيميائية.

ثانيًا، تعمل هذه المادة على تعزيز الترقية الوظيفية لصناعة الألياف الكيميائية. تتمتع الألياف الكيميائية التقليدية بوظائف فردية وتقتصر في الغالب على مجال الأقمشة النسيجية. ومع ذلك، يمكن لمواد الألياف الجرافينية ثلاثية الأبعاد المجوفة تطوير منتجات وظيفية مثل الضمادات المضادة للبكتيريا الطبية ومواد ترشيح المياه بفضل خصائص الامتصاص للهيكل المجوف والخصائص المضادة للبكتيريا للجرافين. على سبيل المثال، يمكن لقنواتها المجوفة أن تمتص الملوثات في الماء بكفاءة، بكفاءة ترشيح تزيد عن 95%، ويمكن للخصائص المضادة للبكتيريا للجرافين أن تمنع نمو البكتيريا، مما يوفر إمكانيات للتطبيقات متعددة المجالات مثل حماية البيئة والعلاج الطبي، وتوسيع نطاق السوق لصناعة الألياف الكيميائية.

تلبي مواد الألياف الجرافينية ثلاثية الأبعاد المجوفة أيضًا احتياجات الصناعة منخفضة الكربون. في عملية إنتاجها، يمكن استخدام البوليمرات القابلة للتحلل كقاعدة، مع جرعة منخفضة من صفائح الجرافين النانوية (فقط 0.5%-1% يمكن أن يحقق الإضافة قفزة في الأداء)، مما يقلل من استهلاك الموارد؛ في الوقت نفسه، يقلل الهيكل المجوف من كثافة المادة بنسبة 40%، مما يمكن أن يقلل من استخدام الأصباغ والمواد المضافة في المعالجة اللاحقة، مما يساعد صناعة الألياف الكيميائية على تحقيق هدف "الكربون المزدوج" وتعزيز تحول الصناعة إلى اللون الأخضر.

يتطلب تحضير المادة أربع خطوات رئيسية. الخطوة الأولى هي تحضير المواد الخام. يتم توزيع صفائح الجرافين النانوية بالتساوي في سائل غزل البوليستر أو البولي أميد من خلال تقنية التشتت بالموجات فوق الصوتية. يتم التحكم في تركيز التشتت وحجم الجسيمات لضمان التوزيع الموحد للجرافين، وهو الأساس لضمان أداء المواد. الخطوة الثانية هي الغزل المركب. يتم استخدام مغزل مجوف للغزل في معدات الغزل المنصهرة. عن طريق ضبط فتحة المغزل (عادة 0.1-0.3mm) ودرجة حرارة الغزل (260-280℃)، تشكل الألياف المغزولة هيكلًا مجوفًا، ويتم استخدام جهاز الجر للتحكم في مضاعفات تمدد الألياف (عادة 3-5 مرات) لتحسين قوة الألياف؛ الخطوة الثالثة هي معالجة التشكيل ثلاثي الأبعاد، حيث يتم نسج الألياف المجوفة المغزولة في ثلاثي الأبعاد من خلال آلة الضفيرة للهيكل ثلاثي الأبعاد، يتم تعديل كثافة النسيج وفقًا لمتطلبات التطبيق. على سبيل المثال، يتم استخدام النسيج الفضفاض عند استخدامه لمواد الترشيح، ويتم استخدام النسيج الكثيف للأجزاء الهيكلية. الخطوة الأخيرة هي المعالجة والاختبار اللاحقين. يتم تثبيت المادة المشكلة ثلاثية الأبعاد بالحرارة (درجة الحرارة 120-150°C) لتثبيت الهيكل، ثم يتم الكشف عن التجويف بواسطة مجهر إلكتروني ويتم اختبار الخصائص الميكانيكية بواسطة آلة اختبار الشد لضمان أن المنتج يلبي معايير الصناعة.

اليوم، ظهرت مواد الألياف الجرافينية ثلاثية الأبعاد المجوفة في العديد من المجالات. مع التحسين المستمر لعمليات الإنتاج وخفض التكاليف، ستعمل على تعزيز تحول صناعة الألياف الكيميائية من "التصنيع الأساسي" إلى "التصنيع الذكي المتطور" وتصبح القوة الدافعة الأساسية للتنمية عالية الجودة للصناعة.