石墨烯復合纖維及紡織品的制備方法與研究進(jìn)展

    石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨存在。石墨烯是目前發(fā)現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被稱(chēng)為“新材料之王”。

作為具優(yōu)異性能和獨特結構的新型碳材料—石墨烯在眾多科學(xué)領(lǐng)域的被廣泛關(guān)注和應用。近幾年，石墨烯在紡織領(lǐng)域得到較為廣泛的應用，逐漸成為紡織纖維領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是功能性紡織品的研究中也得到了諸多應用。本文主要介紹了新型石墨烯復合纖維與石墨烯紡織品的制備方法，石墨烯紡織品的性能及其發(fā)展趨勢。

石墨烯復合纖維和石墨烯織物的制備方法

目前石墨烯復合纖維有兩種常用的方法：原位聚合和物理共混。根據紡絲方法的不同分為熔融紡絲法、溶液紡絲法、靜電紡絲法等多種方法。

石墨烯紡織品在導電、防輻射、防紫外、遠紅外、特電磁屏蔽等領(lǐng)域有巨大的應用前景。目前，石墨烯紡織品的制備方法主要包括直接制備法和后整理法。曲麗君課題組對石墨烯織物的制備方法做了系統地綜述，主要介紹了直接浸軋法、噴涂法、復配液整理法、交聯(lián)改性法、紫外光固化法等。各種制備方法之間存在很大的差異，整理效果也是各不相同。

直接浸軋法不僅整理效果較好，對織物損傷也較小，而且操作方法簡(jiǎn)單，適用于批量較大的的工業(yè)化生產(chǎn)。

噴涂法比直接浸軋法簡(jiǎn)單易行，操作簡(jiǎn)便，原材料用量明顯減少，大大降低了生產(chǎn)成本，因此，在新型紡織產(chǎn)品研發(fā)中有比較廣泛的應用。

復配液整理法是指將含有石墨烯的紡織整理液，通過(guò)物理或化學(xué)的方法對紡織品進(jìn)行整理，得到功能性紡織品，如何制備得到分散性和穩定性良好的石墨烯復配液，保證石墨烯和有機物基體之間的相容性是此方法的關(guān)鍵。

交聯(lián)劑改性處理是利用氧化石墨烯的架橋作用，與其他線(xiàn)型分子通過(guò)化學(xué)鍵合交聯(lián)成網(wǎng)狀物質(zhì)，促進(jìn)大分子官能基團之間的結合，賦予面料新的功能，此法操作簡(jiǎn)單，氧化石墨烯用量較少，適用于大規模工業(yè)化生產(chǎn)。

紫外光固化法是織物表面的氧化石墨烯在紫外光照射下發(fā)生輻射聚合、輻射交聯(lián)和輻射接枝等一系列反應，然后通過(guò)紫外光的固化還原作用，使其完全還原，得到石墨烯改性織物，這個(gè)方法操作簡(jiǎn)單，高效，低溫，反應快，并且整理過(guò)程無(wú)還原劑和化學(xué)助劑，低碳環(huán)保，具有較好的應用前景。

隨著(zhù)對石墨烯材料在紡織品整理領(lǐng)域研究的深入，新的改性方法不斷涌現，層層自組裝法、電泳沉積法、原位化學(xué)聚合法、染色法、CMOS法等方法也逐漸被報道。

石墨烯織物的優(yōu)異性能

近年來(lái)，隨著(zhù)對石墨烯不斷的深入研究，石墨烯在紡織領(lǐng)域也獲得到了廣泛的研究應用，特別是在功能紡織品研究方面展現出勃勃生機，其導熱性、抗菌性、導電性、遠紅外性能、防紫外性能及電磁屏蔽性能得到廣泛認可，各種功能性紡織品也不斷涌現在消費者面前。

導熱性能

石墨烯具有極高導熱系，近年來(lái)被提倡用于散熱等方面，單層石墨烯的導熱系數可達5300W/mK，甚至有研究表明其導熱系數高達6600W/mK。與純石墨烯相比，氧石墨烯的導熱導率相對較低(0.14～2.87W/mK)，其導熱系數與氧化石墨被氧化程度密切相關(guān)。ABBAS等人采用石墨烯的樹(shù)脂溶分散液作為整理劑，對織物進(jìn)行整理，結果表明，石墨烯/樹(shù)脂溶液對織物傳熱性能較碳納米管/納米氮化硼樹(shù)脂溶液有改善的明顯，能夠大幅度提高織物的導熱系數。

曲麗君課題組以聚乙烯醇為分散液，通過(guò)氫鍵層層自組裝方法將氧化石墨烯整理到棉織物上，對其進(jìn)行表面改性，經(jīng)石墨烯改性處理后，棉織物的導熱系數明顯提高，并且，隨著(zhù)石墨烯/聚乙烯醇整理次數的增加，棉織物的導熱系數也不斷增大，導熱性能不斷提升。

抗菌性

石墨烯、氧化石墨烯具有優(yōu)異的抗菌性能，以其作為整理劑對面積進(jìn)行整理，即可得到抗菌織物。石墨烯基本沒(méi)有細胞毒性，相對于傳統的抗菌整理劑，因此石墨烯更適合與人體皮膚直接接觸。但是，由于石墨烯和氧化石墨烯獨特的結構，與紡織品之間缺乏親和力，因此很難通過(guò)傳統方法將石墨烯及其氧化物處理到紡織品上。

氧化石墨烯抗菌棉織物目前的制備方法主要有輻射引發(fā)交聯(lián)、直接吸附、化學(xué)交聯(lián)三種不同的方法，通過(guò)這三種方法制備的氧化石墨烯抗菌織物的抗菌率均大于98%，并且具有較高耐水洗性。

導電性

石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯的這種優(yōu)良的導電性能應用到紡織品上得到優(yōu)異的抗靜電或者導電織物。

例如將滌綸織物浸泡于氧化石墨烯的溶液中，經(jīng)還原后得到的改性滌綸織物的導電性能明顯改善，并且其各項電化學(xué)性能較未整理的滌綸織物有很大的改善。孟娜等人利用石墨烯完美的大π鍵共軛體系及其單層原子厚度的優(yōu)異結構，以層層自組裝的方法制備了石墨烯改性粘膠織物，隨著(zhù)石墨烯在粘膠織物表面自組裝層數的不斷增加，織物的電阻值逐漸減小，當石墨烯自組裝層數達到12層時(shí)，石墨烯改性粘膠織物的電阻值趨于穩定，其電學(xué)性能達到最佳狀態(tài)。

遠紅外性能

濟南圣泉集團完成的生物質(zhì)石墨烯/聚酯纖維(內暖絨)研制與應用項目，通過(guò)山東經(jīng)信委組織的專(zhuān)家鑒定。石墨烯內暖絨是濟南圣泉集團基于生物質(zhì)石墨烯平臺開(kāi)發(fā)的一種新型功能合成纖維材料，是由生物質(zhì)石墨烯均勻分散于滌綸空白切片中進(jìn)行共混紡絲而成的系列石墨烯復合多功能內暖絨。

該成果既利用了可再生的低成本生物質(zhì)資源，又將石墨烯的功能拓展到纖維中，獲得了高性能、高附加值的新型紡織產(chǎn)品。經(jīng)國家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗中心檢測，該項目研制的內暖絨常溫下遠紅外發(fā)射率92%，其發(fā)射的4～14μm波段遠紅外波與人體組織中水分子振動(dòng)波長(cháng)相同，從而可引起共振產(chǎn)生熱量，進(jìn)而深入皮下組織，激發(fā)人體組織細胞的活力。以此作為填充材料應用于棉被、睡袋、羽絨服、枕頭、靠墊、披肩等紡織品，具有輕薄、手感細膩、柔軟、保溫好、質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)。

防紫外線(xiàn)性能

曲麗君課題組對石墨烯整理棉織物的防紫外線(xiàn)性能做了深入研究。他們采用復配液整理法(石墨烯/聚氨酯水溶性復配液)對棉織物進(jìn)行改性整理，采用水溶性聚氨酯為黏合劑，通過(guò)傳統的軋-烘-焙工藝，對棉織物表面進(jìn)行改性整理。

曲麗君課題組利用氧化石墨烯和殼聚糖分子間靜電作用力采用，通過(guò)層層自組裝工藝對棉織物進(jìn)行表面改性處理。通過(guò)這兩種方法得到的石墨烯改性棉織物展現出了優(yōu)異的防紫外線(xiàn)性能，經(jīng)檢測，其紫外線(xiàn)防護系數UPF值均達到國家標準要求。

電磁屏蔽性能

石墨烯改性織物的電磁屏蔽性能也逐漸成為紡織領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。張松林等人改進(jìn)了Hummers方法制備氧化石墨烯的工藝，并采用浸蘸式層層組裝整理工藝直接在棉織物表面制備氧化石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化銨鹽酸鹽(GO/PDDA)多層整理膜，經(jīng)測試，隨著(zhù)GO/PDDA多層膜沉積層數的增加，棉織物電磁屏蔽性能也不斷提升。

當GO/PDDA多層膜自組裝層數達到15時(shí)，改性棉織物的電磁屏蔽效能達到3.16dB，試驗結果表明，經(jīng)石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化銨鹽酸鹽改性處理的棉織物能夠屏蔽52%的電磁波。

展望

本文綜述了石墨烯復合纖維與石墨烯織物的制備方法，概括了石墨烯改性織物的優(yōu)異性能。綜上所述，石墨烯的加入為織物賦予了優(yōu)異的性能，開(kāi)辟了其在紡織領(lǐng)域的應用。（中國紡織網(wǎng)）