部分石墨烯復(fù)合纖維與制品的研發(fā)

曲麗君, 田明偉， 遲淑麗， 王玉姣, 胡希麗

(1. 青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 山東 青島 266071； 2. 青島大學(xué) 纖維新材料與現(xiàn)代紡織國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 山東 青島 266071； 3. 青島大學(xué) 海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266071)

部分石墨烯復(fù)合纖維與制品的研發(fā)

曲麗君1,2,3, 田明偉1,2,3， 遲淑麗1， 王玉姣1, 胡希麗1

(1. 青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 山東 青島 266071； 2. 青島大學(xué) 纖維新材料與現(xiàn)代紡織國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 山東 青島 266071； 3. 青島大學(xué) 海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266071)

為探究石墨烯在功能纖維及紡織品的多元應(yīng)用，通過本課題組對(duì)石墨烯復(fù)合纖維及制品研發(fā)的總結(jié)，介紹了多元功能石墨烯復(fù)合纖維的制備與功能性研究，進(jìn)一步明確復(fù)合纖維力學(xué)增強(qiáng)、阻燃、熱穩(wěn)定性、防紫外線、遠(yuǎn)紅外發(fā)射等特性，以及耐日曬抗老化石墨烯錦綸長絲優(yōu)良的機(jī)械性能；在多元功能石墨烯紡織品方面，進(jìn)行了石墨烯紫外線防護(hù)織物、氧化石墨烯/殼聚糖復(fù)合導(dǎo)電織物、石墨烯復(fù)合遠(yuǎn)紅外功能紡織品、氧化石墨烯/海藻酸鈉復(fù)合膜和納米二氧化錳/石墨烯改性織物的研發(fā)及其功能性能研究。石墨烯復(fù)合纖維及制品在遠(yuǎn)紅外功能紡織品、個(gè)體防護(hù)及智能紡織品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

石墨烯； 復(fù)合纖維； 紡織品； 功能性

石墨烯是僅有一層原子厚度(0.334 nm)的二維蜂巢狀晶體，是與富勒烯和碳納米管為同素異形體的新型二維碳納米結(jié)構(gòu)材料，是迄今為止世界上最薄、最強(qiáng)韌的材料[1]。多年來，眾學(xué)者認(rèn)為石墨烯無法以單片層存在，直至2004年英國科學(xué)家采用微機(jī)械剝離法制取了單片層石墨烯，并于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獨(dú)特的二維納米層疊碳結(jié)構(gòu)使石墨烯擁有很多優(yōu)異特性，包括超高比表面積、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗菌及力學(xué)增強(qiáng)等[2-3]，但由于石墨烯片層之間極強(qiáng)的作用力，使石墨烯材料分散性能較差，難溶于水和有機(jī)溶劑[4-5]。

氧化石墨烯作為石墨烯的衍生物，在目前基于石墨烯復(fù)合材料的制備與研究過程中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值[6]。與石墨烯結(jié)構(gòu)類似，氧化石墨烯是經(jīng)由氧化反應(yīng)將天然石墨剝離而形成的單片層氧化石墨微片，其表面富含有羥基、羧基、羰基等含氧基官能團(tuán)[7]。大量氧基官能團(tuán)的引入改變了石墨的惰性表面，可通過化學(xué)接枝改性與生物分子、高分子、探針分子、無機(jī)粒子等[8-10]材料復(fù)合，以制備具有特定功能的功能化石墨烯復(fù)合材料。氧化石墨烯可通過化學(xué)還原、熱還原等方式去除氧基官能團(tuán)，獲得石墨烯[11]。

石墨烯及氧化石墨烯的優(yōu)異性能為相關(guān)功能紡織品的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。據(jù)報(bào)道，石墨烯在能源[12]、光電[13]、復(fù)合材料[14]、水處理[15]、生物醫(yī)藥[16]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Lee等[17]則通過濕法紡絲研究胺類石墨烯纖維的制備及應(yīng)用，從而降低生產(chǎn)成本。Luo等[18]研究無基質(zhì)石墨烯纖維，主要用于固相微萃取的吸附劑。高超等[19]將銀摻雜到石墨烯纖維中制得高導(dǎo)電性纖維以應(yīng)用于可伸縮性導(dǎo)體。曲良體等[20]則利用石墨烯纖維做成一體化的石墨烯纖維超級(jí)電容器，進(jìn)一步拓展了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，石墨烯在纖維及功能紡織品領(lǐng)域的研究仍主要集中于力學(xué)性能改善和提高，而石墨烯的加入對(duì)纖維和紡織品其他功能影響的研究還較少。本課題組將石墨烯引入到紡織領(lǐng)域應(yīng)用，開發(fā)了系列具有遠(yuǎn)紅外、抗紫外線、抗菌抑菌等功能特性的石墨烯復(fù)合纖維及制品。本文介紹了這些石墨烯復(fù)合纖維與制品的制備方法和性能，為石墨烯在紡織領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用提供參考。

1 氧化石墨烯及石墨烯制備

1.1 氧化石墨烯

將石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化可得氧化石墨烯。用濃硫酸(H2S04，98%)、過硫酸銨((NH4)2S2O8)、五氧化二磷(P2O5)，經(jīng)石墨間的相互反應(yīng)干燥后制得氧化石墨。將采用改進(jìn)的Hummer′s氧化還原法制備的氧化石墨與水配置成質(zhì)量濃度為1 mg/mL的懸浮液[21]，利用超聲波超聲60 min后，片層剝落，得到棕色的氧化石墨烯分散液；然后設(shè)置離心速度為5 000 r/min，分散液離心30 min，上層清液即為單片層氧化石墨烯水溶液；最后將氧化石墨烯分散液真空干燥，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 石墨烯

取一定質(zhì)量的氧化石墨烯(GO)粉末加入圓底燒瓶中配置成質(zhì)量濃度為1 mg/mL的分散液，用超聲波超聲10 min進(jìn)行分散；然后按1 mgGO加1 μL水合肼的比例將水合肼加入到圓底燒瓶中，混合溶液水浴加熱12 h，并用冷凝管回流。反應(yīng)結(jié)束后將還原產(chǎn)物通過真空抽濾，并用蒸餾水和丙酮進(jìn)行洗滌，真空干燥后得到石墨烯固體(RGO)，留樣測(cè)試待用。

2 石墨烯復(fù)合纖維

2.1 氧化石墨烯/粘膠復(fù)合纖維

2.1.1 氫化石黑烯/粘膠復(fù)合纖維制備

粘膠紡絲原液是經(jīng)黃化、溶解制成的纖維素黃酸酯溶液，將氧化石墨烯分散液按照一定比例加入，充分?jǐn)嚢枰灾苽溲趸?粘膠復(fù)合紡絲液，通過3道過濾和脫泡后送往紡絲機(jī)(FJ-155濕法紡絲機(jī))進(jìn)行紡絲。目前已克服了石墨烯分散液在粘膠紡絲液強(qiáng)堿環(huán)境的分散，以及石墨烯/粘膠復(fù)合纖維濕法紡絲連續(xù)化生產(chǎn)工藝等技術(shù)難題，最終可連續(xù)化生產(chǎn)石墨烯/粘膠復(fù)合纖維及其紡織品，其中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、2%、3%。

2.1.2 復(fù)合纖維的性能表征

2.1.2.1 拉伸力學(xué)性能 選取由濕法紡絲機(jī)紡制的純粘膠纖維以及石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%的石墨烯/粘膠復(fù)合纖維，采用LLY-06E型電子式單纖強(qiáng)力儀，根據(jù)FZ/T 98009—2011《電子單纖維強(qiáng)力儀》，測(cè)試不同纖維斷裂強(qiáng)度，其中，預(yù)加張力設(shè)置為0.5 cN，夾持隔距為10 mm，拉伸速度為20 mm/min，每個(gè)樣品測(cè)試30次，取其平均值。

石墨烯/粘膠復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長率如圖1所示。由圖可知：斷裂強(qiáng)度隨石墨烯含量的增加而線性變大，其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%石墨烯復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度為2.75 cN/dtex，與純粘膠纖維2.12 cN/dtex相比提高了30%，增強(qiáng)效果明顯，說明石墨烯與纖維素磺酸酯大分子之間形成了牢固的氫鍵作用，界面作用力提高；斷裂伸長率降低至13.9%，與純粘膠纖維18.3%相比，降低24%，這是由于石墨烯含量的增加，使復(fù)合纖維的韌性降低，導(dǎo)致斷裂伸長率降低[22]。

2.1.2.2 熱穩(wěn)定性能 采用德國NETZSCH公司的209F1 Iris儀器對(duì)樣品進(jìn)行熱穩(wěn)定性能測(cè)試。測(cè)試條件：氮?dú)鈿夥?，流速?0 mL/min，升溫速率為5 ℃/min，溫度范圍為25～800 ℃，測(cè)試參照GB/T 14463—1993《粘膠短纖維》進(jìn)行。

粘膠纖維和石墨烯復(fù)合纖維熱失重曲線如圖2所示。由圖可看出：粘膠及石墨烯/粘膠復(fù)合纖維的熱失重曲線趨勢(shì)大體一致。由起始溫度至90 ℃，3種纖維熱失重曲線趨勢(shì)重合，此階段主要是纖維內(nèi)部水分消失導(dǎo)致；從90 ℃開始，曲線下降緩慢，石墨烯復(fù)合纖維熱分解溫度達(dá)到280 ℃，比粘膠的熱分解溫度高20 ℃，說明石墨烯復(fù)合纖維的耐熱性較粘膠纖維好；粘膠纖維的熱分解階段在260～350 ℃，而復(fù)合纖維的熱分解階段在280～365 ℃，此階段中纖維質(zhì)量迅速下降，纖維質(zhì)量損失率達(dá)60%；375 ℃之后，則是各纖維的緩慢分解過程。上述分析可知，石墨烯復(fù)合纖維起始熱分解溫度和結(jié)束分解溫度較高，說明石墨烯的加入使得石墨烯/粘膠復(fù)合纖維熱穩(wěn)定性能變好[22]。

2.1.2.3 阻燃性能 采用錐形量熱儀CONE2測(cè)試粘膠纖維和復(fù)合纖維阻燃性能。測(cè)試前，需充分干燥試樣，并分別稱取10 g粘膠纖維和石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%的石墨烯/粘膠復(fù)合纖維。

根據(jù)ASTME 1354—1990《材料的熱和可視煙釋放率的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法》，在錐形量熱儀上對(duì)粘膠纖維和石墨烯/粘膠復(fù)合纖維進(jìn)行測(cè)試，主要從熱釋放速率、有效燃燒熱、總釋放熱等方面對(duì)阻燃性能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，石墨烯/粘膠復(fù)合纖維最大熱釋放速率為50 kW/m2，是粘膠纖維的最大熱釋放速率(90 kW/m2)的一半，在同等加熱條件下，與粘膠纖維相比，石墨烯復(fù)合纖維降解速率緩慢，平穩(wěn)，火災(zāi)中危險(xiǎn)性??；由圖3(b)可看出，纖維的最大有效燃燒熱的趨勢(shì)與纖維的最大熱釋放速率曲線一致，隨著時(shí)間的延長，纖維總釋放熱增加，在125 s處，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 的石墨烯/粘膠復(fù)合纖維較粘膠纖維的總釋放熱低約1 MJ/m2。綜上所述，石墨烯復(fù)合纖維有更好的阻燃性能[22]。

4)防紫外線性能。采用針織大圓機(jī)織制緯平針石墨烯復(fù)合纖維面料，纖維線密度為4.2 dtex。采用紫外透射儀測(cè)試針織面料的防紫外線性能，測(cè)試時(shí)對(duì)每個(gè)樣品選取3個(gè)不同部位，求其平均值作為織物的紫外線透射率。

石墨烯/粘膠復(fù)合纖維的紫外線透過率如圖4所示。根據(jù)紫外線透射系數(shù)(UPF)公式[23]計(jì)算出不同石墨烯含量復(fù)合纖維的UPF值，結(jié)果見表1。

試樣原料透射率/%紫外線透射系數(shù)粘膠68311741%石墨烯/粘膠18639742%石墨烯/粘膠82020943%石墨烯/粘膠13326589

由圖4可知，隨著石墨烯含量的增加，織物的透過率逐漸降低。石墨烯含量為3%的織物其透過率接近0，而純粘膠纖維織物的透過率高達(dá)70%，說明石墨烯的加入使得織物的防紫外線性能增強(qiáng)。由表1可知，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 的織物UPF值高達(dá)265.89，防紫外線性能優(yōu)良，在紫外防護(hù)服裝方面具有廣闊的應(yīng)用前景[24]。

5)遠(yuǎn)紅外線性能。石墨烯復(fù)合纖維的遠(yuǎn)紅外性能委托國家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照CAS 115—2005《保健功能紡織品》進(jìn)行。結(jié)果表明，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的復(fù)合纖維其遠(yuǎn)紅外法向發(fā)射率達(dá)到87%(標(biāo)準(zhǔn)要求80%)，石墨烯/粘膠復(fù)合纖維具有優(yōu)異的遠(yuǎn)紅外性能。

2.2 石墨烯/錦綸涂層長絲制備及性能

2.2.1 石墨烯/錦綸長絲涂層制備

采用連續(xù)溶液浸漬涂層技術(shù)，以不同混合比例的石墨烯/聚氨酯混合溶液為功能助劑，在自制裝置上按照?qǐng)D5所示的流程制備石墨烯改性錦綸長絲。錦綸長絲首先在石墨烯/聚氨酯混合溶液的浸漬槽中浸漬，經(jīng)過壓輥后錦綸長絲與溶液充分接觸，從浸漬槽引出后進(jìn)入烘干區(qū)(80～90 ℃)烘干，最后經(jīng)過絡(luò)筒，制得耐日曬抗老化石墨烯/錦綸長絲[25]。

2.2.2 復(fù)合長絲耐日曬性能

錦綸長絲及石墨烯/錦綸涂層長絲的拉伸性能如圖6所示。不同輻照時(shí)間下，錦綸及石墨烯/錦綸涂層長絲強(qiáng)力損失率見表2。由表可見：輻照60 h后，錦綸及錦綸/聚氨酯(PU)長絲的強(qiáng)力損失率分別為83.3%和73.9%，失去使用價(jià)值；而隨著石墨烯含量增加，石墨烯/錦綸涂層長絲強(qiáng)力損失率逐漸減小，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、輻照100 h后，其強(qiáng)力損失率為46.8%，強(qiáng)力損失降低顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯能有效改善錦綸長絲的耐日曬抗老化性能。

表2 不同輻照時(shí)間下長絲強(qiáng)力損失率Tab.2 Filament yarn strength loss rate under different irradiation time

3 石墨烯復(fù)合制品

3.1 防紫外線石墨烯涂覆織物制備及性能

目前，紫外防護(hù)服裝主要是通過紫外線屏蔽劑達(dá)到屏蔽紫外線效果。比如，研究者將紫外線屏蔽劑加入到纖維紡絲液中制得防紫外線纖維[26]；或者通過后整理方法如軋—烘—焙[27]、溶膠—凝膠[28]等方法使織物附著一定的紫外線屏蔽劑以達(dá)到紫外屏蔽效果。TiO2、ZnO、SiO2[22]等無機(jī)半導(dǎo)體氧化物常用作紫外線屏蔽劑。用石墨烯做紫外屏蔽劑的研究鮮有報(bào)道。

本文作者所在課題組以石墨烯作為紫外線屏蔽劑對(duì)棉織物進(jìn)行整理，經(jīng)檢測(cè)石墨烯整理織物具有超強(qiáng)的防紫外線效果。納米石墨烯微片(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.40%)與水性聚氨酯共混可制備新型紫外屏蔽劑，通過浸軋—烘干—焙烘的方式將紫外屏蔽劑涂覆到棉織物表面。

由文獻(xiàn)[21]可知，當(dāng)棉織物表面石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，整理劑與棉織物之間產(chǎn)生良好的界面黏附，掃描電鏡下觀察石墨烯整理劑在織物表面均勻分布，織物的紫外線透射系數(shù)值高達(dá)356.74，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紫外線防護(hù)紡織品的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 氧化石墨烯/殼聚糖復(fù)合導(dǎo)電織物

靜電層層自組裝是利用分子間的靜電作用為驅(qū)動(dòng)力使層與層之間自發(fā)締結(jié)、逐層成膜的技術(shù)。如Dubas等[29]通過靜電層層組裝方法對(duì)錦綸和蠶絲纖維進(jìn)行改性獲得抗菌紡織品；Pan等[30]通過靜電組裝技術(shù)制備了自阻燃棉織物。

本文作者所在課題組利用靜電層層自組裝方法將氧化石墨烯(GO)和殼聚糖(CS)組裝并對(duì)棉織物表面改性，隨后低溫還原將織物表面的氧化石墨烯還原為石墨烯(RGO)，賦予改性棉織物導(dǎo)電性能。在組裝過程中，帶負(fù)電的GO分子與帶正電的CS分子通過靜電吸引作用在棉織物表面層層交替沉積成膜結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[31]的研究結(jié)果表明，氧化石墨烯和殼聚糖不同組裝次數(shù)棉織物表面的K/S值呈奇偶交替，間接證明了GO和CS的層層交替組裝過程。表面電阻率測(cè)試結(jié)果表明，石墨烯改性棉織物擁有優(yōu)異的導(dǎo)電能力，僅組裝10次織物表面的電阻率即由7.9×108Ω·m降至4.35×10-3Ω·m，下降了11個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，石墨烯表面改性棉織物的耐水洗性能良好，經(jīng)水洗測(cè)試后，織物表面的電阻率變化不大，說明織物表面的石墨烯/殼聚糖(RGO/CS)組裝膜耐水洗效果良好。

3.3 氧化石墨烯/海藻酸鈉復(fù)合膜

石墨烯除在電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面具有優(yōu)異的性能外，其在力學(xué)性能方面亦有突出表現(xiàn)。有學(xué)者利用原子力顯微鏡測(cè)試了石墨烯單片層的斷裂強(qiáng)度和彈性模量發(fā)現(xiàn)，石墨烯的斷裂強(qiáng)度為125 GPa，彈性模量為1.1 TPa。

本文作者所在課題組采用氧化石墨烯添加到海藻酸鈉(SA)溶液中以解決純海藻酸鈉膜存在的膜強(qiáng)力低、易斷裂的問題。采用不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化石墨烯添加量(0、2%、4%、6%和8%)，分別標(biāo)記為SA、2%SA/GO、4%SA/GO、6%SA/GO和8% SA/GO,通過對(duì)比測(cè)試復(fù)合膜的力學(xué)性能。

圖7示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氧化石墨烯/海藻酸鈉復(fù)合膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量圖。從圖中可看出：氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0到6%時(shí)，復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力由23 MPa增加到84 MPa，比純海藻酸鈉提高了265%；而相對(duì)應(yīng)的添加量從0到6%復(fù)合膜的彈性模量從5%增加到26%，比純海藻酸鈉提高了420%。結(jié)果表明，氧化石墨烯的添加對(duì)海藻酸鈉膜的強(qiáng)力具有顯著增強(qiáng)效果。

3.4 納米二氧化錳/石墨烯改性棉織物

將棉織物浸漬于氧化石墨烯溶液中，2 h后取出自然晾干，備用；分別將未處理和用氧化石墨烯溶液處理過的棉織物浸漬于高錳酸鉀溶液中，向溶液中逐滴加入無水乙醇，靜置6 h，100 ℃烘干，炭化處理，制得納米二氧化錳/石墨烯功能織物。將納米二氧化錳/石墨烯改性棉織物經(jīng)過氧化石墨烯還原和炭化工藝處理后，比電容得到極大提高，同時(shí)顯著改善了材料循環(huán)性和穩(wěn)定性差的不足。圖8示出納米二氧化錳/石墨烯改性棉織物的電化學(xué)性能。

在電流密度為100 mA/g時(shí)，對(duì)純棉織物(1#試樣)、二氧化錳/棉織物(2#試樣)和二氧化錳/氧化石墨烯/棉織物(3#試樣)3種樣品進(jìn)行了25次充放電測(cè)試。從圖8(a)中可看出，3#試樣比電容高于其他2種，首次放電量可達(dá)356(mA·h/g)；再經(jīng)過25次充放電循環(huán)后，比電容略有下降；之后基本保持穩(wěn)定(329.4 (mA·h)/g)，保容率可達(dá)92.5%。在電流密度為100 mA/g時(shí)，1#試樣、2#試樣的比電容分別為231 (mA·h)/g 和 251 (mA·h)/g；隨循環(huán)次數(shù)的增加，持續(xù)變化，下降明顯，穩(wěn)定性差，保容率低。經(jīng)圖8(b)知，經(jīng)過70次充放電循環(huán)，當(dāng)電流密度再次轉(zhuǎn)換為100 mA/g時(shí)，比電容恢復(fù)到329.4 (mA·h)/g，顯示出良好的循環(huán)性能和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于超級(jí)電容器。

4 結(jié)語與展望

本文綜述了作者所在課題組將石墨烯納米材料應(yīng)用在新型纖維及功能紡織品領(lǐng)域的研發(fā)現(xiàn)狀，將石墨烯與再生纖維素、聚氨酯、海藻酸鈉、殼聚糖及二氧化錳等材料，通過共混、表面涂層、接枝改性及原位聚合等方法，制備了具有多元功能的石墨烯復(fù)合纖維及制品。所制備的多元功能石墨烯/粘膠復(fù)合纖維具有力學(xué)增強(qiáng)、遠(yuǎn)紅外、防紫外線等功能特性；石墨烯/錦綸涂層長絲具有良好的耐日曬抗老化特性；石墨烯紫外線防護(hù)織物的紫外線防護(hù)系數(shù)達(dá)356.74；氧化石墨烯/殼聚糖涂覆導(dǎo)電織物具有較低的電阻率4.35×10-3Ω·m；海藻酸鈉復(fù)合膜加入氧化石墨烯后其斷裂強(qiáng)度提高100%，可顯著改善海藻酸鈉膜強(qiáng)力低的缺點(diǎn)；納米二氧化錳/石墨烯改性織物電化學(xué)性能突出。上述石墨烯復(fù)合纖維及紡織品具有優(yōu)異的功能特性，將在功能性服裝、產(chǎn)業(yè)用紡織品、柔性器件、智能穿戴等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

目前國內(nèi)外關(guān)于石墨烯應(yīng)用于紡織領(lǐng)域的研究仍處于研究階段，對(duì)石墨烯帶來的功能特性仍在探索，石墨烯紡織品產(chǎn)業(yè)化研發(fā)仍處于初期階段。石墨烯的顏色使其應(yīng)用有局限性，后續(xù)將針對(duì)石墨烯新型功能紡織品的外觀、功能性與舒適性之間難以兼容的問題進(jìn)行探索，探究石墨烯在紡織上的更廣泛的應(yīng)用。

FZXB

[1] ZHANG S, SHAO Y, LIAO H, et al. Polyelectrolyte-induced reduction of exfoliated graphite oxide:a facile route to synthesis of soluble graphene nanosheets[J]. ACS Nano, 2011,5(3):1785-1791.

[2] CHEN J, JANG C, XIAO S, et al. Intrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2[J]. Nature Nanotechnology, 2008,3(4):206-209.

[3] GEIM A K, KIM P. Carbon wonderland[J]. Scientific American, 2008,298(4):90-97.

[4] PERES N M R. Colloquium: the transport properties of graphene: an introduction[J]. Physics, 2010, 82(3):2673-2700.

[5] LEE C，WEI XD，KYSAR J W,et al.Measurement of the elastic properties and intrinsic strength ofmonolayer graphene [J].Science，2008，321(5887)：385-388.

[6] STANKOVICH S，DIKIN D A, DOMMETT G H B，et al. Graphene-based composite materials [J].Nature，2006，442(7100)：282-286.

[7] DIKIN D A, STANKOVICH S，ZIMNEY E J，et al.Preparation and characterization of graphene oxide paper [J].Nature，2007，448(7152)：457-460.

[8] WANG H L，HAO Q L，YANG X J，et al.Graphene oxide doped polyaniline for supercapacitors [J].Electrochem Commun，2009，11(6)：1158-1161.

[9] LI X L，WANG H L，ROBINSON J T，et al.Simultaneous nitrogen doping and reduction of graphene oxide [J].J Am Chem Soc,2009，13l(43)：15939-15944.

[10] CHEN H，MULLER M B，GILMORE K J，et al.Mechanically strong，electrically conductive，and biocompatible graphene paper [J].Adv Mater, 2008，20(18)：3557-3561.

[11] PARK S，RUOFF R S.Chemical methods for the production of graphenes [J].Nat Nanotechnol，2009，4(4)：217-224.

[12] 趙兵, 祁寧. 石墨烯和氧化石墨烯在紡織印染中的應(yīng)用[J]. 印染, 2014 (5): 49-52. ZHAO Bing, QI Ning. The application of graphene and graphene oxide in textile printing and dyeing [J]. China Printing & Dyeing, 2014 (5): 49-52.

[13] YANG X, CHENG C, WANG Y, et al. Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage.[J]. Science, 2013, 341(6145):534-537.

[14] CHAO X，WANG X，ZHU J.Graphene/metal particle nanocomposites[J].The Journal of Physical Chemistry C，2008，112(50): 19841 -19845.

[15] DAVID Cohen-Tanugi，JEFFREY C Grossman.Water desalination across nanoporous graphene [J].Nano Letter，2012，12(7) : 3602-3608.

[16] NING Li，QI Zhang，SONG Gao，et al.Three-dimensional graphene foam as a biocompatible and conductive scaffold for neural stem cells[J].Scientific Reports，2013，1604(3):1-6.

[17] LEE W, SANG S Y, UM M K, et al. Preparation of amine-functionalized graphene fiber and its applica-tion[J]. 2015, 28(5):265-269.

[18] LUO Y B, YUAN B F, YU Q W, et al. Substrateless graphene fiber: a sorbent for solid-phase microextrac-tion[J]. Journal of Chromatography A, 2012, 1268(23):9-15.

[19] XU Z, LIU Z, SUN H, et al. Highly electrically conductive Ag: doped graphene fibers as stretchable conductors[J]. Advanced Materials, 2013, 25(23):3249-3253.

[20] HU Y, CHENG H, ZHAO F, et al. All-in-one graphene fiber supercapacitor.[J]. Nanoscale, 2014, 6(12):6448-6451.

[21] WANG Y, TIAN M, QU L, et al. Enhanced thermal, UV blocking and dye absorptive properties of chitosan/poly(vinyl alcohol)/graphene oxide fibers[J]. Fibers & Polymers, 2015, 16(9):2011-2020.

[22] 張憲勝, 曲文廣, 田明偉, 等. 石墨烯粘膠復(fù)合纖維的性能研究[J]. 棉紡織技術(shù), 2015, 43(6): 15-19. ZHANG Xiansheng, QU Wenguang, TIAN Mingwei, et al. The research on performance of Graphene /viscose composite fiber [J]. Journal of Cotton Textile Technology, 2015, 43(6): 15-19.

[23] TRAGOONWICHIAN S, O′REAR E A, YANUMET N. Double coating via repeat admicellar polymerization for preparation of bifunctional cotton fabric: ultraviolet protection and water repellence[J]. Colloids & Surfaces A: Physicochemical & Engineering Aspects, 2009, 349(1):170-175.

[24] 胡希麗, 田明偉, 曲麗君. 基于納米石墨烯整理的棉織物防紫外線性能分析[J]. 棉紡織技術(shù), 2015, 43(6): 32-36. HU Xili,TIAN Mingwei, QU Lijun. UV protection performance analysis of cotton fabrics based on nano-graphene finishing[J]. Journal of Cotton Textile Technology, 2015, 43(6): 32-36.

[25] 孫凱凱, 田明偉, 曲文廣, 等. 石墨烯改性錦綸長絲制備及性能研究[J]. 棉紡織技術(shù), 2015, 43(11): 24-28. SUN Kaikai, TIAN Mingwei, QU Wenguang, et al. Preparation of graphene modified polyamide filament and performance study [J]. Journal of Cotton Textile Technology, 2015, 43 (11) : 24 - 28.

[26] LEE S. Multifunctionality of layered fabric systems based on electrospun polyurethane/zinc oxide nanocomposite fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009,114(6):3652-3658.

[27] INOUE S, KABAYA M. Biological activities caused by far-infrared radiation[J]. International Journal of Biometeorology, 1989, 33(3): 145-150.

[28] CHUNG J, LEE S. Development of nanofibrous membranes with far-infrared radiation and their antimicrobial properties[J]. Fibers and Polymers, 2014, 15(6): 1153-1159.

[29] DUBAS S T, KUMLANGDUDSANA P, POTIYARAJ P. Layer-by-layer deposition of antimicrobial silver nanoparticles on textile fibers[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2006, 289(1): 105-109.

[30] PAN H, WANG W, PAN Y, et al. Formation of self-extinguishing flame retardant biobased coating on cotton fabrics via layer-by-layer assembly of chitin deriva-tives[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 115:516-524.

[31] 胡希麗, 田明偉, 曲麗君. 氧化石墨烯/殼聚糖靜電組裝棉織物的導(dǎo)電性能[J]. 印染, 2015(18):1-5. HU Xili, TIAN Mingwei, QU Lijun. Graphene oxide/chitosan electrostatic assembly electrically conductive properties of cotton fabrics [J]. Journal of Printing and Dyeing, 2015 (18) : 1-5.

Research and development of graphene composite fibers and fabrics

QU Lijun1,2,3, TIAN Mingwei1,2,3, CHI Shuli1, WANG Yujiao1, HU Xili1

(1.CollegeofTextilesandClothing，QingdaoUniversity，Qingdao，Shandong266071，China； 2.LaboratoryofNewFiberMaterialsandModernTextile，TheGrowingBaseforStateKeyLaboratory，QingdaoUniversity，Qingdao，Shandong266071，China； 3.CollaborativeInnovationCenterforMarineBiomassFibers，MaterialsandTextilesofShandongProvince，QingdaoUniversity，Qingdao，Shandong266071，China)

To explore diverse application of graphene in functional fiber and textiles, the multiple functions of the preparation of graphene composite fiber and functional studies were introduced through the products of the summary of our research of graphene composite fibers. The preparation of graphene/regenerated fiber and the features such as mechanical enhancement, flame retardant, thermal stability, prevent ultraviolet and infrared emission characteristics and weather resistant anti-aging of the composite fibers were studied. Graphene UV protection fabric, graphene oxide/chitosan composite conductive fabric, graphene far-infrared fabric, graphene oxide/sodium alginate composite film and the nanometer manganese dioxide/graphene modified fabric were produced and tested. Graphene composite fibers and products have a broad application prospect in far-infrared functional textiles, individual protection and intelligent textiles field.

graphene; composite fiber; fabric; function

2016-01-19

2016-07-08

曲麗君(1964—)，女，教授，博士。主要研究方向?yàn)榧{米材料在紡織領(lǐng)域應(yīng)用。E-mail：lijunqu@126.com。

10.13475/j.fzxb.20160504808

TS 131.9

A