第9期紡織科技新見解學術沙龍專欄編后記
——熱議石墨烯與紡織

第9期紡織科技新見解學術沙龍專欄編后記
——熱議石墨烯與紡織

石墨烯作為一種納米級新材料，具有非同尋常的透光性、導熱性、導電性和超高強度、超輕薄等特性，能在諸多應用領域取代(或增強)原有材料發(fā)揮其優(yōu)勢，尤其在生物醫(yī)藥、能源、通信、復合材料、光電、水處理等領域已經(jīng)得到了廣泛的研究，成為可能入選十三五規(guī)劃的熱門新型材料之一；但石墨烯的研究還主要停留在實驗室階段，因其成本偏高、應用領域亟待拓寬，是目前產(chǎn)業(yè)界和學術界熱烈爭論的話題。為此《紡織學報》編輯委員會、中國科學院重慶綠色智能技術研究院、北京碳世紀科技有限公司于2016年4月8日在北京共同承辦了主題為“石墨烯與紡織”的第9期紡織科技新見解學術沙龍。

本期沙龍邀請了來自智能紡織材料、紡織復合材料、納米材料與技術、高分子材料與工程、服裝設計與工程、新能源科學與工程、非織造材料與工程、先進功能材料、材料物理等領域的專家和青年學者，針對石墨烯纖維的來源及結構性能、石墨烯功能纖維、石墨烯膜材料、石墨烯在紡織上的潛在應用及前景等方面展開前沿跨界交流，期望將具備特殊性能的石墨烯材料引入紡織領域，尤其是智能紡織品與高性能纖維方面的應用，加強多個學科交叉合作，促進優(yōu)勢互補，制備出具有高附件值的產(chǎn)品。石墨烯與紡織的結合，是傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)和新興高科技領域的融合，能否帶來革命性的創(chuàng)新產(chǎn)品，非常值得多領域科技工作者共同探討。中國工程院姚穆院士、中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所施楣梧教授級高工、中國科學院重慶綠色智能技術研究院史浩飛研究員共同擔任本期沙龍領銜科學家。

1 石墨烯發(fā)展概況

石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，以其特有性能被譽為“超級材料”。目前石墨烯的應用在學術領域、資本領域成為追逐熱點。石墨烯相關領域的研究成果呈指數(shù)增長，尤其在過去的幾年中發(fā)展迅速，我國申請的專利數(shù)量已經(jīng)超過4 000項，但是能應用在產(chǎn)業(yè)界的相對較少，媒體的熱與產(chǎn)業(yè)領域的冷顯得尤為不均衡?！蛾P于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》于2015年由工信部、發(fā)改委和科技部三部委聯(lián)合發(fā)布，該文件指出在2020年要完善石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，并逐步實現(xiàn)石墨烯材料標準化、系列化和低成本化，在多領域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?。

從施楣梧教授級高工總結的國內(nèi)外石墨烯研究整體狀況，可以了解到當前石墨烯的制備方法主要分為液相法和固相法，其中液相法主要包括氧化還原法、超聲分離法、有機合成法、溶劑熱法，固相法主要包括解離法和碳化硅熱解法；而常用的調(diào)控技術主要有自組裝、共組裝和復合分散技術。石墨烯在防沖擊材料、防熔滴材料、抗靜電材料和電磁波防護領域的應用有較好前景，石墨烯在纖維染色、抗菌材料、石墨烯氣凝膠等方面也有較好的應用，但也存在不少問題。

2 石墨烯應用研究的新思路

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維結構納米材料，碳原子規(guī)整排列于蜂窩狀點陣結構單元中，獨特的結構使石墨烯具有很高的強度、韌性和彈性模量，可以作為納米增強體，加入到聚合物中，制備性能更優(yōu)的納米增強復合材料，為紡織材料的研發(fā)提供新思路。

2.1 石墨烯在吸油與分離材料中的應用

目前，全國重點監(jiān)控含油(不溶或難溶于水的油性低分子有機物，如苯類、鹵代烴、煤油、柴油、汽油及油脂類)廢水污染企業(yè)超3萬家；全世界每年200～300 Mt含油廢水排入水體,含大量有毒難降解有機物。天津工業(yè)大學肖長發(fā)教授指出，含油廢水、廢棄液排放、油品泄漏等對海洋、河流及水上生態(tài)系統(tǒng)造成災難性危害，如何快速去除水上浮油，減少含油廢水污染和實現(xiàn)廢油資源化等，受極大關注。其課題組發(fā)現(xiàn)石墨烯的單原子層二維結構在吸附與分離材料方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，高比表面積使其吸附表面遠高于傳統(tǒng)吸附劑，可快速吸附各種污染物。在合成吸油纖維和高性能中空纖維膜研究基礎上，以石墨烯微片構筑表面吸附層，以中空纖維多孔膜為基體，研制具有連續(xù)吸附與分離功能中空纖維膜材料，在吸附與分離領域的研究取得較大突破。所制備的石墨烯系復合纖維分離效率可達97%左右，并且具有較好的重復使用性能。他認為，現(xiàn)在對石墨烯系吸附與分離功能材料研究主要集中于基礎層面，亟待進一步的深入研究，同時還需要盡快解決石墨烯的高效回收與再利用等難題。

2.2 石墨烯在抗菌材料中的應用

北京碳世紀科技有限公司的閆立群董事長從產(chǎn)業(yè)化角度對石墨烯產(chǎn)品發(fā)展及其市場需求做了簡單介紹，分析了石墨烯在抗菌領域中的應用。他指出目前與石墨烯相關的抗菌性研究主要有氧化石墨烯負載銀的抗菌活性研究以及氧化石墨烯與其他材料復合后的抗菌性研究。已有科技工作者研究了氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)對大腸桿菌活力的影響，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的抗菌能力高于還原氧化石墨烯，尺寸大的氧化石墨烯比尺寸小的擁有更好的抗菌性，氧化石墨烯懸液在2 h內(nèi)對大腸桿菌孵育抑制率達到90%以上。其抗菌性來源于氧化石墨烯對大腸桿菌細胞膜的機械切割破壞。更重要的是GO對哺乳動物產(chǎn)生的細胞毒性很小，而氧化石墨烯和還原氧化石墨烯都可以氧化細菌體內(nèi)的還原型谷胱甘肽。因此，認為材料的抗菌性除了來自對細胞膜的破壞外，還可能來自材料引發(fā)的氧自由基進而誘發(fā)的氧化損傷，但石墨烯在復合織物中牢度差，易析出，且存在織物難染色等問題。

2.3 石墨烯復合纖維的制備

石墨烯是至今測量過的強度最高的材料之一，比結構鋼的強度高200倍。在纖維中加入微量的石墨烯，即對纖維的力學性能有明顯的增強作用。中國科學院重慶綠色智能技術研究院史浩飛研究員用氧化石墨烯和聚乙烯醇(PVA)共混紡絲，制備了具有高強高模的PVA/GO復合纖維，同時簡化了當前高強高模PVA纖維的生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)過程中的污染。在PVA纖維加入微量GO后，GO可發(fā)揮成核劑的作用，在熱拉伸過程中提高纖維的結晶度；其還可以發(fā)揮模板劑的作用，使得復合纖維的非晶區(qū)取向進一步提高。當添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%的GO時，斷裂強度提高了43%，初始模量提高了81%。采用傳統(tǒng)一步法濕法紡絲工藝可制備PVA/GO復合纖維，斷裂強度達到11.8 cN/dtex；初始模量達到200 cN/dtex。蘇州大學戴禮興教授指出，PVA/GO復合纖維中如果添加過多GO，會引起GO在纖維內(nèi)部團聚，從而使得復合纖維的力學性能下降。東華大學張清華教授還對石墨烯改性聚酰胺6、聚酰亞胺、聚丙烯腈纖維等方面的研究做了介紹和分析。為石墨烯增強復合材料力學性能的提升提供參考。

2.4 功能性石墨烯復合纖維的制備

將石墨烯添加到聚合物中，有利于改善纖維的耐熱性、耐候性、抗靜電等諸多性能，增強纖維材料整體性能，提供了規(guī)?；a(chǎn)的可能性。天津工業(yè)大學的張興祥教授通過原位聚合工藝制備了基于石墨烯、碳納米管增強聚酰胺(PA6)復合纖維。將氨基功能化碳納米管、功能化石墨烯加入復合纖維，使其強度較單組分納米填充時提高更大，當添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%功能化石墨烯，質(zhì)量分數(shù)為0.3%功能化多壁碳納米管時，復合纖維斷裂強度為674 MPa，斷裂伸長率為20.2%，彈性模量達到5.57 GPa，二者的同時加入，起到協(xié)同增強效果。苯乙烯-g-馬來酸酐功能化石墨烯與功能化碳納米管原位聚合法制備得到的PA6/石墨烯/碳納米管復合纖維力學性能有所改善，力學性能與增強體的總添加量和配比有關，隨著總添加量的增加呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢，當總添加質(zhì)量分數(shù)為0.5 %，即石墨烯與碳納米管質(zhì)量比為0.2∶0.3時，其力學性能達到最佳值，拉伸斷裂強度為668 MPa，彈性模量為3.06 GPa。

國內(nèi)外關于石墨烯應用于紡織領域的研究處于起步階段，在導電織物、阻燃織物、導熱織物、紫外線防護織物、抗菌織物等一元或多元功能的紡織品應用已經(jīng)取得一定的進展。青島大學的曲麗君教授指出，隨著人類對自然環(huán)境的破壞，臭氧空洞變大，皮膚癌發(fā)病率正在逐年攀升，紫外線輻射已經(jīng)成為人類健康的巨大威脅之一，而以石墨烯作為紫外線屏蔽劑(對棉織物進行浸軋-烘干-焙烘的方法進行處理)，將其涂覆到棉織物表面，該織物具有可良好的防紫外線效果；以再生纖維素紡絲原液為基體，制備的石墨烯/再生纖維素復合紡織品，其力學性能和熱穩(wěn)定性能得到提高，阻燃性能得到改善，并有良好的防紫外線輻射和遠紅外發(fā)射功能。

石墨烯作為一種高強度高導電率的纖維材料，可用于制備柔性電子織物及儲能元件，蘇州大學張克勤教授研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯復合纖維表現(xiàn)出了較高的拉伸強度，但是并不夠穩(wěn)定，因纖維柔性差，達不到柔性電子織物的紡織要求，而且纖維的導電性和持久性仍需提高。用其制備可穿戴的柔性電子織物及儲能元件還有待深入研究。

3 結束語

與會其他專家針對自己的研究進展和難點問題展開了熱烈的討論，并提出了自己的見解，為石墨烯在紡織領域的應用提供了新思路、新方法。中國工程院姚穆院士在本期沙龍總結發(fā)言中指出：通過邀請石墨烯纖維、石墨烯功能材料、石墨烯復合織物等領域的專家到會交流，有利于促進石墨烯在紡織領域的應用和學科間的跨界融合。同時姚院士對此次沙龍的內(nèi)容給予了肯定。

石墨烯材料與紡織材料的結合，是新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)的融合，對推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級、培育壯大新興產(chǎn)業(yè)具有重要意義。而且國防軍工、航空航天、新能源及高科技產(chǎn)業(yè)等領域?qū)Ω咝阅懿牧吓c織物的需求越來越多，要求也越來越高，石墨烯復合纖維及織物有望成為行業(yè)科技創(chuàng)新的主引擎。

(撰稿 舒?zhèn)?