神奇的石墨烯服裝

文/馮憲 編輯/丙丁

神奇的石墨烯服裝

文/馮憲 編輯/丙丁

馮憲

高級工程師，上海市科普作家協(xié)會會員，原上海市服裝研究所總工程師，現(xiàn)任上海市紡織工程學(xué)會學(xué)術(shù)部、科普部副部長。

今年央視春晚有一款神奇的高科技服裝精彩亮相。當(dāng)時，在哈爾濱分會場零下三十幾度的露天滑冰表演場地上，一群身穿能夠顯現(xiàn)人體健美線條的輕薄型連體服裝的演員，在音樂伴奏和燈光襯映下翩翩起舞，取得了韻律十足、美不勝收的表演效果，頗奪人眼球。這款表演服裝便是采用石墨烯材料制成的，利用其外觀輕薄的特點和具有快速充電釋放熱量且蓄積熱能功能的突出優(yōu)勢，很好地產(chǎn)生了抗寒保暖，呵護人體的作用，適應(yīng)演出需要和確保演出質(zhì)量的目的。據(jù)研發(fā)該產(chǎn)品的智烯科技公司總經(jīng)理李思幸介紹，這款特殊的服裝能在30秒內(nèi)快速升溫到40℃左右，恒溫時間可持續(xù)3至5個小時，具有高效保暖效果以及輕巧、便捷的特點。這款石墨烯服裝成為今年央視春晚哈爾濱高寒演出場地保護演員體溫健康和提高演出質(zhì)量的高科技秘密武器。

石墨烯結(jié)構(gòu)圖

表演現(xiàn)場

石墨烯最初來源于石墨。石墨屬于晶態(tài)單質(zhì)的碳化合礦物質(zhì)，是由有機成因的碳物質(zhì)在高溫下發(fā)生質(zhì)量變化而形成的。它常見于大理巖、片巖或片麻巖中，煤層經(jīng)熱質(zhì)變作用也可部分形成石墨。另外，少量石墨還是火成巖的原生礦物質(zhì)。石墨在重化工、輕工及國防、原子能等各領(lǐng)域的生產(chǎn)中用途很廣，是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料，還可用于制作耐火材料、導(dǎo)電材料、耐磨潤滑材料、隔熱材料、防射線材料和防腐防銹除垢材料。同時，它還是一種環(huán)保型蓄能材料，美國已用它生產(chǎn)汽車電池。石墨烯是由一層層的石墨疊加而成的，厚度為1毫米的石墨大約包含了300萬層的石墨烯，用石墨制成的鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡中就有數(shù)層石墨烯。石墨烯有單層、雙層和多層之分，均具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度僅為一個原子層，是目前世界上已知最薄的納米材料，20萬片石墨烯薄膜疊加在一起，厚度僅與一根頭發(fā)絲相仿。石墨烯還具有快速傳導(dǎo)功能，電子傳遞速度比任何已知導(dǎo)體都快，導(dǎo)熱性是銅的13倍，導(dǎo)電性是銅的100萬倍。

石墨烯這種材料的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用時間并不長。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃肖洛夫，在實驗中通過不斷對鱗片狀石墨進行提煉和分離，首次得到了一種只有一層碳原子結(jié)構(gòu)，形態(tài)極薄的新物質(zhì)，即石墨烯。在隨后的三年內(nèi)，兩位科學(xué)家在單層和雙層石墨烯體系中又分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們因此獲得了2010年度的諾貝爾物理學(xué)獎。至此，石墨烯這種屬于納米級別的新材料開始受到相關(guān)業(yè)界的關(guān)注。作為一種二維碳納米材料，石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和剛性結(jié)構(gòu)，其硬度比最堅韌的鋼鐵還要強100倍，甚至超過了鉆石。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，能夠吸收僅為2.3%的光。在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率與傳統(tǒng)的ITO薄膜（一種半導(dǎo)體材料，具有高的導(dǎo)電率、高的可見光透過率、高的機械硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性）相當(dāng)，在其他波段，四層石墨烯的透過率還遠遠高于ITO薄膜。由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、高強度、透明度以及柔韌性，作為一種納米新材料，石墨烯在相關(guān)領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，被譽為可引起革命性改變的“超級材料”。最新研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯還能從其他一些含有碳元素的物質(zhì)中提取，如我國發(fā)明了從玉米秸稈及玉米芯中提煉石墨烯的技術(shù)，澳大利亞也研發(fā)了從茶樹中提取石墨烯的方法。于是，就有了生物質(zhì)石墨烯的提法。

軍用石墨烯服裝

石墨烯胚布

我國在石墨烯研究上具有獨特的優(yōu)勢。從資源角度分析，作為石墨烯主要生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲量豐富。另外，我國已經(jīng)成功解決石墨烯批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)這兩大難題，突破了石墨烯材料量產(chǎn)的阻礙，且制造成本已從原來的5000元人民幣/克降至3元人民幣/克。國內(nèi)已能利用化學(xué)氣相沉積法（CVD）成功制造出了首片15英寸的單層石墨烯，并能夠?qū)⑹┩该麟姌O應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。2014年3月20日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛課題組與清華大學(xué)和中科院金屬研究所相關(guān)團隊合作，成功研制出高導(dǎo)熱石墨烯/碳纖維柔性復(fù)合薄膜。2015年3月2日，全球首批3萬部石墨烯手機在重慶發(fā)布，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜。

在紡織服裝行業(yè)，我國山東濟南圣泉集團于8年前便開始和國內(nèi)外眾多院校合作研究“生物質(zhì)石墨烯功能纖維及其在紡織領(lǐng)域中運用”課題。

商務(wù)石墨烯服裝

2014年，該集團聯(lián)合黑龍江大學(xué)成功利用基團配位組裝法研制出生物質(zhì)石墨烯提煉工藝，實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破，科研人員從玉米的秸稈和芯中創(chuàng)造性地制備了生物質(zhì)石墨烯和玉米芯纖維，同時還將兩者復(fù)合加工，研發(fā)出一種內(nèi)暖纖維并實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。這種全新的內(nèi)暖型多功能復(fù)合纖維，除具有一般纖維的常規(guī)屬性之外，還具有防紫外線、抗菌抑菌等特性，除了適用于服裝產(chǎn)品之外，還可以應(yīng)用于車輛內(nèi)飾、美容醫(yī)療衛(wèi)材、摩擦材料、過濾材料等生產(chǎn)領(lǐng)域。2015年在青島舉行的中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，石墨烯發(fā)現(xiàn)者、諾貝爾物理學(xué)獎得主安德烈·杰姆教授對這一成果評價頗高，英國曼徹斯特國家石墨烯研究院的科學(xué)家還當(dāng)場購買了這種生物質(zhì)石墨烯內(nèi)衣產(chǎn)品，聲稱要回去和同事們分享。

其實，發(fā)熱保暖只是石墨烯材料多項出眾性能中的一項，隨著對石墨烯技術(shù)認識的不斷深入和開發(fā)力度的不斷加大，從“新材料”視角出發(fā)分析其在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用前景，不僅能夠進一步拓展紡織服裝產(chǎn)品的功能，甚至還可能會帶來革命性的變化。比如，可以利用石墨烯材料導(dǎo)電性能強和具有蓄能傳導(dǎo)的性能，在完善可穿戴技術(shù)方面發(fā)揮作用，開發(fā)具有耐久性蓄電導(dǎo)電功能的智能化服裝，使服裝自身真正具備蓄電供電功能，方便與各種隨身攜帶的耗電型設(shè)備對接，提高這些設(shè)備的續(xù)航能力。再如，利用石墨烯材料可隨環(huán)境溫度變化發(fā)生形變的特性，可開發(fā)袖子或裙擺能自動伸縮變形、可長可短的服裝，方便日常穿著；利用石墨烯材料的防紫外線、抗菌抑菌、耐熱和阻燃性能等特性，開發(fā)各類防護服裝；利用石墨烯材料輕薄、蓄熱特點，開發(fā)更加輕薄、合體的冬季服裝等。而且，作為以有機礦物質(zhì)為主要原料來源的石墨烯材料，在規(guī)避有害化學(xué)、減少重金屬、農(nóng)藥侵害方面也具有獨特優(yōu)勢，可以開發(fā)出更多的綠色、安全的紡織服裝用品，進一步滿足市場新需求。

石墨烯運動裝

石墨烯保暖服

石墨烯保暖內(nèi)衣

石墨烯智能發(fā)熱服