石墨烯在紡織上的應用研究進展

文/談峰

石墨烯是一種新型的納米材料，呈納米級的片膜狀結(jié)構，單層的厚度僅為0.35nm，約為頭發(fā)絲直徑的萬分之一。石墨烯是單層石墨的層片，是構成石墨的基本單元。其獨特的二維單原子層狀晶體結(jié)構，使其具有優(yōu)異的特性：

（1）優(yōu)異的力學性能，強度、硬度高且彈性模量大；

（2）優(yōu)良的光學特性，透明度高且穩(wěn)定性好；

（3）優(yōu)異的導電性；

（4）較大的比表面積，穩(wěn)定性高，具備較佳的儲能性能；

（5）優(yōu)良的抑菌抗菌效果。

因石墨烯優(yōu)異的物理化學性能，逐步成為紡織領域研究熱點，其被應用于功能纖維及智能紡織領域，比如抗菌性纖維及織物、遠紅外纖維以及智能服裝等。石墨烯在纖維領域研究的不斷深入，其優(yōu)異的比表面積使快速充電儲能材料的出現(xiàn)成為可能，其電化學性能將使得多功能智能紡織品的研究得到極大的發(fā)展。隨著石墨烯制備工藝的不斷完善與簡化，石墨烯將得到更廣泛推廣與應用，擁有更好的發(fā)展前景。本文主要介紹了石墨烯在紡織纖維及織物的應用進展。

1 石墨烯改性纖維的制備及性能

石墨烯改性纖維的制作方式主要是在紡絲過程中加入石墨烯的方式來完成的。通過加入石墨烯，賦予纖維防紫外線、保暖保溫、抗菌防臭等功能。目前用于改性的纖維主要包括聚酯纖維、聚酰胺纖維和纖維素纖維。

1.1 石墨烯改性聚酯纖維

聚酯纖維（滌綸）因制造工藝簡單，具有彈性好、化學穩(wěn)定性好、耐磨性高、耐腐蝕性強、絕緣、挺括、易洗快干等優(yōu)點，在服裝及工藝領域得到廣泛應用。但是，隨著生活水平的提高，消費者對服裝的要求不再僅限于耐用、舒適等功能，更加注重服裝的功能及保健效果。因此，科研人員將石墨烯用于對滌綸纖維進行改性，賦予滌綸纖維獨特的功能特性。

王雙成等[1]以可再生的生物質(zhì)石墨烯粉末和聚酯粉體為原料，通過熔融紡絲工藝制備出石墨烯改性滌綸纖維。通過檢測證明該纖維的遠紅外發(fā)射率達0.92，遠紅外輻照溫升為5.5℃，均高于GB/T 30127《紡織品遠紅外性能的檢測和評價》中的規(guī)定。同時，該纖維對于大腸桿菌、白色念珠菌等的抑菌率均超過了99%，遠高于標準要求，抗菌效果顯著。用此纖維制作的被子填充物，在同樣重量填充物下，保暖率與鴨絨基本持平，但其透氣率是鴨絨的8倍多。

1.2 石墨烯改性聚酰胺纖維

聚酰胺纖維是一種應用廣泛、性能優(yōu)異的合成纖維，其斷裂強度高、耐磨性高、彈性好，廣泛應用于服用和工業(yè)領域。但是其也存在耐熱性能和耐光性能差的缺點。

侯文俊等[2]利用氧化石墨烯，通過熔融紡絲和原位聚合法制備了氧化石墨烯改性尼龍6纖維，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯對尼龍的拉伸性能有增強效果，當含量達到0.1%時，拉伸強度達到最佳。張靈英等利用石墨烯微片為增強相，尼龍6為基體制作復合材料，研究發(fā)現(xiàn)，該材料的電化學性能、摩擦磨損性能、力學性能均好于炭黑增強的復合材料。肖建亮等將石墨烯加入聚酰胺紡絲液中，通過靜電紡絲技術制備復合納米纖維，研究發(fā)現(xiàn)，加入石墨烯后，紡絲液的粘度降低，導電性增強，纖維直徑得到了降低，同時提高了納米纖維的熱穩(wěn)定性。

同時，在服用領域，石墨烯也得到了廣泛應用。用石墨烯改性的聚酰胺纖維用于該戶外紡織品，具有良好的耐日曬效果，導電性也得到了提升。雖然石墨烯已經(jīng)在服用領域嶄露頭角，但石墨烯在服用纖維領域及智能紡織領域的應用還需不斷探索。

1.3 石墨烯改性纖維素纖維

纖維素纖維是最常見的紡織原料之一，其吸濕透氣性好、柔軟舒適，深受消費者歡迎。與竹炭纖維類似，石墨烯/纖維素纖維同樣具備更加優(yōu)異的抗菌性等優(yōu)點。

遲淑麗團隊[3]將不同比例的石墨烯加入纖維素紡絲液制備復合纖維，纖維導電性與石墨烯含量呈正相關關系。

官杰等[4]對摻雜不同石墨烯含量的纖維素纖維的抑菌性進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯含量的增加，纖維的抑菌性逐步增加，含量達到0.285%時，抑菌性已經(jīng)達到國標要求的標準。同時，纖維經(jīng)過洗滌后，抑菌效果未降低，具有良好的抑菌耐久性。

2 石墨烯改性織物的制備及性能

石墨烯對織物的改性主要通過融合、接枝、浸潤、沉積和涂覆的方式來完成，通過改性，賦予紡織品抗菌、防臭、防紫外線和導電等性能。石墨烯獨特的結(jié)構賦予其優(yōu)異的導電性能，目前在智能穿戴設備上研究較多。

2.1 石墨烯改性纖維素類織物

纖維素織物是以纖維素紗線織成的織物，其具有柔軟舒適、吸濕透氣性好的優(yōu)點，但未經(jīng)抗菌處理的棉織物，其不具備抗菌性。

官杰等[4]對石墨烯含量為0.285%～2%的粘膠纖維制作的織物進行抑菌性能研究。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的加入大大提高了織物的抑菌性能，并隨著石墨烯含量的增加，抑菌性能不斷增強，經(jīng)過多次洗滌，抑菌效果并無較大波動。

Zhao等[5]通過輻射交聯(lián)技術、化學交聯(lián)技術和直接吸附3種方法對棉織物進行改性，通過對改性后的織物測試發(fā)現(xiàn)，3種織物的抗菌率均在98%以上，并且經(jīng)過100次洗滌后，抗菌率仍然高于90%。

杜敏芝[6]通過溶液原位聚合法制備了二氧化錳/還原氧化石墨烯碳化棉織物，經(jīng)過測試，該材料具備優(yōu)良的電化學、電熱轉(zhuǎn)化和傳感特性，可以用于超級電容器、鋰電池及智能保暖服飾產(chǎn)品的開發(fā)和應用。

2.2 石墨烯改性聚酯纖維織物

聚酯織物以具有較高的強度與彈性恢復力，耐化學性好的優(yōu)點，但其吸濕性差，導電性差，容易起靜電。通過石墨烯對其進行表面處理，即可賦予其優(yōu)異的導電性能。

Molina[7]通過石墨烯溶液浸泡滌綸織物的方式對滌綸織物進行改性，通過測試，浸泡后的滌綸織物導電性能得到很大提升。

Jin等[8]通過原位生長技術，在石墨烯/聚酯復合織物表面沉積三氧化鎢，其優(yōu)異的表面電化學性能及層狀多孔結(jié)構賦予織物優(yōu)良的電導率、電子擴散效率和高能量密度性能，未來可用于高能量密度儲能材料。

2.3 石墨烯改性聚酰胺織物

聚酰胺織物具有優(yōu)異的耐磨性，較好的吸濕性，良好的彈性及彈性回復性，被廣泛地用于運動服裝。通過石墨烯對其進行處理，在智能紡織品領域得到廣泛應用。

Francesca等[9]以石墨烯摻雜的聚乳酸為溶液，通過靜電紡絲工藝，將其噴至聚酰胺織物上，該織物經(jīng)過測量，具備良好的電導性，可以用于智能穿戴、電子健康監(jiān)控織物。

3 結(jié)論

石墨烯材料因其優(yōu)異的性能而具有廣泛的應用價值，其在紡織領域擁有極大的發(fā)展。但我國對于石墨烯的應用仍停留在研發(fā)階段，并且制作工藝成熟度不高，均勻穩(wěn)定性也不高。隨著人們對石墨烯材料的不斷研究發(fā)展，其在紡織領域應用將更加廣泛。