石墨烯改性纖維在水刺非織造布的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢

郭 奇，郭守才，蘇懷平，艾現(xiàn)國，田明偉

(1.山東盛和紡織股份有限公司，山東 臨沂 276200；2.青島大學(xué)，山東 青島 266071)

石墨烯是僅有一層碳原子厚度的片狀納米材料[1]， 是目前世界上最薄的材料，其獨(dú)特的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能。氧化石墨烯是天然石墨通過氧化反應(yīng)，再經(jīng)超聲分散形成的，其微觀結(jié)構(gòu)與石墨烯相似(如圖1所示)，但表面富含有羥基、 羧基等極性基團(tuán)，這些極性基團(tuán)對氧原子、 氧自由基吸附能力很強(qiáng)，因此氧化石墨烯可以微生物對發(fā)生作用，通過包裹、纏繞或片層的邊緣切割等使細(xì)菌失活，從而表現(xiàn)優(yōu)異的抗菌性[2，3]。

圖1 氧化石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖[1]

石墨烯改性纖維一般是指將一定量的石墨烯或氧化石墨烯與紡絲液共混紡絲或?qū)⑵渫扛苍诶w維表面形成的一種新型改性纖維[4]。石墨烯改性纖維除了具有基體材料的特性外，還具有石墨烯或氧化石墨烯的遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能、防紫外線性、高吸附性、抗菌抑菌性和抗靜電性等優(yōu)異功能。

水刺非織造材料是利用高速水針的穿透力對纖維進(jìn)行取向、相互纏結(jié)和黏連，因此具有強(qiáng)力高、吸濕透氣性好、手感柔軟、無化學(xué)粘合劑等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療衛(wèi)生方面，如手術(shù)衣、紗布、防護(hù)服、尿片、濕面巾、一次性衛(wèi)生用布等應(yīng)用特別廣泛。受新冠疫情的影響，防護(hù)用品需求快速增長，醫(yī)用非織造材料的創(chuàng)新至關(guān)重要。因此將石墨烯改性纖維應(yīng)用于水刺非織造材料的研發(fā)，使其具有抗菌抑菌、遠(yuǎn)紅外發(fā)射和抗靜電性等功能，對新冠疫情防控具有積極意義。

1 石墨烯改性纖維

1.1 石墨烯改性粘膠纖維

粘膠纖維是一種再生纖維素纖維，具有吸濕性好、光滑涼爽、抗靜電、防紫外線、染色牢度較好、色彩絢麗等優(yōu)點(diǎn)。李昌壘等人[5]利用濕法紡絲工藝制備了石墨烯含量不同的再生纖維素纖維，并對該纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯再生纖維素復(fù)合纖維的形態(tài)與常規(guī)粘膠纖維形態(tài)相似，橫截面呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)，縱向有溝槽，石墨烯在纖維中分散較均勻；當(dāng)石墨烯含量達(dá)到3%以上時(shí)，石墨烯再生纖維素復(fù)合纖維的UPF值經(jīng)達(dá)到50+，且T(UVA)小于5%，滿足GB/T18830-2002中的“防紫外線產(chǎn)品”要求；熱重分析發(fā)現(xiàn)，普通纖維素纖維的最大失重速率約在327℃，而復(fù)合纖維約在346℃，說明復(fù)合纖維的熱分解溫度升高，石墨烯復(fù)合纖維具有更好的熱穩(wěn)定性。同時(shí)指出，石墨烯再生纖維素復(fù)合纖維可紡性好，適用不同類型產(chǎn)品，市場前景廣闊。

1.2 石墨烯改性錦綸

錦綸是常用服裝面料之一，其耐磨性好、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性較好。王雙成等人[6]以石墨烯作為微納米填充材料與聚酰胺-6共混，通過混料機(jī)預(yù)混合和雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出造粒制得石墨烯改性聚酰胺功能母粒。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯均勻分布在聚酰胺-6中，石墨烯改性聚酰胺功能母粒的含水率、相對粘度、熔融指數(shù)等均達(dá)到紡絲要求，指出石墨烯改性聚酰胺功能母粒紡制纖維具有抗紫外線、遠(yuǎn)紅外和抗菌抑菌等功能。孫凱凱等人[7]將石墨烯作為耐日曬老化功能材料與水溶性聚氨酯共混得到功能性涂層助劑，并將其涂覆于錦綸長絲表面，測試發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室紫外燈模擬輻照下，功能助劑改性后的錦綸長絲的強(qiáng)力損失率低于50%，較常規(guī)錦綸長絲改善明顯，且具有較好的導(dǎo)電性。

1.3 石墨烯改性滌綸

滌綸合成工藝簡單，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、挺括、易洗快干等優(yōu)點(diǎn)，在紡織服裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。王雙成等人[7]將生物質(zhì)石墨烯作為功能材料與分散劑及聚酯粉體通過熔融共混的方式制備母粒，再經(jīng)過熔融紡絲工藝制備出石墨烯改性滌綸短纖維。研究發(fā)現(xiàn)，該纖維除具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、膨松性高、保暖性強(qiáng)、手感柔軟滑爽、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)外，還具有抗菌抑菌、抗靜電、遠(yuǎn)紅外等功能，產(chǎn)品附加值高，市場前景好。

1.4 石墨烯改性腈綸

腈綸是一種理想的代替羊毛的合成纖維，其保暖性、彈性、蓬松性較好。施其權(quán)等人[8]將氧化石墨烯添加到溶劑N，N-二甲基乙酰胺中制備了不同氧化石墨烯含量的紡絲液，利用濕法紡絲技術(shù)制備了聚丙烯腈/氧化石墨烯纖維，研究發(fā)現(xiàn)：制備的聚丙烯腈/氧化石墨烯纖維平均拉伸斷裂強(qiáng)度大于2.0 cN/dtex，可滿足紡織工藝要求，同時(shí)，與純腈綸織物相比，聚丙烯腈/氧化石墨烯纖維織物抗紫外性能達(dá)到50+級別，對紫外線屏蔽效果較好，因此其在功能材料、服裝領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

1.5 石墨烯改性聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇(PVA)成膜性和成纖性較好，常規(guī)的PVA纖維是聚乙烯醇縮甲醛纖維(維尼綸)。維尼綸曾大量應(yīng)用于服裝行業(yè)，但其存在易褶皺、不易染色等缺點(diǎn)而逐漸被其他合成纖維所代替。王雪新等人[9]采用凝膠紡絲制備了氧化石墨烯改性高強(qiáng)聚乙烯醇纖維，研究了氧化石墨烯的含量及紡絲工藝對氧化石墨烯改性高強(qiáng)聚乙烯醇纖維性能的影響。發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯PVA溶液分散性好，當(dāng)噴頭負(fù)拉伸為0.2時(shí)，初生纖維拉伸性能最好；當(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，氧化石墨烯改性高強(qiáng)聚乙烯醇纖維具有最好的拉伸性能，其最大拉伸倍數(shù)、強(qiáng)度和模量分別為41倍、15.6 cN/dtex和185 cN/dtex，比純聚乙烯醇纖維提高了36.7%、16.4%和79.6%。

2 石墨烯改性纖維在水刺非織造布的應(yīng)用

現(xiàn)階段，石墨烯改性纖維在水刺非織造布的應(yīng)用研究較少，主要集中在純石墨烯改性纖維水刺非織造布和石墨烯改性纖維/其他纖維混合水刺非織造布。

2.1 純石墨烯改性纖維水刺非織造布

純石墨烯改性纖維水刺非織造布為黑色，具有良好的力學(xué)性能及抗菌抑菌性、遠(yuǎn)紅外、抗靜電等功能。韓素青等人[10]將石墨烯添加到粘膠纖維、莫代爾纖維、聚乳酸纖維中，研發(fā)了石墨烯改性粘膠纖維、石墨烯改性莫代爾纖維及石墨烯改性聚乳酸纖維，進(jìn)而制備了石墨烯改性纖維水刺非織造布，并對水刺非織造布的斷裂強(qiáng)力、透氣性、負(fù)離子性、抑菌性和遠(yuǎn)紅外等指標(biāo)進(jìn)行了測試，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯改性聚乳酸纖維水刺非織造布的強(qiáng)力最高，各水刺非織造布的負(fù)離子發(fā)生量> 550個(gè)/cm3，符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，均具有良好的抗菌性，各水刺非織造布的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率均大于0.88。任強(qiáng)，田慧[11]將石墨烯材料粘膠纖維作為原料，通過優(yōu)化梳理水刺工藝，開發(fā)了石墨烯材料粘膠纖維水刺非織造布。研究發(fā)現(xiàn)，該水刺非織造布對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率均≥98%，抗菌性好，氨吸附率為43.6%，吸附效果好，并提出可將透射電子顯微鏡-能譜儀聯(lián)用法用于石墨烯材料粘膠纖維的鑒定。

2.2 石墨烯改性纖維/其他纖維混合水刺非織造布

由于石墨烯改性纖維價(jià)格較高，石墨烯改性纖維/其他纖維混合水刺非織造布既可降低生產(chǎn)成本，又能使產(chǎn)品具有石墨烯改性纖維的優(yōu)點(diǎn)，市場前景較好。王華，王華[12]為改善文胸模杯的舒適性及功能性，開發(fā)了一種文胸模杯復(fù)合織物，其使用聚丙烯酸酯類黏合劑在3D棉表層黏合一層石墨烯纖維素纖維/相變纖維水刺非織造材料，石墨烯纖維素纖維/相變纖維的混合比分別為0∶100、20∶80、50∶50、80∶20、100∶0。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合織物具有抗靜電性，其舒適性、保型性、防紫外線性能均有所提高，當(dāng)其中的石墨烯纖維素纖維含量為50%～80%、克質(zhì)量為60～80 g/m2時(shí)，具有遠(yuǎn)紅外功能。

3 石墨烯改性纖維在水刺非織造布的發(fā)展趨勢

3.1 拓展應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)階段，石墨烯改性纖維水刺非織造布在醫(yī)療衛(wèi)生方面有一定程度的應(yīng)用，開發(fā)了面膜、醫(yī)用敷料等產(chǎn)品，但鮮有在家庭裝飾方面，如貼墻布、臺(tái)布、床單、床罩等；服裝方面，如粘合襯、絮片、定型棉、合成革底布方面的應(yīng)用。石墨烯改性纖維是石墨烯材料和基體材料的功能復(fù)合型纖維，除具有基體材料的常規(guī)物化性能之外，還具有防紫外線、高吸附、抗菌抑菌、遠(yuǎn)紅外和抗靜電性等多種功能，因此不斷開發(fā)石墨烯改性纖維水刺非織造布新產(chǎn)品，滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求，不斷拓展石墨烯改性纖維水刺非織造布的應(yīng)用領(lǐng)域，是其今后發(fā)展的重要趨勢之一。

3.2 降低生產(chǎn)成本

石墨烯改性纖維價(jià)格較高，是常規(guī)纖維價(jià)格的幾倍甚至十幾倍，雖可通過與其他纖維混合以達(dá)到降低成本的目的，但在保證質(zhì)量與功能的前提下，成本幅度有限，導(dǎo)致廠家及客戶使用意愿低。因此，通過優(yōu)化水刺工藝，如多層不同纖網(wǎng)復(fù)合；研發(fā)織物新結(jié)構(gòu)，如局部設(shè)置石墨烯改性纖維材料；開發(fā)多層復(fù)合材料，如復(fù)合單層或多層石墨烯改性纖維材料等方式降低石墨烯改性纖維水刺非織造布的生產(chǎn)成本是推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展的重要方式。

4 結(jié)語

石墨烯材料作為現(xiàn)階段最具發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现?，可明顯提高紡織品的附加值，其中石墨烯改性纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，其具有常規(guī)紡織纖維所不具備的復(fù)合功能，在紗線、面料及服裝應(yīng)用較多，但受成本、市場認(rèn)可度等因素制約，石墨烯改性纖維在水刺非織造布領(lǐng)域研發(fā)和應(yīng)用較少。拓展石墨烯改性纖維水刺非織造布的應(yīng)用領(lǐng)域和降低生產(chǎn)成本是提高其市場占有率，增加經(jīng)濟(jì)效益的有效方式，也是其今后的重要發(fā)展趨勢。