石墨烯在滌棉面料中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用分析*

蘇 昊

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213000）

目前阻燃紡織品開(kāi)發(fā)技術(shù)包括生產(chǎn)具有阻燃性的纖維和在紡絲原液中加入阻燃整理劑，國(guó)內(nèi)外使用后一種加工方法制備阻燃紡織品，將碳納米管、石墨烯等納米材料加入纖維內(nèi)部，具有改善紡織品的阻燃性能等作用，因此石墨烯用于紡織品阻燃具有廣闊前景。紡織品面料產(chǎn)品創(chuàng)新方向是高性能材料，石墨烯滌綸纖維就是研發(fā)高性能材料中的一種。設(shè)計(jì)石墨烯服裝面料具有遠(yuǎn)紅外功能，可吸收人體皮膚散發(fā)的濕氣，具有較低的表面電阻率。

1 石墨烯在織物領(lǐng)域應(yīng)用研究

由于石墨烯在導(dǎo)電導(dǎo)熱等方面表現(xiàn)出色，迅速得到廣大學(xué)者的青睞，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料制備，傳感器等領(lǐng)域[1]。由于中間分子作用力較強(qiáng)，發(fā)展具有局限性。石墨烯衍生物材料具有諸多優(yōu)良性能，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，為紡織行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展起到推動(dòng)作用。石墨烯及衍生物用于新型纖維制備，使用石墨烯新型纖維目前取得重要突破。石墨烯纖維是以石墨烯為單元制備的纖維，由于石墨烯為二維片狀結(jié)構(gòu)，無(wú)法按同取向組成連續(xù)長(zhǎng)條，難以溶于有機(jī)溶劑。2011年浙大研究報(bào)道使用氧化石墨烯納米微片可在水溶液中形成液晶相，通過(guò)化學(xué)還原方法制備石墨烯纖維。此后制備技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量不斷增加，石墨烯應(yīng)用范圍不斷拓寬。關(guān)于制備石墨烯纖維的方法不斷得到突破。研究提出干法紡絲制備石墨烯纖維方法，可用于織物紡織。

雖然石墨烯纖維制備方法不斷創(chuàng)新，但目前石墨烯纖維局限于實(shí)驗(yàn)室制備，無(wú)法批量投入市場(chǎng)。石墨烯復(fù)合纖維是不同于石墨烯纖維的熱門(mén)材料，可在原有纖維基礎(chǔ)上進(jìn)行改性整理。研究使用浸泡還原方法，使用石墨烯對(duì)羊毛等纖維進(jìn)行改性整理，獲得氧化石墨烯以牛血清蛋白等作為粘附劑對(duì)改性纖維進(jìn)行整理可提高耐久性。普通紡織品能滿足人們御寒保暖等需求，帶有特定功能紡織品的出現(xiàn)能滿足人們新的需求。石墨烯功能紡織品是以石墨烯為改性材料準(zhǔn)備的紡織品，如導(dǎo)電導(dǎo)熱紡織品等[2]。由于石墨烯具有諸多優(yōu)良性能，可根據(jù)整理工藝不同賦予紡織品不同功能。

2 石墨烯紡織品性能分析

目前利用石墨烯研制功能性面料成為研究熱點(diǎn)，但市面上石墨烯紡織品較少。原因是石墨烯材料價(jià)格昂貴，生產(chǎn)方法復(fù)雜；企業(yè)認(rèn)為石墨烯過(guò)于高端，通過(guò)各種方法與各類織物結(jié)合比傳統(tǒng)布料更加舒適。石墨烯功能面料在抗菌、防紫外線等方面應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，石墨烯符合綠色發(fā)展理念，可以拓展石墨烯功能面料在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用，很多石墨烯紡織品逐漸被人們接受，石墨烯功能面料引領(lǐng)高端紡織材料發(fā)展。

石墨烯在紡織品中具有良好抗菌性、保暖性、抗靜電性等性能。隨著人們生活水平的提高，抗菌類紡織品滿足人們隔絕細(xì)菌侵?jǐn)_的需求。傳統(tǒng)紡織品在穿著中會(huì)因汗?jié)n等環(huán)境滋生微生物，紡織領(lǐng)域中抗菌材料非常重要。當(dāng)前市面上無(wú)機(jī)系抗菌劑因無(wú)毒無(wú)污染等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于抗菌面料中。石墨烯衍生物抗菌性優(yōu)異，氧化石墨烯是石墨烯衍生物中研究應(yīng)用最多的抗菌抗病毒材料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[3]。石墨烯具有優(yōu)異的抗菌性能，可與皮膚直接接觸。對(duì)石墨烯含量與抑菌性能關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，抑菌性能隨著石墨烯含量增加增強(qiáng)。目前石墨烯抑菌性能可用于內(nèi)衣褲等與人體密切接觸的紡織產(chǎn)品，石墨烯應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大。石墨烯纖維相比其他抑菌纖維具有很大優(yōu)勢(shì)，隨著石墨烯抗菌性研究，及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立，石墨烯抗菌在生活中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

石墨烯面料保暖效果利用遠(yuǎn)紅外升溫，紅外線是波長(zhǎng)0.76-1000μm的電磁波，波長(zhǎng)2.5-1000μm的電磁波為遠(yuǎn)紅外線[4]。遠(yuǎn)紅外線由于波長(zhǎng)較大，使用有較少燙傷的危害。紅外線具有改善微循環(huán)系統(tǒng)等作用，石墨烯能吸收輻射40%的遠(yuǎn)紅外線，面料可迅速升溫。在低溫下可發(fā)射遠(yuǎn)紅外波。研究人體微循環(huán)測(cè)試表明，使用石墨烯面料受測(cè)人體PU值提高，測(cè)得人體皮膚表面溫度提高。石墨烯保暖性能在保暖內(nèi)衣上廣泛應(yīng)用，石墨烯材料主動(dòng)產(chǎn)熱式保暖效果明顯，應(yīng)用于女性保暖內(nèi)衣具有健康理療功效。石墨烯具有電磁屏蔽性、阻燃性等特性。通信技術(shù)迅速發(fā)展帶來(lái)磁污染，強(qiáng)電輻射影響人體健康，氧化石墨烯與輕質(zhì)棉織物結(jié)合植物屏蔽性能提高，石墨烯織物可滿足商用級(jí)應(yīng)用。

3 石墨烯改性面料的研發(fā)

石墨烯具有諸多優(yōu)異性能，將石墨烯用于紡織行業(yè)具有較大開(kāi)發(fā)價(jià)值。石墨烯在紡織領(lǐng)域應(yīng)用方式包括改性纖維與功能性整理。石墨烯改性纖維開(kāi)發(fā)紡織面料要把握其特性，保持紡織品各項(xiàng)基本性能，使其具有幾種功能特質(zhì)，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品要具備石墨烯獨(dú)特的功能性，結(jié)合企業(yè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品類型做好產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。石墨烯改性面料研發(fā)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素分析，機(jī)織印染服裝面料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，家紡面料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等。

采用石墨烯改性聚酯短纖維單纖維密度為1.3dtex，石墨烯在纖維內(nèi)占比1%。石墨烯改性面料產(chǎn)品設(shè)計(jì)受到纖維顏色與舒適性影響。石墨烯改性纖維呈深灰色，無(wú)法處理顏色限制了面料呈現(xiàn)效果。石墨烯改性合成纖維化纖感強(qiáng)，考慮其功能實(shí)現(xiàn)要求盡量貼膚。研發(fā)石墨烯面料以深色為主，將石墨烯本色作為面料點(diǎn)綴色[5]。織物層主要為石墨烯纖維，組織結(jié)構(gòu)以經(jīng)緯紗異面分布組織為主，有利于突破纖維顏色限制，在不影響服用功能下降低成本。通過(guò)測(cè)試分析多種成分配比石墨烯改性混紡紗線，石墨烯含量達(dá)50%具有功能性指標(biāo)，考慮改性纖維含量過(guò)高會(huì)影響舒適性，確定面料中石墨烯改性纖維占比為50-60%。

機(jī)織印染服裝面料應(yīng)用石墨烯改性滌綸開(kāi)發(fā)產(chǎn)品包括緯紗采用石墨烯改性滌綸短纖維混紡氨綸包開(kāi)發(fā)彈力褲面料，與棉纖維混紡紗開(kāi)發(fā)機(jī)織襯衣面料。石墨烯機(jī)織面料開(kāi)發(fā)品種包括采用JC14.8tex經(jīng)紗或采用18.4tes經(jīng)紗，混紡比50/50，經(jīng)密為512根/10cm，幅寬208cm，染色工藝為地面雙染。石墨烯改性滌綸短纖與精梳棉混紡緯紗，緯紗細(xì)度1408tex，緯密為315根/10cm，染色工藝為滌棉雙染。石墨烯改性牛仔面料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用滌綸短纖維與棉纖維混紡緯紗，紗線細(xì)度16.4tex，二上一下右斜紋，經(jīng)密為472根/10cm，幅寬為150cm。牛仔布斜紋組織結(jié)構(gòu)使織物表面為經(jīng)支持面，保持經(jīng)典牛仔面料風(fēng)格的同時(shí)兼具石墨烯功能。

4 石墨烯在滌棉織物中的實(shí)驗(yàn)研究

滌棉織物兼具棉組分良好柔軟性和滌綸組分具備的良好機(jī)械性能，大量用于產(chǎn)業(yè)用等方面。滌棉織物為易燃紡織品，使得滌綸組分受熱熔融生成熔滴無(wú)法正常滴落帶走熱量，對(duì)其進(jìn)行阻燃整理需要兼顧兩種組分的區(qū)別。目前許多學(xué)者使用多種方法提升滌棉織物的阻燃性能。有學(xué)者用光接枝技術(shù)把AM接枝到滌棉織物，改性滌棉極限氧指數(shù)增大，改善織物阻燃性能。氧化石墨烯在許多方面與石墨烯具有相近性，將其用于紡織品阻燃整理中，可組織氧氣與物體的深層接觸。與阻燃劑使用可起到協(xié)同作用，氧化石墨烯表面含有大量官能團(tuán)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)紡織品的改性。

近年來(lái)智能紡織品得到快速發(fā)展，不斷滲透到健康汽車(chē)等領(lǐng)域，導(dǎo)電性能是智能紡織品的基本要素，針對(duì)導(dǎo)電紡織品的大量需求，許多學(xué)者作出相關(guān)研究取得系列成果。導(dǎo)電紡織品使用中會(huì)因電壓使用不當(dāng)?shù)纫蛩禺a(chǎn)生熱量引發(fā)火災(zāi)，人們對(duì)用于消防服等方面的紡織品進(jìn)行阻燃整理，應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品的導(dǎo)電紡織品具有易燃性。石墨烯在賦予紡織品良好導(dǎo)電性方面得到較多應(yīng)用，具有二維層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱性能優(yōu)異。將其用于紡織品功能整理中，能覆蓋織物，加快熱量散失，建立完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

5 石墨烯在滌棉面料中的應(yīng)用試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用材料織物為加入1%功能化的石墨烯滌綸36.8tex，全棉36.8tex，規(guī)格CVC36.8tex×59tex，織法3/1，染化料為分散紅玉S-5BL100%，分散黑S-3BL100%，活性紅SBE100%。助劑包括雙氧水，雙氧水穩(wěn)定劑，分散螯合劑HF-1，碳酸氫鈉，防沾皂洗劑DL-106。使用儀器包括絲光機(jī)、定型機(jī)，還原皂洗機(jī)，SF600PLUS-CT電腦測(cè)色配色儀，SW-12A耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)，Y571B型摩擦牢度測(cè)試儀。

石墨烯滌棉梭織產(chǎn)品處理工藝流程為燒毛→氧漂→絲光→烘焙→拉幅。石墨烯滌棉染工藝燒毛為兩正一反，燒堿28-30g/L，分散螯合劑HF-12g/L。氧漂燒堿3-4g/L，雙氧水穩(wěn)定劑5-6g/L，分散螯合劑HF-12g/L，定型210℃，幅寬為成品幅寬加5cm。石墨烯滌綸36.8tex。（見(jiàn)表1）

表1 半成品測(cè)試與質(zhì)量判定

打底機(jī)染色顏色為藏藍(lán)，工藝配方為200%分散深藍(lán)HG 4g/L，200%活性黑ED4.5%，分散螯合劑HF-12g/L，工藝條件為烘干溫度80-100℃。烘焙工藝條件為205℃90s，還原皂洗機(jī)氣蒸固處理，工藝配方為碳酸氫鈉30g/L，防染鹽S1g/L，工藝條件為102℃氣蒸70s，皂洗工藝95℃5min。后整理工藝中，拉幅工藝幅寬為成品幅寬，預(yù)縮縮率105℃。石墨烯滌棉紡織物抑菌性能分析檢驗(yàn)依據(jù)為GB/T20944.3-2008。生物質(zhì)石墨烯滌棉紡織物遠(yuǎn)紅外性能檢測(cè)依據(jù)為《紡織品遠(yuǎn)紅外性能檢測(cè)》。（見(jiàn)表2、表3、表4）

表2 打底機(jī)染色后半成品測(cè)試與質(zhì)量判定

表3 石墨烯滌棉紡織物抑菌性能

表4 生物質(zhì)石墨烯滌棉混紡織物遠(yuǎn)紅外性能

6 結(jié)束語(yǔ)

氧化石墨烯在阻燃、導(dǎo)熱等功能紡織品制備中得到大量應(yīng)用。可選用石墨烯不同形式，獲得所需的功能紡織品。石墨烯在防治領(lǐng)域表現(xiàn)巨大的潛力，石墨烯基本功能紡織品逐漸走向人們的生活。本文研究介紹石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，分析石墨烯功能紡織品的性能，總結(jié)石墨烯改性面料的研發(fā)，進(jìn)行石墨烯在滌棉面料中的應(yīng)用試驗(yàn)。研究表明石墨烯滌綸前處理工藝中，半成品測(cè)試數(shù)據(jù)與經(jīng)燒堿處理后無(wú)明顯變化；石墨烯所致面料開(kāi)發(fā)按設(shè)定工藝流程正常運(yùn)行，具有抑菌功能；石墨烯在加入染色前及后處理工序?qū)Π氤善焚|(zhì)量影響不大。