石墨烯材料在紡織纖維及織物上的應用

張蕓娟，張弘康，周兆懿

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海200040）

0 引言

近年來，隨著科學技術(shù)的進步，人們對紡織品的需求不僅僅滿足于衣著服飾的基礎應用，對紡織品功能性的提升也提出了更高的要求。而隨著納米材料的興起，石墨烯材料因其優(yōu)異的導電、抗紫外、阻燃、疏水、保健[1]等性能受到人們的廣泛關注。作為常見碳元素的同素異形體，石墨烯由Novoselov[2]和Geim[3]在2004 年分離出來，它是一種采用sp2雜化方式的新型碳納米材料，結(jié)構(gòu)上為單層石墨的一個層片，可以以二維的單層片狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在，這種特殊的納米層疊結(jié)構(gòu)使得石墨烯產(chǎn)生了許多優(yōu)異的電子、物理與化學性能。比如，石墨烯材料的比表面積較大，可達2 630 g/m2[4]；電子遷移率高，可達到20 000 cm2/（V·s）；熱導率高，高達5 000 W/（m·K）；透明度高，彈性模量大，化學穩(wěn)定性比較好。石墨烯正是基于上述這些優(yōu)異的性能，使其具有較高的潛在應用推廣價值，并成為新型材料的重要研究領域，未來將被應用于半導體、航空航天、能源存儲、生物醫(yī)藥及日常生活紡織品等相關領域。

1 石墨烯材料改性紡織纖維的制備方法及性能

由于石墨烯所具有的優(yōu)異特性，在紡織行業(yè)中，越來越多的紡織學者將目光投向石墨烯及其氧化物的研究上。石墨烯的使用不僅可以賦予不同種類纖維或織物優(yōu)異的導電、耐磨、抗菌、防紫外線等性能，同時其本身無毒無害、綠色環(huán)保的特性，非常適應于我國環(huán)保型社會發(fā)展的趨勢，使得多功能化、高附加值的織物層出不窮，有力推動了紡織服裝行業(yè)朝著健康、環(huán)保節(jié)能的方向不斷發(fā)展。

1.1 石墨烯改性蛋白質(zhì)纖維

蛋白質(zhì)纖維因具有手感柔滑、來源便利等特點，受到人們廣泛的關注。研究人員將石墨烯應用于蛋白質(zhì)纖維的改性整理中，不僅提升了纖維摩擦磨損的基礎性能，而且在抗菌防水、紫外線防護等功能性方面也有著不俗的表現(xiàn)[5]。楊明[6]通過制備石墨烯懸浮液對羊毛纖維進行處理，并加入硅烷偶聯(lián)劑提高石墨烯的附著能力，試驗發(fā)現(xiàn)石墨烯對于不同方式前處理過的羊毛纖維，在抗拉伸、耐摩擦、疏水和抗靜電性能等方面都有所提升。王曙東[7]使用浸漬法將氧化石墨烯（GO）整理到蠶絲纖維的表面，得到抗紫外線性能顯著提高的改性蠶絲纖維。采用2 g/L GO 整理的蠶絲織物的UPF 值高達230，明顯具有優(yōu)異的抗紫外線性能。

1.2 石墨烯改性纖維素纖維

吸濕透氣性好、綠色舒適的纖維素纖維是最深受消費者歡迎的紡織品原料之一。石墨烯改性的纖維素纖維同樣被賦予很多特殊的性能。封嚴[8]采用自組裝和熱還原法制備石墨烯改性落棉纖維，且當GO 質(zhì)量濃度為0.5 mg/mL、熱還原溫度為150 ℃時，與原落棉纖維25.64 g/g 的飽和吸油倍率相比，改性后落棉纖維的飽和吸油倍率可達42.67 g/g，可見石墨烯的加入明顯改善了落棉纖維的飽和吸油倍率，提高了纖維的親油疏水性能。俞莉玉[9]對棉纖維紗布進行前處理，并通過與石墨烯分散液超聲震蕩制得石墨烯/羧甲基棉纖維復合水凝膠，發(fā)現(xiàn)紗布的吸水與吸附性能、力學性能隨著石墨烯濃度的提升逐漸增加，并達到最高點。

1.3 石墨烯改性化學纖維

合成纖維以其優(yōu)異的絕緣性、耐磨性、化學穩(wěn)定性及快干性在紡織領域得到廣泛的應用[10]，然而較差的吸濕性和抗靜電性也限制了其在一些特殊領域的服用性能。李建武[11]以石墨烯粉體與聚酯粉體為原料，先采用共混改性的方法制備石墨烯母粒，再以石墨烯母粒和聚酯切片共混紡絲制備石墨烯改性聚酯纖維，當石墨烯粉體質(zhì)量分數(shù)為1.0%、纖維經(jīng)3.8 倍牽伸時，所制得的石墨烯改性聚酯纖維的斷裂強度為2.8 cN/dtex，體積比電阻為3.29×107Ω·cm，顯著提升了聚酯纖維的力學和抗靜電性能。張運海等[12]選用改性劑BAC 分子制備了改性氧化石墨烯，并經(jīng)熔融紡絲得到石墨烯-聚酰胺6復合纖維，試驗發(fā)現(xiàn)少量改性GO的添加，不但可以提升石墨烯的分散性和復合纖維的力學、耐熱性能，還能顯著提高纖維的抗菌性能（當其質(zhì)量分數(shù)為0.9%時，抗菌率可達94%）及抗紫外線性能（UPF值可達450）。高普等[13]利用石墨烯層層組裝，所制得的石墨烯改性錦綸長絲的電導率大于1×10-4S/cm，具有良好的導電性能。

2 石墨烯改性織物的制備及應用

鑒于紡織織物具有輕便柔軟的特性，石墨烯不但能對紡織纖維進行改性，而且可賦予傳統(tǒng)紡織品更多的功能性。石墨烯對織物的改性主要通過涂覆、浸軋、層層自組裝和化學沉積等方式來完成。通過改性，使紡織品具有電磁屏蔽、抗菌、導電和抗紫外等多種功能性。

2.1 石墨烯電熱保暖織物

陳志華[14]以棉織物為基材，采用噴涂法在織物表面接枝石墨烯材料，制備改性柔性電熱石墨烯/聚氨酯電熱織物，且試驗發(fā)現(xiàn)，在8 V 外電壓下，穩(wěn)態(tài)溫度最高可達118 ℃，溫升速率最高可達8.37 K/s，遠高于同期的其他研究，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性和可重復性，所制電熱織物在熱療、保暖服飾等領域具有很好的應用前景。

2.2 石墨烯電磁屏蔽織物

近年來，隨著電子設備的大量普及，因電磁波會對人體的中樞神經(jīng)等造成損傷，使得電磁輻射成為第四大公共污染源[15]。傳統(tǒng)的電磁屏蔽設備雖具有良好的電耗、磁耗性能，但由于比較笨重，不利于日常生活中的攜帶及使用。隨著人們發(fā)現(xiàn)石墨烯具有優(yōu)異的高導電性，研究人員通過對織物改性可得到輕質(zhì)柔性的電磁屏蔽材料，具有很好的研究價值和前景。鄒梨花等[16]采用層層組裝方法，在棉織物表面引入GO/聚苯胺電磁波吸收膜，在組裝四層功能膜涂層后，棉織物的電磁屏蔽效能達到19.91 dB，可屏蔽98.98%的電磁波，且具有較好的耐久性。鄭云龍等[15]在棉滌織物和純棉織物上引入GO/聚氨酯整理劑，所制得的滌棉基石墨烯織物的電磁屏蔽效能可達25.3 dB，達到商用級（SET值＞20 dB）的應用要求。

2.3 石墨烯抗靜電織物

姚馨馨等[17]采用毛滌混紡紗線作為面紗，選用石墨烯改性錦綸長絲、普通錦綸長絲以及普通滌綸長絲交替制備毛呢針織物。研究表明，當石墨烯改性錦綸在織物表面覆蓋面較大時，由于石墨烯較高的電導率，可迅速泄露表面產(chǎn)生的凈電荷，改善毛呢織物的抗靜電性能。陳陽等[18]以GO 為原料，對棉織物進行負載，并通過檸檬酸鈉還原后得到石墨烯改性棉織物，優(yōu)化工藝后獲得的石墨烯負載棉織物的電荷面密度為0.028 μC/m2，且水洗40 次后電荷面密度為0.195 μC/m2，滿足靜電面料帶電電荷面密度小于7 μC/m2的標準，具有較好的耐水洗性能。

2.4 石墨烯導電織物

因石墨烯同時還具有優(yōu)良的導電性能，從而導致對制備性能優(yōu)異的功能型產(chǎn)品引起了眾多研究者的關注。曹機良[19]采用原位還原法將GO用于蠶絲織物的導電整理：將蠶絲浸漬在GO 質(zhì)量濃度為15 g/L、pH 值為5、還原劑質(zhì)量濃度為5 g/L 的溶液中，超聲30～60 min 進行染色和石墨烯的吸附，其表面電阻降低至1.372 kΩ/cm，且經(jīng)20 次水洗或機械摩擦后依然可保持較好的導電性能。黃海濤[20]以棉織物和通過超聲氧化剝離法制得的GO為原材料，采用浸軋-還原法制備石墨烯改性導電棉織物，試驗表明，隨著浸軋-還原次數(shù)的增加，還原氧化石墨烯在織物表面的沉積量增多，并形成了穩(wěn)定的導電層，使改性棉織物具有優(yōu)良的導電性，有望在柔性電極及智能服飾領域獲得一定的應用。

2.5 石墨烯抗紫外織物

石墨烯作為抗紫外線的處理劑，可以吸收或反射一定波長的紫外線，從而有效改善傳統(tǒng)織物因紫外輻射而導致的老化及機械損傷。方婧等[21]利用蠶絲纖維上的還原基團，在織物上將GO 原位還原成還原氧化石墨烯，改性后織物的UPF值最高可達34.14，為普通絲織物的3.5 倍，達到了很好的紫外防護級別，有助于改善蠶絲織物在服用過程中出現(xiàn)的光致老化現(xiàn)象。于蓉蓉等[22]將納米石墨烯微片分散在水性聚氨酯中形成連續(xù)相作為紫外屏蔽劑，利用浸軋法涂覆到棉織物表面，當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，織物的UPF 值可達356.74，遠超國家標準要求的紫外線防護紡織品的防紫外要求。

2.6 石墨烯抗菌織物

石墨烯及氧化石墨烯材料都具有較好的抗菌性，且與人體接觸無危害，綠色友好，是制備高附加值抗菌織物材料的理想原料之一。在制備石墨烯改性毛呢織物時，姚馨馨等[17]還發(fā)現(xiàn)，隨著石墨烯改性錦綸質(zhì)量分數(shù)的增加，毛呢織物的抑菌率提升，且當改性纖維的質(zhì)量分數(shù)為18%時，織物可獲得較好的持久抗菌性能。張亞芳[23]將石墨烯均勻分散在聚酰胺切片中，并采用預制母粒工藝得到石墨烯改性聚酰胺短纖，并與一定量的聚酯纖維混紡成針織物進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯改性錦綸的增加，織物的抑菌活性增強，當改性錦綸質(zhì)量分數(shù)達到57%時，混紡織物抑菌活性穩(wěn)定，其抗菌率可達99%，且經(jīng)過50 次洗滌后的抑菌率仍保持在97%，具有良好的抗菌耐久性。

2.7 石墨烯疏水織物

近年來，由于特殊潤濕表面在超疏水、自清潔等領域被廣泛應用而成為了研究的熱點，而構(gòu)造超疏水表面的關鍵要素是粗糙的表面和較低的表面能。微納米結(jié)構(gòu)的石墨烯材料具有優(yōu)異的高比表面積，當和具有低表面能的物質(zhì)復合并對織物改性時，可制備具有疏水性的功能織物。劉亞東[24]采用浸軋法將CuS/GO和聚二甲基硅氧烷整理到棉織物表面，結(jié)果織物的接觸角可達158.4°，具有較好的超疏水性。

3 結(jié)論

石墨烯材料具有優(yōu)異的理化性能，在越來越多的領域得到廣泛的應用。隨著研究的不斷深入，將石墨烯材料引入纖維紡織領域，通過對紡織纖維或織物的改性，賦予紡織品在電磁屏蔽、抗靜電、導電、抗紫外、抗菌等不同領域的功能化應用[25]。雖然，目前石墨烯的功能化研究尚以實驗室研究為主，但隨著人們對石墨烯及其衍生物的不斷探索研究，石墨烯改性紡織品在專業(yè)性和產(chǎn)業(yè)化中會實現(xiàn)更多的可能，具有更廣泛的應用前景。