周鐘鳴,黃錦波

(浙江和心控股集團(tuán)有限公司,浙江 嘉興314423)

國內(nèi)外對(duì)石墨烯復(fù)合材料的研究和應(yīng)用已經(jīng)有了一定的成果,國外石墨烯主要應(yīng)用在航空航天、儲(chǔ)能等方面[1]。紡織行業(yè)在技術(shù)發(fā)展上,作為下游產(chǎn)業(yè),隨著人們?nèi)找嬖鲩L的健康消費(fèi)需求,紡織產(chǎn)品尤其是服裝、床上用品等直接和皮膚接觸的物品[2]的健康性和環(huán)保性越來越受到重視,石墨烯優(yōu)異的抗靜電、防紫外線功能和遠(yuǎn)紅外、吸濕性、抗菌性等方面的特性,可以在生物醫(yī)用紡織材料、抗菌醫(yī)用材料、功能服裝家紡等領(lǐng)域作為新材料。我國是紡織大國,同時(shí)石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用難度較小,因此石墨烯復(fù)合材料在紡織行業(yè)具有較大的應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 石墨烯紡織品開發(fā)

石墨烯材料織物是指利用石墨烯材料的特性對(duì)普通紡織品進(jìn)行有效的改性,在保持紡織品原有性能的同時(shí),再擁有石墨烯特殊功能的功能化紡織產(chǎn)品。目前石墨烯紡織品在原料開發(fā)上有原位聚合和物理共混兩種常用的方法。石墨烯纖維原料的開發(fā)與傳統(tǒng)紡絲技術(shù)相結(jié)合,主要有熔融紡絲法、溶液紡絲法、靜電紡絲法等多種方法[4]。

1.1 原位聚合

純石墨烯是一種典型的二維納米粒子,沒有傳統(tǒng)線型高分子那樣的鏈纏結(jié)作用,紡絲存在一定的困難,其應(yīng)用有一定的局限性。石墨烯在聚合物中具有納米級(jí)的分散,為材料科學(xué)開拓了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域,在聚合物基體中添加石墨烯及其衍生物,可以使聚合物的性能獲得極大的提高,并且能使聚合物獲得一些特殊的性能。目前關(guān)于采用石墨烯及功能化石墨烯作為納米填料制備聚合物基復(fù)合材料已經(jīng)有相關(guān)報(bào)道,其聚合物基體主要有：聚乙烯醇、聚乳酸、聚氨酯、聚苯乙烯、聚苯胺、環(huán)氧基樹脂等[5-6]。

1.2 物理共混

物理共混方法是指通過一些技術(shù)方法將石墨烯材料分布于纖維表面,該方法操作較為簡(jiǎn)便,根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。但物理共混各種制備方法之間存在很大的差異,整理效果也會(huì)有較大差異。

直接浸軋法指將纖維原料直接通過石墨烯漿液,該方法對(duì)織物損傷也較小,而且對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求低,操作方法簡(jiǎn)單,常用于大批量的工業(yè)生產(chǎn)。但直接浸軋法石墨烯對(duì)材料附著能力較低,品質(zhì)很難保證,不易在市場(chǎng)推廣。

復(fù)配液整理法是指通過物理或化學(xué)的方法對(duì)紡織品進(jìn)行整理,將石墨烯共混到紡織整理液中,通過整理液對(duì)紡織品處理,使紡織品獲得石墨烯一些相應(yīng)的功能,該方法的關(guān)鍵是如何保證石墨烯和有機(jī)物基體之間的相容性[7]。

交聯(lián)劑改性是通過線型分子間化學(xué)鍵合的方法,使石墨烯材料同線型大分子材料交聯(lián)成網(wǎng)狀物質(zhì),該方法對(duì)紡織品的改性操作簡(jiǎn)單,且石墨烯材料附著強(qiáng)度高適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[8-9]。

紫外光固化法是通過輻射的方法將織物表面固化還原,得到石墨烯改性織物。這種方法無需化學(xué)助劑和還原劑整理,工藝簡(jiǎn)單,高效、低碳、效率高,使用前景較為看好。

隨著石墨烯材料在紡織品應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬,一些石墨烯材料在紡織品中的應(yīng)用方法也不斷涌現(xiàn),層層自組裝法、電泳沉積法、原位化學(xué)聚合法、染色法、CMOS法等也逐漸被報(bào)道。

2 石墨烯紡織品產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

隨著石墨烯研究的發(fā)展,石墨烯材料已經(jīng)成為過去5年世界科技發(fā)展的熱點(diǎn),隨著其性能的深入研究,產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用未來必將是市場(chǎng)熱點(diǎn)。隨著人類日益增長的健康消費(fèi)需求,由石墨烯研發(fā)的越來越多與人類健康息息相關(guān)的功能性紡織品將走進(jìn)百姓生活。

中國是世界紡織大國,年產(chǎn)各種纖維產(chǎn)品近5 000萬t,化纖產(chǎn)量占世界總量的70%,滌綸、錦綸等常規(guī)品種的技術(shù)、規(guī)模都是世界領(lǐng)先,但因普遍存在同質(zhì)化嚴(yán)重、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性過剩等問題,導(dǎo)致近年來行業(yè)效益不高,常規(guī)化纖等傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型已迫在眉睫。當(dāng)前,石墨烯的發(fā)展與應(yīng)用已走進(jìn)蓬勃發(fā)展的時(shí)代,魏橋紡織準(zhǔn)確把握石墨烯復(fù)合纖維的功能特性,有針對(duì)性地應(yīng)用于不同的紡織品類,先后開發(fā)了石墨烯復(fù)合梭織服裝及家紡面料、針織服裝面料、牛仔面料等功能性面料系列產(chǎn)品,拓展了石墨烯復(fù)合材料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,引領(lǐng)國內(nèi)高端紡織新材料發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)。

南通強(qiáng)生石墨烯科技有限公司利用多種化學(xué)反應(yīng)對(duì)石墨烯進(jìn)行共價(jià)鍵功能化,采用常溫常壓工藝在單層石墨烯的制備使其工業(yè)化生產(chǎn),并對(duì)石墨烯復(fù)合功能纖維材料的研究及開發(fā)取得較多的成就,進(jìn)一步降低了石墨烯應(yīng)用成本。

濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司以玉米纖維素作為研究的突破口,成功制備石墨烯材料,該研究成果突破了生物基石墨烯配位組裝析碳、催化熱裂解、精致分散關(guān)鍵技術(shù);并解決了化學(xué)纖維紡絲過程中的團(tuán)聚、品質(zhì)控制等問題,開發(fā)了一系列石墨烯改性纖維高效紡紗、織造與染整技術(shù),建立了石墨烯工業(yè)化應(yīng)用的一整套工藝體系。

我國石墨烯復(fù)合材料在紡織上的應(yīng)用研究處于世界領(lǐng)先地位,當(dāng)前已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品面世,例如石墨烯-錦綸,石墨烯-滌綸,石墨烯-腈綸等復(fù)合纖維用于服裝、家紡、內(nèi)衣等。利用石墨烯復(fù)合纖維具有抗菌、抗紫外、傳導(dǎo)清涼等功能,在床上用品、沙發(fā)、窗簾等產(chǎn)品上有很大的應(yīng)用空間。

3 石墨烯纖維長絲家紡產(chǎn)品性能

3.1 高熱傳導(dǎo)率

石墨烯是已知的最薄、最堅(jiān)硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300 W/(m·K),高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15 000 c m2/(V·s),比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只有約10-6Ω·c m,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低,電子遷移的速度極快,因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。曲麗君等用聚乙烯醇為分散液,通過化學(xué)還原方式以氫鍵自方法將氧化石墨烯整理到棉織物上,對(duì)織物表層改性。經(jīng)石墨烯改性處理后,棉織物的導(dǎo)熱系數(shù)明顯提高,并且隨著石墨烯/聚乙烯醇整理次數(shù)的增加,棉織物的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大,導(dǎo)熱性能不斷提升[10]。

3.2 抗菌性

現(xiàn)今研究已經(jīng)證實(shí)石墨烯、氧化石墨烯具有優(yōu)異的抗菌性能,通過一些物理或化學(xué)方法將其整理到織物上可以得到石墨烯織物。在研究中未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生對(duì)人體有害物質(zhì),因此其有可能被進(jìn)一步整理到紡織品上使用。南通強(qiáng)生石墨烯科技有限公司將石墨烯改性纖維開發(fā)的改性滌綸、錦綸經(jīng)檢測(cè)其抗菌率均大于99%,并且具有較高耐水洗性。

3.3 導(dǎo)電性

石墨烯具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性,不僅是因?yàn)樘荚娱g零能隙,更重要的是在零間隙點(diǎn)上電子性質(zhì)的獨(dú)特性。將石墨烯材料整理到織物上可以把石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性能帶到紡織品中,例如將滌綸織物浸泡于氧化石墨烯的溶液中,經(jīng)還原后得到的改性滌綸織物的導(dǎo)電性能明顯改善,并且其各項(xiàng)電化學(xué)性能較未整理的滌綸織物有很大的改善。

3.4 遠(yuǎn)紅外性能

濟(jì)南圣泉集團(tuán)開發(fā)的一種石墨烯新型功能合成纖維材料,是由納米級(jí)的石墨烯均勻分散于滌綸空白切片中再熱熔共混紡絲制成石墨烯功能纖維。該產(chǎn)品經(jīng)國家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè),常溫下遠(yuǎn)紅外發(fā)射率92%,遠(yuǎn)紅外波為4～14μm,與人體組織中水分子振動(dòng)波長相同,從醫(yī)學(xué)角度來說,可以在一定作用上引起共振產(chǎn)生熱量,進(jìn)而深入皮下組織,激發(fā)人體組織細(xì)胞的活力。

3.5 防紫外線性能

石墨烯改性功能紡織品具有良好的防紫外線性能,近年許多科研機(jī)構(gòu)以及生產(chǎn)企業(yè)對(duì)其性能進(jìn)行研究。曲麗君課題組分別采用復(fù)配液整理法對(duì)棉織物進(jìn)行改性整理,利用氧化石墨烯和殼聚糖分子間靜電作用力,通過層層自組裝工藝對(duì)棉織物進(jìn)行表面改性處理。通過這兩種方法得到的石墨烯改性棉織物展現(xiàn)出了優(yōu)異的防紫外線性能,經(jīng)檢測(cè),其紫外線防護(hù)系數(shù)UPF值均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.6 電磁屏蔽性能

電磁屏蔽性能一直以來是紡織品安全防護(hù)性能的研究熱點(diǎn)。張松林等采用浸蘸式對(duì)棉織物表面進(jìn)行多層工藝整理,使織物表面含有多層氧化石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化銨鹽酸鹽(GO/PDDA)整理膜,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,隨著GO/PDDA多層膜沉積層數(shù)的增加,棉織物電磁屏蔽性能也不斷提升。當(dāng)GO/PDDA多層膜自組裝層數(shù)達(dá)到15時(shí),改性棉織物的電磁屏蔽效能達(dá)到3.16 d B,試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化銨鹽酸鹽改性處理的棉織物能夠屏蔽52%的電磁波。

4 結(jié)語

石墨烯紡織品已經(jīng)初步開發(fā)出具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射、防靜電、抗紫外、抗菌和電熱效應(yīng)等性能,是一種集多種功能于一身的新型材料,將其應(yīng)用于家紡面料的開發(fā),符合當(dāng)代國內(nèi)人民日益增長的健康消費(fèi)需求。