鄧盛鵬，陳玉龍，劉璐瑤，任新民

(蘭州三毛實(shí)業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730300)

紡織品在人類生活中扮演著不可或缺的角色，隨著時(shí)代的發(fā)展，紡織品的應(yīng)用趨于多元化。新型紡織品除滿足日常應(yīng)用外，還需具備導(dǎo)電、抗紫外線、阻燃、疏水、保健等一種或多種功能。其中，特種紡織產(chǎn)品是新型紡織產(chǎn)品中具有代表性的一種產(chǎn)品。傳統(tǒng)特種紡織品存在質(zhì)量大、散熱能力低、透氣性差、對(duì)細(xì)菌抵抗力差等問題[1]，在特種工作人員穿著該產(chǎn)品進(jìn)行特種作業(yè)時(shí)會(huì)對(duì)工作的完成度造成一定的影響，且會(huì)對(duì)工作人員造成一定的危害。因此，新型功能性特種紡織品的研發(fā)及應(yīng)用具有重要意義[2]。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的2D單層平面薄膜物質(zhì)，與富勒烯(零維碳納米材料)、碳納米管(一維碳納米材料)并稱為21世紀(jì)三大碳材料。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的新型二維納米材料[3]。石墨烯在光感應(yīng)、導(dǎo)電、熱效應(yīng)、機(jī)械強(qiáng)度、電磁感應(yīng)等方面具有優(yōu)越的性能，其在新型復(fù)合材料、智能材料、能量?jī)?chǔ)存轉(zhuǎn)換裝置、生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

將石墨烯及其衍生物應(yīng)用到紡織材料中可增強(qiáng)紡織材料的抗菌抑菌、抗靜電、抗紫外線、遠(yuǎn)紅外等功能[4]。因此，石墨烯材料在紡織產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，尤其在特種紡織品中具有良好的應(yīng)用前景。作者介紹了石墨烯在紡織產(chǎn)品中的功能特性，以及石墨烯及其衍生材料在特種紡織品中的應(yīng)用情況，并對(duì)今后石墨烯改性紡織品的開發(fā)與推廣應(yīng)用提出建議。

1 石墨烯在紡織品中的功能特性

1.1 抗菌功能

細(xì)菌、病毒等病原體附著在衣物表面對(duì)人體存在危害，紡織品的抗菌改性成為解決途徑之一，石墨烯作為新型紡織品的一種改性材料具有較好的抗菌性能[5]。苑亞楠等[6]采用石墨烯改性氨綸，當(dāng)添加石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，改性氨綸對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌的抑菌率均在98%以上。此外，相關(guān)研究表明對(duì)石墨烯進(jìn)行改性后其抗菌能力可進(jìn)一步提升，將殼聚糖和氧化石墨烯改性的織物對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率可達(dá)99%[7-8]；將石墨烯添加納米銀復(fù)合材料改性的織物具有高抗菌活性和優(yōu)異的耐用性，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率可達(dá)99.99%，數(shù)10次洗滌后，抑菌率無明顯變化[9]。由此可見，石墨烯的添加使織物的抗菌性能顯著增加，且具有一定的穩(wěn)定性。

1.2 抗紫外線功能

人體皮膚長(zhǎng)期暴露在紫外線下，會(huì)使皮膚受到傷害甚至引發(fā)癌變，其中白化病患者等特殊群體對(duì)紫外線更為敏感，因此抗紫外線紡織品開發(fā)具有重要意義。張佳沁等[10]采用化學(xué)法改性石墨烯制備具有抗紫外線功能棉織物，該棉織物紫外光透過率小于2%。趙洪濤等[11]利用氧化石墨烯作為前驅(qū)體，采用聚乙烯亞胺(PEI)為改性劑，通過電泳沉積技術(shù)對(duì)棉織物進(jìn)行表面涂層整理，處理后的棉織物紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)大于150，UVA 透過率小于1%，這說明石墨烯改性后的棉織物對(duì)紫外線有非常好的阻隔作用。趙洪濤等[12]還通過電泳沉積法制備功能性尼龍/石墨烯復(fù)合織物，石墨烯改性后的尼龍織物UPF大于500，UVA 透過率小于0.05%，抗紫外線效果明顯。有研究者將石墨烯和金屬氧化物結(jié)合添加入織物，織物紫外線阻隔結(jié)果表明，經(jīng)過數(shù)10 次洗滌后仍具有良好的防紫外線能力[13]。由此可見，石墨烯的加入可使紫外線對(duì)紡織品的穿透率降低，且在低濃度下具有較高的抗紫外線功能，此外石墨烯與金屬氧化物的結(jié)合可能會(huì)增強(qiáng)織物防紫外線的持久性。

1.3 遠(yuǎn)紅外功能

目前，大部分遠(yuǎn)紅外紡織品是在纖維中添加具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能的物質(zhì)，也有部分是在織物后加工過程中將具有遠(yuǎn)紅外功能的材料添加到織物中。然而，大部分遠(yuǎn)紅外輻射劑存在生物安全性問題，會(huì)對(duì)人體造成傷害。石墨烯作為一種無毒無害的新型材料能吸收和輻射高達(dá)40%的遠(yuǎn)紅外線，且在同等光源照射下可迅速升高物體溫度，將石墨烯添加入紡織物表面，可增強(qiáng)織物遠(yuǎn)紅外發(fā)射能力[14]。胡文興等[15]采用生物質(zhì)石墨烯聚酯母粒生產(chǎn)異形滌綸長(zhǎng)絲，纖維的遠(yuǎn)紅外溫升和發(fā)射率分別可達(dá) 2.6 ℃和 0.87，具有較好的保溫效果。于維晶等[16]采用石墨烯改性莫代爾纖維，測(cè)試其內(nèi)衣的遠(yuǎn)紅外性能，遠(yuǎn)紅外發(fā)射率達(dá)0.94，遠(yuǎn)紅外輻射溫升為1.5 ℃。石墨烯可增強(qiáng)織物的遠(yuǎn)紅外功能，可使織物能夠調(diào)節(jié)溫度，還具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射低溫敏感性，在低溫情況下可發(fā)射遠(yuǎn)紅外波，可使人體溫度上升。

1.4 導(dǎo)電功能

智能紡織品是紡織行業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)，其關(guān)鍵在于研發(fā)出導(dǎo)電性能優(yōu)異的紗線，石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，被廣泛用于導(dǎo)電紗線和電極材料。目前石墨烯改性物質(zhì)可用于制造電極，且可使用簡(jiǎn)單且方便的方法使其應(yīng)用在穿戴電子產(chǎn)品及其他方面[17]。孫凱凱等[18]將石墨烯溶液加入錦綸長(zhǎng)絲中，其耐日曬老化能力和導(dǎo)電性能大幅度提升。蔣連意等[19]利用浸漬還原法將石墨烯和納米銀涂抹在棉紗表面，棉紗導(dǎo)電性能顯著提高。王藝穎等[20]用牛血清白蛋白對(duì)棉紗進(jìn)行表面改性處理，使氧化石墨烯更多地吸附于改性棉紗表面，再將氧化石墨烯還原，加入吡咯進(jìn)行化學(xué)聚合，制得石墨烯/聚吡咯/棉紗線電極，具有良好的導(dǎo)電性能，可作為柔性超級(jí)電容器的電極材料。FANG M H等[21]采用石墨烯水溶膠對(duì)玻璃纖維反復(fù)浸漬涂層處理，玻璃纖維完全被還原性氧化石墨烯涂層覆蓋后表現(xiàn)出較高的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電率為24.9 S/cm，高于其他納米碳素包覆纖維和商用碳纖維。然而，石墨烯改性織物在數(shù)次洗滌后，織物中石墨烯含量將會(huì)降低，會(huì)出現(xiàn)織物電阻增加的現(xiàn)象[22]。

1.5 抗靜電功能

在空氣濕度較低情況下，化纖織物在穿著或使用過程中因摩擦產(chǎn)生靜電，會(huì)吸附灰塵、毛發(fā)等，從而降低織物的穿著舒適度。石墨烯因其電學(xué)性能優(yōu)異，在防靜電織物中得到廣泛應(yīng)用。凡力華等[23]將腈綸織物浸漬于氧化石墨烯溶液中，再利用紫外光對(duì)織物表面附著的氧化石墨烯進(jìn)行還原，改性后的腈綸織物表現(xiàn)出良好的抗靜電能力。姜亞琳等[24]采用石墨烯改性滌綸與羊毛制備混紡面料，面料洗滌前后都具有良好的抗靜電性能，達(dá)到了耐久型抗靜電紡織品B級(jí)要求。王喚霞等[25]將滌綸織物浸入帶有正電荷的殼聚糖溶液和帶負(fù)電荷的氧化石墨烯溶液中，改性后的滌綸織物抗靜電性能大幅度提高，織物的靜電半衰期由改性前的181.54 s降至2.44 s。陳小婷等[26]將石墨烯分散液和水性聚氨酯按一定比例復(fù)配，以浸軋-焙烘工藝對(duì)滌綸織物進(jìn)行抗靜電整理，織物表現(xiàn)出良好的抗靜電性，當(dāng)石墨烯用量為5 g/L時(shí)，織物的表面靜電壓為932 V，半衰期為0.54 s。因此，石墨烯的加入對(duì)于紡織品的抗靜電處理具有積極作用。

1.6 其他功能

除以上功能外，石墨烯改性紡織材料還具有其他功能。王成雙等[27]將石墨烯粉末和聚酯粉體通過熔融共混紡絲制備石墨烯改性滌綸短纖維，該纖維具有膨松性高、保暖性強(qiáng)、手感柔軟滑爽、透氣性好等服用性能，還具有低溫遠(yuǎn)紅外、抗菌等保健功能。鄒梨花等[28]對(duì)棉織物進(jìn)行陽離子化催化，隨后依次浸入氧化石墨烯和苯胺單體溶液中，改性后的棉織物能達(dá)到較高的電磁屏蔽效能值。S.BHATTACHARJE等[29]在棉織物上涂覆氧化石墨烯之后，通過浸涂法使用 3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷作為偶聯(lián)劑摻入納米銀顆粒，在二亞硫酸鈉存在下還原氧化石墨烯，然后在真空、180 ℃下加熱，得到的石墨烯改性棉織物比純棉表現(xiàn)出更好的疏水性。石墨烯及其衍生物還具有驅(qū)蚊功效，可以防止傳染病的傳播等[30]。

2 石墨烯及其衍生材料在特種紡織品中的應(yīng)用

2.1 消防及潛水用防護(hù)服

傳統(tǒng)的特種紡織品具有一定的阻燃性能，但質(zhì)量和體積較大，降低了工作人員的移動(dòng)性和舒適性，在一定程度上降低了工作效率。S.Y.SON等[31]研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量較大和不透氣的防護(hù)用具會(huì)導(dǎo)致消防人員汗液產(chǎn)生率下降，進(jìn)而對(duì)工作人員造成危害。趙倩等[32]將氧化石墨烯與植酸高溫反應(yīng)生成的物質(zhì)以浸軋烘方法負(fù)載到棉織物上，整理后的棉織物在800 ℃下殘?zhí)柯蕿?3%，而傳統(tǒng)棉織物在800 ℃下殘?zhí)柯蕿?3%。顯然，氧化石墨烯的添加可以提高棉織物的阻燃性能。據(jù)報(bào)道，Eurojersey和Directa Plus兩家公司合作開發(fā)的新性能石墨烯改性織物具有良好的疏水性和阻燃性，還可幫助佩戴者通過促進(jìn)散熱來保持舒適的體溫，在高溫條件下使熱量分布均勻；Vollebak公司將石墨烯納米顆粒和聚氨酯結(jié)合，然后應(yīng)用于尼龍織物，該產(chǎn)品同樣有助于均衡體溫[1]。石墨烯改性紡織品在阻燃、疏水方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，可廣泛用作消防服、潛水服等特種紡織品。

2.2 高機(jī)械強(qiáng)度防護(hù)用品

國(guó)防工作人員的工作具有一定的特殊性，所處環(huán)境相對(duì)一般人員可能會(huì)更容易遭受致命傷害，在個(gè)人防護(hù)設(shè)備準(zhǔn)備不足的情況下，傷亡率相對(duì)較高，輕質(zhì)高強(qiáng)度的多功能防護(hù)用品將成為新的研究方向。邵羽南等[33]研制的白石墨烯/聚甲醛復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著石墨烯含量的增加而逐步增加，復(fù)合材料的磨損隨著白石墨烯含量增加呈現(xiàn)先增加再降低然后再增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)槭┍旧淼母吣Ａ亢透哂捕仍黾恿瞬牧系哪Σ料禂?shù)。WANG G R等[34]研究了界面鍵對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯界面性質(zhì)和破壞模式的影響，結(jié)果表明，通過氫鍵改善界面相互作用，復(fù)合材料界面趨于硬化和強(qiáng)化。相關(guān)研究表明，通過干噴濕紡的方式制造出的石墨烯纖維具有一定的柔性，并將其與尼龍纖維一起混紡成紗線織造成織物，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度[35]；此外，將石墨烯永久涂覆在紡織材料上，制備的衣物具有防彈功能[36]。石墨烯的添加可以使織物質(zhì)量減輕的同時(shí)提升織物的機(jī)械強(qiáng)度。

2.3 醫(yī)療衛(wèi)生用品

隨著社會(huì)的發(fā)展，生物及化學(xué)類的污染越來越嚴(yán)重，在各種病毒爆發(fā)時(shí)防護(hù)服等用品成為了防止病毒危害醫(yī)護(hù)人員的第一道防線。傳統(tǒng)的防護(hù)服透氣性差，防護(hù)服中使用的紡織材料可能成為病毒生長(zhǎng)的良好載體，可導(dǎo)致病毒的傳播。借助石墨烯的抗菌性能，對(duì)織物進(jìn)行改性，可以制備具有良好抗菌性能的防護(hù)服。石墨烯可用于制備醫(yī)務(wù)人員的手套、口罩和防護(hù)服。N.NOOR等[37]通過化學(xué)溶液浸漬工藝浸漬納米銀顆粒修飾的氧化石墨烯納米復(fù)合材料，增加了納米銀粒子在織物基材上的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)了漂洗再利用能力和抗菌性能。R.M.ENINGER等[38]開發(fā)了基于石墨烯過濾的 Guardian G-Volt 面罩，可自我消毒、殺毒和可重復(fù)使用，與N95口罩相比，G-Volt對(duì)0.3 μm的病毒的有效率為99%。浙江大學(xué)常州工業(yè)技術(shù)研究院利用石墨烯涂層無紡布，研制出石墨烯抗菌防霧口罩，其PM2.5過濾效率達(dá)96.4%[1]。添加石墨烯后織物具有獨(dú)特的抗菌效果，可應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生產(chǎn)品中，有效防止血液、唾液、體液飛濺進(jìn)而導(dǎo)致的病原體污染。

2.4 智能紡織品

目前，石墨烯在智能紡織品中得到了廣泛應(yīng)用，并用于人類健康護(hù)理或環(huán)境監(jiān)測(cè)。

S.AFROJ等[39]將石墨烯涂層紗線集成到柔性傳感器中，繼而通過自動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)或藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備，石墨烯紡織品傳感器顯示出優(yōu)異的溫度敏感性，具有良好的可洗脫性和極高的柔韌性，表明石墨烯在可穿戴電子紡織品中具有良好的應(yīng)用前景。石墨烯還可以通過激光書寫技術(shù)制備，應(yīng)用在紡織品上，使得石墨烯電子紡織品的制造變得簡(jiǎn)單。XU X W等[40]通過絲網(wǎng)印刷工藝將石墨烯溶液沉積在紡織品上制成石墨烯紡織電極，用于監(jiān)測(cè)心電圖反應(yīng)，記錄心電信號(hào)，得到的心電信號(hào)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

石墨烯智能紡織品還可用于有害氣體檢測(cè)，如二氧化氮、硫化氫、氨氣、甲醛、氫氣或二氧化硫等的檢測(cè)。然而，電子元件與可穿戴材料之間附著力差，對(duì)于開發(fā)更好的電子紡織品氣體傳感器一直是很大的障礙[41]。

綜上所述，石墨烯智能紡織品具有良好的導(dǎo)電性能，且能根據(jù)其性質(zhì)制作各種智能設(shè)備。智能設(shè)備能對(duì)人體的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有良好的應(yīng)用性。

3 結(jié)語

石墨烯是一種新型環(huán)保材料，其與織物結(jié)合后可使織物具有抗菌、抗紫外線、遠(yuǎn)紅外、導(dǎo)電、抗靜電等功能。由于其優(yōu)異的特性，將其應(yīng)用于特種紡織品中成為了新的方向。石墨烯及其衍生物應(yīng)用于消防及潛水用防護(hù)服、高機(jī)械強(qiáng)度防護(hù)用品、醫(yī)療衛(wèi)生用品、智能紡織品等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其中智能紡織品將成為紡織品未來發(fā)展的趨勢(shì)之一，石墨烯獨(dú)特的導(dǎo)電性及輕質(zhì)性成為了實(shí)現(xiàn)智能化的希望。然而，目前石墨烯大規(guī)模應(yīng)用于紡織品仍具有一定的差距。石墨烯由于其自身生產(chǎn)成本較高，即使與其他物質(zhì)混合加入織物中，仍需較高成本，且均會(huì)因織物的洗滌或彎折次數(shù)增加而使其功能穩(wěn)定性和持久性效果降低。此外，部分織物因加入石墨烯而出現(xiàn)難以染色等問題。因此，在未來石墨烯改性織物的研究及應(yīng)用中，如何平衡石墨烯含量與產(chǎn)品成本還需進(jìn)一步研究，如何避免織物洗滌及彎曲帶來產(chǎn)品性能的下降成為石墨烯紡織品推廣應(yīng)用的難題。