張蕓娟，張弘康，周兆懿

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

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)紡織品的需求不僅僅滿足于衣著服飾的基礎(chǔ)應(yīng)用，對(duì)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(dǎo)電、抗紫外、阻燃、疏水、保健[1]等性能受到人們的廣泛關(guān)注。作為常見(jiàn)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(lái)，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(gè)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(xué)性能。比如，石墨烯材料的比表面積較大，可達(dá)2 630 g/m2[4]；電子遷移率高，可達(dá)到20 000 cm2/（V·s）；熱導(dǎo)率高，高達(dá)5 000 W/（m·K）；透明度高，彈性模量大，化學(xué)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(yīng)用推廣價(jià)值，并成為新型材料的重要研究領(lǐng)域，未來(lái)將被應(yīng)用于半導(dǎo)體、航空航天、能源存儲(chǔ)、生物醫(yī)藥及日常生活紡織品等相關(guān)領(lǐng)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(lái)越多的紡織學(xué)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(dǎo)電、耐磨、抗菌、防紫外線等性能，同時(shí)其本身無(wú)毒無(wú)害、綠色環(huán)保的特性，非常適應(yīng)于我國(guó)環(huán)保型社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，使得多功能化、高附加值的織物層出不窮，有力推動(dòng)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(lái)源便利等特點(diǎn)，受到人們廣泛的關(guān)注。研究人員將石墨烯應(yīng)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(chǔ)性能，而且在抗菌防水、紫外線防護(hù)等功能性方面也有著不俗的表現(xiàn)[5]。楊明[6]通過(guò)制備石墨烯懸浮液對(duì)羊毛纖維進(jìn)行處理，并加入硅烷偶聯(lián)劑提高石墨烯的附著能力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)于不同方式前處理過(guò)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(dá)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(fèi)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(yán)[8]采用自組裝和熱還原法制備石墨烯改性落棉纖維，且當(dāng)GO 質(zhì)量濃度為0.5 mg/mL、熱還原溫度為150 ℃時(shí)，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(dá)42.67 g/g，可見(jiàn)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(duì)棉纖維紗布進(jìn)行前處理，并通過(guò)與石墨烯分散液超聲震蕩制得石墨烯/羧甲基棉纖維復(fù)合水凝膠，發(fā)現(xiàn)紗布的吸水與吸附性能、力學(xué)性能隨著石墨烯濃度的提升逐漸增加，并達(dá)到最高點(diǎn)。

1.3 石墨烯改性化學(xué)纖維

合成纖維以其優(yōu)異的絕緣性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性及快干性在紡織領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(lǐng)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(dāng)石墨烯粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、纖維經(jīng)3.8 倍牽伸時(shí)，所制得的石墨烯改性聚酯纖維的斷裂強(qiáng)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(xué)和抗靜電性能。張運(yùn)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(fù)合纖維，試驗(yàn)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(fù)合纖維的力學(xué)、耐熱性能，還能顯著提高纖維的抗菌性能（當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，抗菌率可達(dá)94%）及抗紫外線性能（UPF值可達(dá)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(zhǎng)絲的電導(dǎo)率大于1×10-4S/cm，具有良好的導(dǎo)電性能。

2 石墨烯改性織物的制備及應(yīng)用

鑒于紡織織物具有輕便柔軟的特性，石墨烯不但能對(duì)紡織纖維進(jìn)行改性，而且可賦予傳統(tǒng)紡織品更多的功能性。石墨烯對(duì)織物的改性主要通過(guò)涂覆、浸軋、層層自組裝和化學(xué)沉積等方式來(lái)完成。通過(guò)改性，使紡織品具有電磁屏蔽、抗菌、導(dǎo)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，在8 V 外電壓下，穩(wěn)態(tài)溫度最高可達(dá)118 ℃，溫升速率最高可達(dá)8.37 K/s，遠(yuǎn)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(fù)性，所制電熱織物在熱療、保暖服飾等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

2.2 石墨烯電磁屏蔽織物

近年來(lái)，隨著電子設(shè)備的大量普及，因電磁波會(huì)對(duì)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(shè)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(dǎo)電性，研究人員通過(guò)對(duì)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?jī)r(jià)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(dá)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(dá)25.3 dB，達(dá)到商用級(jí)（SET值＞20 dB）的應(yīng)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(zhǎng)絲、普通錦綸長(zhǎng)絲以及普通滌綸長(zhǎng)絲交替制備毛呢針織物。研究表明，當(dāng)石墨烯改性錦綸在織物表面覆蓋面較大時(shí)，由于石墨烯較高的電導(dǎo)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(yáng)等[18]以GO 為原料，對(duì)棉織物進(jìn)行負(fù)載，并通過(guò)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)，具有較好的耐水洗性能。

2.4 石墨烯導(dǎo)電織物

因石墨烯同時(shí)還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，從而導(dǎo)致對(duì)制備性能優(yōu)異的功能型產(chǎn)品引起了眾多研究者的關(guān)注。曹機(jī)良[19]采用原位還原法將GO用于蠶絲織物的導(dǎo)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(jìn)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(jī)械摩擦后依然可保持較好的導(dǎo)電性能。黃海濤[20]以棉織物和通過(guò)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(dǎo)電棉織物，試驗(yàn)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(dǎo)電層，使改性棉織物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，有望在柔性電極及智能服飾領(lǐng)域獲得一定的應(yīng)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(zhǎng)的紫外線，從而有效改善傳統(tǒng)織物因紫外輻射而導(dǎo)致的老化及機(jī)械損傷。方婧等[21]利用蠶絲纖維上的還原基團(tuán)，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(dá)34.14，為普通絲織物的3.5 倍，達(dá)到了很好的紫外防護(hù)級(jí)別，有助于改善蠶絲織物在服用過(guò)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(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，織物的UPF 值可達(dá)356.74，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的紫外線防護(hù)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(wú)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(shí)，姚馨馨等[17]還發(fā)現(xiàn)，隨著石墨烯改性錦綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，毛呢織物的抑菌率提升，且當(dāng)改性纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%時(shí)，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(yù)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(jìn)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(qiáng)，當(dāng)改性錦綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到57%時(shí)，混紡織物抑菌活性穩(wěn)定，其抗菌率可達(dá)99%，且經(jīng)過(guò)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(lái)，由于特殊潤(rùn)濕表面在超疏水、自清潔等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用而成為了研究的熱點(diǎn)，而構(gòu)造超疏水表面的關(guān)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(dāng)和具有低表面能的物質(zhì)復(fù)合并對(duì)織物改性時(shí)，可制備具有疏水性的功能織物。劉亞?wèn)|[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(dá)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(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著研究的不斷深入，將石墨烯材料引入纖維紡織領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)紡織纖維或織物的改性，賦予紡織品在電磁屏蔽、抗靜電、導(dǎo)電、抗紫外、抗菌等不同領(lǐng)域的功能化應(yīng)用[25]。雖然，目前石墨烯的功能化研究尚以實(shí)驗(yàn)室研究為主，但隨著人們對(duì)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(huì)實(shí)現(xiàn)更多的可能，具有更廣泛的應(yīng)用前景。