石墨烯改性纖維的研究現(xiàn)狀

劉優(yōu)昌

(青島市纖維紡織品監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，山東 青島 266061)

石墨烯改性纖維的研究現(xiàn)狀

劉優(yōu)昌

(青島市纖維紡織品監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，山東青島266061)

文章通過綜述和分析石墨烯改性纖維目前的研究方向和取得的成果，發(fā)現(xiàn)石墨烯改性纖維擁有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱穩(wěn)定性好等多種特性，現(xiàn)階段研究主要針對(duì)常規(guī)纖維領(lǐng)域，而對(duì)異型纖維、高性能纖維等特種纖維涉及較少，指出加強(qiáng)科研院所、高校和企業(yè)之間的合作，是石墨稀改性纖維進(jìn)一步發(fā)展的重要保證。

石墨烯；改性纖維；發(fā)展趨勢(shì)

石墨烯是由單層碳原子通過共價(jià)鍵連接的二維蜂窩狀晶體，于2004年由Geim等人發(fā)現(xiàn)[1-2]。其具有完美的大π共軛體系和最薄的單層原子厚度結(jié)構(gòu)(約為0.334 nm)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。特殊的結(jié)構(gòu)賦予石墨烯極其優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，如獨(dú)特的光電學(xué)性能、超強(qiáng)的電子傳導(dǎo)性、極大的比表面積、透光率接近97.7%等[4]。目前石墨烯的主要制備方法有：微機(jī)械剝離法[1]、氧化還原法[5]、化學(xué)氣象沉積法[6]等。

圖1 石墨烯基本結(jié)構(gòu)示意圖[3]

石墨烯作為一種優(yōu)秀的新型材料，在各個(gè)領(lǐng)域引發(fā)了研究熱潮，如能源、光電、復(fù)合材料、水處理、生物醫(yī)藥等[7]。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，含有大量含氧基團(tuán)，不僅具有較好的潤(rùn)濕性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插層后剝離，在改善材料的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等性能方面有非常重要的作用[8]。在不斷尋求創(chuàng)新的紡織纖維領(lǐng)域，石墨烯的出現(xiàn)，為其進(jìn)一步發(fā)展提供了新的動(dòng)力。石墨烯可提高纖維的物理機(jī)械性能，賦予其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和紫外線防護(hù)功能等。石墨烯改性纖維的研究是目前紡織纖維領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1 石墨烯改性纖維的制備與性能

1.1石墨烯/纖維素纖維

纖維素纖維是常見的紡織原材料，主要包括粘膠纖維、莫代爾纖維、萊賽爾纖維等，其易染色、吸濕透氣、柔軟舒適，受到消費(fèi)者的青睞。石墨烯/纖維素復(fù)合纖維就是把石墨烯混入纖維素纖維紡絲溶液中，使其分散均勻，再經(jīng)粉碎、精細(xì)研磨、黃化、溶解、混合、過濾、脫泡等工序紡絲得到。李昌壘等[9]制備了石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維，研究了它的微觀形態(tài)、防紫外線性能和熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維中石墨烯分散均勻，纖維橫、縱向形態(tài)和普通纖維素纖維相似；當(dāng)石墨烯含量達(dá)到3%以上時(shí)，石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維有較好的防紫外線性能；石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于普通纖維素纖維。遲淑麗等[10]制備了石墨烯含量不同的石墨烯纖維素復(fù)合纖維，通過研究復(fù)合纖維的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，發(fā)現(xiàn)隨石墨烯含量增加，復(fù)合纖維表面的褶皺增多，說明與纖維素纖維復(fù)合的石墨烯的量增多；復(fù)合纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率先增加后降低；導(dǎo)電性先增加，最后趨于穩(wěn)定；導(dǎo)熱性能與石墨烯含量正相關(guān)。

石墨烯/纖維素纖維是一種新型的差別化纖維素纖維，既具有普通纖維素纖維優(yōu)良的可紡性、易染色性和服用性，又具有一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防紫外線性能等。石墨烯的加入拓寬了纖維素纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了產(chǎn)品的附加值。改性纖維可用于新型保健紡織品、防護(hù)紡織品、產(chǎn)業(yè)用紡織品和智能紡織品的開發(fā)，滿足消費(fèi)者對(duì)紡織品舒適性、保健性、多功能性等的不同需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1.2石墨烯/尼龍6纖維

尼龍6纖維是一種應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異的合成纖維，具有很多優(yōu)異的性能：斷裂強(qiáng)度高、耐磨性好、彈性好，但它也存在耐光和耐熱性較差、易燃燒、極性較強(qiáng)等缺點(diǎn)[11]。隨著人們生活水平的提高、科技的發(fā)展，以及紡織行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，傳統(tǒng)的尼龍6纖維已不能滿足人們的需要。侯文俊[12]使用熔融紡絲法和原位聚合法制備了氧化石墨烯改性尼龍6纖維，經(jīng)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)隨氧化石墨烯含量增加，接枝率和尼龍分子量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，尼龍的熔融溫度和結(jié)晶溫度均先上升后下降。經(jīng)己二胺改性后的氧化石墨烯對(duì)尼龍具有增強(qiáng)效果，當(dāng)其含量為0.10%時(shí)，纖維的拉伸強(qiáng)度最佳。王雙成等[13]使用熔融紡絲法制備了石墨烯改性尼龍6母粒，研究了其微觀形態(tài)、含水率、熱穩(wěn)定性、相對(duì)粘度和熔融指數(shù)等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)對(duì)石墨烯進(jìn)行表面處理可提高其在高聚物中的分散性，進(jìn)而提高產(chǎn)品的性能。石墨烯改性尼龍6母粒的含水率為550 ppm，符合紡絲工藝要求。石墨烯能明顯改性母粒的熱穩(wěn)定性。石墨烯改性尼龍6母粒與尼龍6相比相對(duì)粘度有所降低，熔融指數(shù)有所升高。張靈英等[14]采用共混法制備了石墨烯微片/尼龍6復(fù)合材料，研究了其電學(xué)性能、摩擦磨損性能、力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)石墨烯微片/尼龍6復(fù)合材料的導(dǎo)電性、摩擦磨損性能、拉伸性能優(yōu)于炭黑/尼龍6復(fù)合材料，但沖擊性能有所降低。肖建亮等[15]使用靜電紡技術(shù)制備了氧化石墨烯和還原氧化石墨烯尼龍6復(fù)合納米纖維，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯和還原氧化石墨稀的加入可明顯改變尼龍6溶液的流變行為，分別有增稠和降粘的作用，進(jìn)而拓寬溶液可紡濃度，降低纖維直徑，同時(shí)二者可明顯提高納米纖維的熱穩(wěn)定性。

尼龍6纖維和長(zhǎng)絲廣泛應(yīng)用于紡織服裝行業(yè)，在戶外用品如防風(fēng)衣、防雨棚、帳篷等產(chǎn)品中占有重要地位。石墨烯的加入可賦予尼龍6產(chǎn)品新的特性，如導(dǎo)電、耐日曬、熱穩(wěn)定性提高等。因此石墨烯/尼龍6產(chǎn)品可應(yīng)用于智能戶外紡織品、運(yùn)動(dòng)紡織品和特種紡織品等領(lǐng)域。這對(duì)于拓展紡織產(chǎn)品的跨領(lǐng)域研發(fā)創(chuàng)新具有重要的參考意義，提供了一個(gè)紡織技術(shù)發(fā)展、突破的方向。

1.3石墨烯/滌綸纖維

滌綸具有強(qiáng)度高、耐酸堿、尺寸穩(wěn)定、易洗快干等優(yōu)點(diǎn)，是一種使用量巨大、應(yīng)用領(lǐng)域廣的紡織材料，但滌綸內(nèi)部分子排列緊密，分子間缺少親水結(jié)構(gòu)，因此回潮率小，難吸濕，透氣性和抗靜電性也較差。物理和化學(xué)改性的方法既可以解決滌綸本身存在的缺陷，還可對(duì)其服用性能進(jìn)行改善或根據(jù)需要賦予其一定的功能性[16-17]。王雙成等[18]把石墨烯、聚酯粉體和助劑先通過熔融共混的方式制備母粒，再使用熔融紡絲工藝制備了石墨烯改性滌綸短纖維，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、遠(yuǎn)紅外性能、抗菌抑菌性等進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能好、耐腐蝕，同時(shí)具有遠(yuǎn)紅外、抗菌抑菌等多種功能。

目前在滌綸纖維中添加石墨烯雖會(huì)使其性能得到一定提高，但因生產(chǎn)成本較高，與普通滌綸纖維或其他有類似功能的纖維相比，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)不明顯，并沒有受到市場(chǎng)的追捧。石墨烯/滌綸纖維急需解決的問題是在降低成本的同時(shí)提高其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗菌等性能，使其成為一種性價(jià)比高、實(shí)用的多功能纖維。隨著生產(chǎn)技術(shù)的升級(jí)與發(fā)展，社會(huì)生活水平的提高，人們保健意識(shí)的提升，石墨烯/滌綸纖維會(huì)迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

2 石墨烯改性纖維的發(fā)展趨勢(shì)

目前，石墨烯改性纖維主要是對(duì)常規(guī)纖維的改性，與普通產(chǎn)品相比，改性后的纖維增加了多種功能，這對(duì)拓寬纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域有重要意義。目前需拓展石墨烯改性纖維的研究范圍，將異型纖維、超細(xì)纖維、高性能纖維等納入其中，通過不斷探索，力爭(zhēng)開發(fā)出多類別、多層次、多用途的石墨烯改性纖維。

王雪新等[19]采用凝膠紡絲制備了氧化石墨烯改性的高強(qiáng)聚乙烯醇纖維，研究了氧化石墨烯含量、紡絲工藝對(duì)纖維性能的影響。發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯改性高強(qiáng)聚乙烯醇纖維與聚乙烯醇纖維相比拉伸性能較好，且當(dāng)氧化石墨烯含量為0.1%時(shí)，纖維的拉伸性能最好。李亞軍[20]使用濕法紡制備了聚乙烯醇/還原氧化石墨烯復(fù)合纖維，通過分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)還原氧化石墨烯在聚乙烯醇基體中分散良好，并且存在較強(qiáng)的相互作用。隨著還原氧化石墨烯含量增加，復(fù)合纖維的結(jié)晶度先增大后減小。還原氧化石墨烯的加入可提高聚乙烯醇纖維的熔融溫度和結(jié)晶溫度，并且對(duì)聚乙烯醇纖維的物理機(jī)械性能增強(qiáng)效果明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

纖維材料作為紡織服裝工業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展與突破是行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的原動(dòng)力。石墨烯是一種具有多種優(yōu)異特性的新材料，它的研究可帶動(dòng)多領(lǐng)域的創(chuàng)新熱潮。將石墨烯應(yīng)用于纖維改性是今后一段時(shí)期纖維開發(fā)的重點(diǎn)研究方向。多功能、多類別、多層次、低能耗、低成本是石墨烯改性纖維被市場(chǎng)和消費(fèi)者接受的關(guān)鍵。科研院所、高校與生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作是石墨烯改性纖維領(lǐng)域不斷拓展的強(qiáng)力支撐。石墨烯改性纖維的開發(fā)和研究對(duì)提升紡織服裝行業(yè)創(chuàng)新能力、提高產(chǎn)品附加值、搶占市場(chǎng)先機(jī)有重要意義。

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Abstract: This article summarized and analyzed current research directions and achievements of graphene modified fibers, found that graphene modified fibers had the properties of electric conduction, heat conduction, good thermal stability, etc.Current researches aimed at conventional fibers, special fibers involved less such as abnormal fiber, high performance fiber, etc. It pointed out that the cooperation of scientific research institutions, colleges, universities and enterprises were the important assurance for further development of graphene modified fibers.

Keywords:graphene; modified fiber; development trend

CurrentResearchStatusofGrapheneModifiedFibers

LiuYouchang

(Qingdao Institute of Textile Fiber Supervision and Inspection, Qingdao 266061, China)

TS102.6

A

1009-3028(2017)05-0054-03

2017-09-08

劉優(yōu)昌(1985—)，男，山東青島人，工程師。