石墨烯在功能家紡產品中的應用與趨勢

周鐘鳴,黃錦波

(浙江和心控股集團有限公司,浙江 嘉興314423)

國內外對石墨烯復合材料的研究和應用已經有了一定的成果,國外石墨烯主要應用在航空航天、儲能等方面[1]。紡織行業在技術發展上,作為下游產業,隨著人們日益增長的健康消費需求,紡織產品尤其是服裝、床上用品等直接和皮膚接觸的物品[2]的健康性和環保性越來越受到重視,石墨烯優異的抗靜電、防紫外線功能和遠紅外、吸濕性、抗菌性等方面的特性,可以在生物醫用紡織材料、抗菌醫用材料、功能服裝家紡等領域作為新材料。我國是紡織大國,同時石墨烯在紡織領域的應用難度較小,因此石墨烯復合材料在紡織行業具有較大的應用價值[3]。

1 石墨烯紡織品開發

石墨烯材料織物是指利用石墨烯材料的特性對普通紡織品進行有效的改性,在保持紡織品原有性能的同時,再擁有石墨烯特殊功能的功能化紡織產品。目前石墨烯紡織品在原料開發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與傳統紡絲技術相結合,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,沒有傳統線型高分子那樣的鏈纏結作用,紡絲存在一定的困難,其應用有一定的局限性。石墨烯在聚合物中具有納米級的分散,為材料科學開拓了一個嶄新的領域,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合材料已經有相關報道,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方法將石墨烯材料分布于纖維表面,該方法操作較為簡便,根據現有技術實現也較為簡單。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,該方法對織物損傷也較小,而且對生產設備要求低,操作方法簡單,常用于大批量的工業生產。但直接浸軋法石墨烯對材料附著能力較低,品質很難保證,不易在市場推廣。

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

交聯劑改性是通過線型分子間化學鍵合的方法,使石墨烯材料同線型大分子材料交聯成網狀物質,該方法對紡織品的改性操作簡單,且石墨烯材料附著強度高適用于大規模工業化生產[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。這種方法無需化學助劑和還原劑整理,工藝簡單,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用領域進一步拓寬,一些石墨烯材料在紡織品中的應用方法也不斷涌現,層層自組裝法、電泳沉積法、原位化學聚合法、染色法、CMOS法等也逐漸被報道。

2 石墨烯紡織品產業發展分析

隨著石墨烯研究的發展,石墨烯材料已經成為過去5年世界科技發展的熱點,隨著其性能的深入研究,產業化應用未來必將是市場熱點。隨著人類日益增長的健康消費需求,由石墨烯研發的越來越多與人類健康息息相關的功能性紡織品將走進百姓生活。

中國是世界紡織大國,年產各種纖維產品近5 000萬t,化纖產量占世界總量的70%,滌綸、錦綸等常規品種的技術、規模都是世界領先,但因普遍存在同質化嚴重、產品結構性過剩等問題,導致近年來行業效益不高,常規化纖等傳統行業轉型已迫在眉睫。當前,石墨烯的發展與應用已走進蓬勃發展的時代,魏橋紡織準確把握石墨烯復合纖維的功能特性,有針對性地應用于不同的紡織品類,先后開發了石墨烯復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品,拓展了石墨烯復合材料在紡織領域的應用范圍,引領國內高端紡織新材料發展應用趨勢。

南通強生石墨烯科技有限公司利用多種化學反應對石墨烯進行共價鍵功能化,采用常溫常壓工藝在單層石墨烯的制備使其工業化生產,并對石墨烯復合功能纖維材料的研究及開發取得較多的成就,進一步降低了石墨烯應用成本。

濟南圣泉集團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、精致分散關鍵技術;并解決了化學纖維紡絲過程中的團聚、品質控制等問題,開發了一系列石墨烯改性纖維高效紡紗、織造與染整技術,建立了石墨烯工業化應用的一整套工藝體系。

我國石墨烯復合材料在紡織上的應用研究處于世界領先地位,當前已經有很多成熟的產品面世,例如石墨烯-錦綸,石墨烯-滌綸,石墨烯-腈綸等復合纖維用于服裝、家紡、內衣等。利用石墨烯復合纖維具有抗菌、抗紫外、傳導清涼等功能,在床上用品、沙發、窗簾等產品上有很大的應用空間。

3 石墨烯纖維長絲家紡產品性能

3.1 高熱傳導率

石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,導熱系數高達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展更薄、導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,通過化學還原方式以氫鍵自方法將氧化石墨烯整理到棉織物上,對織物表層改性。經石墨烯改性處理后,棉織物的導熱系數明顯提高,并且隨著石墨烯/聚乙烯醇整理次數的增加,棉織物的導熱系數也隨之增大,導熱性能不斷提升[10]。

3.2 抗菌性

現今研究已經證實石墨烯、氧化石墨烯具有優異的抗菌性能,通過一些物理或化學方法將其整理到織物上可以得到石墨烯織物。在研究中未發現產生對人體有害物質,因此其有可能被進一步整理到紡織品上使用。南通強生石墨烯科技有限公司將石墨烯改性纖維開發的改性滌綸、錦綸經檢測其抗菌率均大于99%,并且具有較高耐水洗性。

3.3 導電性

石墨烯具有很強的導電性,不僅是因為碳原子間零能隙,更重要的是在零間隙點上電子性質的獨特性。將石墨烯材料整理到織物上可以把石墨烯優良的導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,經還原后得到的改性滌綸織物的導電性能明顯改善,并且其各項電化學性能較未整理的滌綸織物有很大的改善。

3.4 遠紅外性能

濟南圣泉集團開發的一種石墨烯新型功能合成纖維材料,是由納米級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。該產品經國家紅外及工業電熱產品質量監督檢驗中心檢測,常溫下遠紅外發射率92%,遠紅外波為4～14μm,與人體組織中水分子振動波長相同,從醫學角度來說,可以在一定作用上引起共振產生熱量,進而深入皮下組織,激發人體組織細胞的活力。

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,近年許多科研機構以及生產企業對其性能進行研究。曲麗君課題組分別采用復配液整理法對棉織物進行改性整理,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棉織物進行表面改性處理。通過這兩種方法得到的石墨烯改性棉織物展現出了優異的防紫外線性能,經檢測,其紫外線防護系數UPF值均達到國家標準要求。

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性能的研究熱點。張松林等采用浸蘸式對棉織物表面進行多層工藝整理,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,經實驗室測定,隨著GO/PDDA多層膜沉積層數的增加,棉織物電磁屏蔽性能也不斷提升。當GO/PDDA多層膜自組裝層數達到15時,改性棉織物的電磁屏蔽效能達到3.16 d B,試驗結果表明,經石墨烯/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 結語

石墨烯紡織品已經初步開發出具有遠紅外發射、防靜電、抗紫外、抗菌和電熱效應等性能,是一種集多種功能于一身的新型材料,將其應用于家紡面料的開發,符合當代國內人民日益增長的健康消費需求。