石墨烯復合纖維防電磁輻射性能初步研究

張麗娟

（唐山學院 時尚設計系，河北 唐山 064000）

1 石墨烯材料的特性及其在紡織領域的應用現狀

石墨烯材料具有優異的力學性能，硬度、強度高且彈性模量較大；具有優良的光學特性，透明度高而且穩定性好；具有優異的導電性；具有優良的抗菌抑菌作用；是理想的儲能材料。此外，石墨烯產品還有防紫外線、防電磁輻射和防靜電作用，其薄膜還具有保暖和遮蓋功能。石墨烯復合纖維顛覆了傳統纖維單一功能的局限性，體現出集多種功能于一身的高性能纖維的跨越發展，實現了從高端到功能，再到智能纖維和紡織品的華麗轉變[1-4]。

我國已把石墨烯作為重要的戰略材料列入國家“十三五”規劃。據調研，紹興標點紡織科技有限公司成功研發出石墨烯纖維制成的紡織面料，該產品具有低溫遠紅外線保暖、防靜電、導熱性能高、抗菌抑菌等多種特性，保暖性比純棉、駝絨、羊毛等更好。2016年下半年，又成功研發了石墨烯紗線，并織成了石墨烯運動休閑面料、石墨烯復合彈力無紡絮片布、石墨烯保暖拉毛面料等。

中國工程院院士姚穆等專家認為，高內暖纖維具有抗菌抑菌、低溫遠紅外、祛濕透氣等優異性能，被人們稱為“劃時代的革命纖維”[1-2]。

圣泉集團制備的石墨烯材料短纖或長絲可與多種常規紡織短纖或長絲混紡或者混織，從而制備多種紡織材料。2016年3月，該公司的“內暖”品牌產品入選中國纖維流行趨勢2016/2017產品類別的“功能親膚纖維”。

SHATERI-KHALILABAD M等也采用還原氧化石墨烯的方法獲得還原的石墨烯改性棉織物，經測試，改性后的棉織物不僅具有優異的導電性能，織物的疏水性能也非常顯著。

李斌斌等采用噴涂法將石墨烯涂覆到碳纖維織物上，獲得具有優異導電性和導熱性的多功能織物。該織物的優異導電性能用于雷電的傳導和消耗，有利于提高抗雷擊性能。

ZHAO J M采用輻射交聯法、化學交聯法和直接吸附法3種不同的方法分別制備了氧化石墨烯抗菌棉織物。結果表明，3種氧化石墨烯抗菌織物的抗菌率均大于98%，且耐水洗性良好，經過100次水洗測試后，抗菌率仍保持在90%以上。

青島大學曲麗君課題組研究了石墨烯防紫外線功能織物，他們通過優化石墨烯與聚氨酯的添加比例制備了最優石墨烯/聚氨酯水溶性復配液，并用此復配液對棉織物進行改性整理獲得防紫外線織物。該織物石墨烯質量分數僅為0.4% ，使紫外線防護系數 UPF值高達356。該課題組隨后還報道了具有遠紅外發射、導電、防紫外線等多功能的石墨烯織物。

陜西科技大學呂生華等對氧化石墨烯進行氨基化改性并用其對絲織物進行改性處理，得到具有阻燃功能的石墨烯織物。黃國波等報道了氧化石墨烯復合阻燃織物，為減少傳統阻燃劑的使用量，他們利用氧化石墨烯的協同阻燃作用，將氧化石墨烯與傳統阻燃劑復合制備了復合織物涂層。

YAGHOUBIDOUST F等通過原位聚合法制備了氧化石墨烯/聚吡咯改性棉織物。結果表明，該織物具有優異的儲電性能，在電荷存儲領域有良好的應用前景。

經國內外文獻資料調研，石墨烯材料具有多種功能，而真正對其防電磁輻射功能的研究只有關于石墨烯改性織物的電磁屏蔽性能。張松林等制備了氧化石墨稀/聚二甲基二烯丙基氯化銨鹽酸鹽（GO/PDDA）多層整理模織物，其屏蔽效能隨著模沉積層數的增加而提高，經GO/PDDA改性處理的棉織物能屏蔽52%的電磁波。目前，國內外對于石墨烯復合纖維防電磁輻射性能的研究尚為空白，這也證實了本項目進行的必要性和重要性[5]。

2 石墨烯復合纖維織物仿真模型

本研究模仿功能紗線在機織物中經緯向的排列狀態，考慮到織物仿真模型最大限度地提高屏蔽效能，有較好的屏蔽效果，建立了雙向垂直交叉排列而且交點相接的織物仿真基礎模型。通過改變石墨烯復合纖維結構，改變純石墨烯復合纖維的排列密度來建立多種對比織物仿真模型，以便更好地指導研發具有不同屏蔽效能的石墨烯復合纖維電磁輻射防護織物。該模型設計如圖1所示。

圖1 雙向垂直交叉交點相接模型

3 織物仿真模型測試

根據本研究建立的織物仿真模型，構建了70 D石墨烯錦綸復合長絲不同排列密度的單根雙向垂直交叉交點相接織物仿真模型，如表1所示。課題組應用研發的新型防電磁輻射性能測試儀，在30～2 430 Hz輻射頻率下對6種不同網格對角線長度的織物仿真模型進行了屏蔽效能測試，不同頻率下的屏蔽效能如圖2所示。

表1 單根雙向垂直交叉交點相接試樣規格

圖2 單根雙向垂直交叉交點相接試樣屏蔽效能

經方差分析得出：當a=0.05時，F=171.8大于Fcrit0.05=0.12，所以，功能紗線網格對角線長度對織物仿真模型的屏蔽效能有顯著影響。項目驗證了在相同頻率下，石墨烯復合長絲網格大小不同，其屏蔽效能不同。當網絡格對角線增大時，其織物仿真模型的屏蔽效能隨之減小。但測試數據顯示，該石墨烯復合纖維由于含量不高導致屏蔽效能不太理想。

4 測試結果分析

評價防電磁輻射織物的屏蔽性能是在特定頻率下進行的，美國MEL8296A規定了電磁波頻率為0.2～10 kHz、功率密度為200 w/cm2環境中，遠場區工作人員應用的防護材料的屏蔽效能必須至少達到20 dB，一般基本掌握在20～40 dB。我國相關屏蔽材料的屏蔽效果評價和應用環境要求為：部分家用電器環境下屏蔽材料的屏蔽下限在10～30 dB，工業和商業用電子設備環境下屏蔽材料屏蔽效能平均值在30～60 dB。日常生活較為常見的輻射頻率在30～2 430 Hz下，6種織物仿真模型屏蔽效能均在10 dB以下，需要改變材料的石墨烯含量或調整仿真模型試樣。