石墨烯復合纖維及其功能性紡織品性能研究*

黃曉茵

泉州紡織服裝職業學院，福建 泉州 362700

石墨烯是一種具有單原子厚度的二維層狀材料，通過sp2雜化的碳原子形成的六元環在平面上有序排列而成，是目前已知的最薄材料[1]。石墨烯具有完美的大π共軛體系，從結構上可以認為石墨烯是零位富勒烯（包覆）、一維碳納米管（卷曲）和三維石墨（堆垛）的基本組成單元[2]。獨特的結構賦予石墨烯極大的比表面積和優異的理化性能，從而成為諸多領域的前沿研究熱點[3]。據報道，石墨烯材料近年來在能源、催化、分離、環境以及生物醫藥等方面獲得了廣泛的研究和應用[4-8]。

功能性紡織品是一類擁有一種或多種性能的紡織品材料，包括導電織物、儲電織物、保暖織物、導熱織物、阻燃織物、抗菌織物、遠紅外發射織物、紫外線防護織物等[9-10]。憑借出色的電學、熱學、力學和光學性能，石墨烯材料在功能性紡織品領域的應用備受關注[11-12]。中國中央電視臺曾在2017年春晚的哈爾濱會場特別展示了石墨烯新材料保暖衣。科學家指出，未來石墨烯功能性紡織品將全面改變和應用于民眾的生活。

再生纖維素是紡織品的傳統材料，將石墨烯和溶解的再生纖維素進行復合制備石墨烯纖維素復合纖維，具有優異的導電、導熱和機械性能，顯著提升了再生纖維素的各方面性能，使得石墨烯復合纖維在功能性紡織品領域具有廣闊的應用前景。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

再生纖維素固體漿粕，石墨烯固體漿料（質量分數為10%），無水氯化鋰（LiCl，分析純），N,N-二甲基乙酰胺（DMAC，分析純），去離子水。

1.2 實驗步驟

稱取再生纖維素固體6組（每組3g）于160mL DMAC中，然后分別稱取6g LiCl加入攪拌。轉移至反應釜中靜置于烘箱，在160℃下加熱3h。

稱取石墨烯固體漿料于上述體系，使得石墨烯占復合纖維質量百分比分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%，對獲得的石墨烯和再生纖維素進行靜電紡絲并制備功能性紡織品。

1.3 實驗方法

采用Tecnai G2F20 S-TWIN透射電子顯微鏡觀察石墨烯微觀結構，采用S-3700N型掃描電子顯微鏡表征石墨烯復合纖維形貌。利用RFS100型拉曼光譜儀和ESCALAB 200R型X射線光電子能譜儀進行組分復合纖維表征。采用TEADFS-100型靜電紡絲儀得制備石墨烯復合纖維。實驗中得到的紡織品切成長寬為2.0cm×0.5cm的樣品，測試溫度為15℃，濕度為70%。采用LLY－06型電子單纖維強力儀測試試驗樣品的機械性能，測量10次計算平均值。利用電子萬用表（UNIT UT33D）對試驗樣品進行測試導電性，通過下面的公式求取電導率：

式中：σ為電導率，S/cm；R為試驗樣品的電阻，Ω；D為試驗樣品的厚度，cm。

采用KESF-TL-2C熱性測試儀對試驗樣品進行導熱性能分析。結合下列公式求得導熱系數：

式中：k為導熱系數，W/（cm?℃）；W為熱性測試儀器的示數；A為加熱板的面積，cm2。

2 結果與討論

2.1 復合纖維的微觀形貌

石墨烯材料的透射電子顯微鏡照片如圖1所示。石墨烯納米片比較大，尺寸處于微米級別，而且片層比較薄，層數少，具有良好的導電、導熱和力學性能。

圖1 石墨烯的透射電鏡照片

采用靜電紡絲技術制備石墨烯和再生纖維素的復合纖維，如圖2所示。對石墨烯復合纖維的直徑進行統計，如圖3所示，直徑主要分布在100～250nm，大多數為200nm。通過掃描電子顯微鏡來觀察其形貌結構，如圖4所示。從圖4可以看出，所制備的石墨烯復合纖維非常均勻，相互交錯，能提高相互作用力，進而增加力學性能，在纖維的表面可以看到一些石墨烯片。

圖2 靜電紡絲制備石墨烯復合纖維的示意圖

圖3 20kV下8%-石墨烯復合纖維的直徑分布

圖4 8%-石墨烯復合纖維的掃描電鏡照片

2.2 復合纖維的結構表征

再生纖維素及8%-石墨烯/再生纖維素復合纖維的拉曼光譜如圖5所示。兩條曲線均展示了明顯的D峰（1360cm-1）和G峰（1590cm-1），這是碳材料拉曼譜圖的典型特征信號。通常而言，D峰和G峰的強度比例（ID/IG）可以用來說明碳材料的質量[13]。計算結果表明，石墨烯復合纖維素的ID/IG數值為1.03，低于再生纖維素（1.16），表明經過石墨烯的引入使得復合纖維的缺陷減少，這能夠提升整體電學和熱學性能。X射線光電子能譜可以用來獲得樣品具體元素更精確的結構信息，8%-石墨烯/再生纖維素復合纖維的C 1s譜圖，如圖6所示。可以觀察到C的成鍵形式（包括-O-C=O，-C=O，-C-O，-C-C/C=C等），主要源于石墨烯和再生纖維素自身基團以及兩者相互作用的基團。

圖5 8%-石墨烯復合纖維和再生纖維素的拉曼光譜圖

圖6 8%-石墨烯復合纖維和再生纖維素的X射線光電子能譜圖（C 1s）

2.3 功能性紡織品的導電性能分析

為探究復合纖維中石墨烯的含量對所得功能性紡織品的電學性能影響，對不同石墨烯含量（0%～10%）的樣品進行測試獲得電導率信息，如圖7所示。從圖7可以發現，當沒有添加石墨烯時，僅由再生纖維素制備的紡織品電導率幾乎為零，使導電性受到很大限制。隨著石墨烯含量的增加，復合纖維得到的紡織品電導率顯著上升。當石墨烯的含量達到8%時，電導率為0.34S/cm。優異的導電性能讓該石墨烯復合纖維在今后的功能性紡織品領域得到極大的應用。

圖7 不同石墨烯含量功能性紡織品的電導率

2.4 功能性紡織品的導熱性能分析

導熱性是評價功能性紡織品性能的另一個重要因素。對不同復合纖維制備而成的紡織品進行熱學測試，探討不同含量的石墨烯與織物導熱性能之間的關系，計算得到的導熱系數如圖8所示。當沒有加入石墨烯時，織物的導熱系數僅有0.002W/（cm?℃）；在逐漸增加體系的石墨烯含量之后，導熱系數不斷增加，說明石墨烯能很好地提高紡織品的散熱速率，這也表明了石墨烯/再生纖維素復合纖維優異的導熱性。

圖8 不同石墨烯含量功能性紡織品的導熱系數

2.5 功能性紡織品的機械性能分析

不同石墨烯/再生纖維素復合纖維制備的功能性紡織品斷裂強力與石墨烯含量的變化圖如圖9所示。可以看出，隨著石墨烯含量的提升，紡織品斷裂強度呈現增強的趨勢。當復合纖維中石墨烯的質量分數達8%時，紡織品的斷裂強力為3.3cN/dtex，相比不含石墨烯的樣品，提高了65%。這主要得益于石墨烯上的含氧基團與再生纖維素分子之間存在很強的范德華力和氫鍵，而且在一定范圍內，作用力會隨著石墨烯含量的提高而不斷增強，當質量分數由8%增加到10%時，紡織品的斷裂強度趨于穩定。此外，基于復合纖維的紡織品的斷裂伸長率會隨著石墨烯質量分數的增加而逐漸降低，如圖10所示。這是因為紡織品的韌性和石墨烯百分含量成反比，韌性的降低會導致織物的斷裂伸長率下降[14]。

圖9 不同石墨烯含量功能性紡織品的斷裂強力

圖10 不同石墨烯含量功能性紡織品的斷裂伸長率

3 總結與展望

文章制備和表征了石墨烯與再生纖維素復合纖維，探究了石墨烯的含量對復合纖維功能性紡織品性能的影響。研究測試結果表明，在一定范圍內，隨著石墨烯含量的增加，復合纖維的導電、導熱和機械性能明顯提升，最終趨于穩定。由此可見，石墨烯基復合纖維在功能性紡織品領域具有廣闊的應用前景。當前，國內外關于石墨烯的研究正處于火熱時期，但石墨烯在功能性紡織品中的研究尚處于起步階段，距離真正的產業化應用還有很長的路要走。相信經過廣大研究工作者不懈的努力，石墨烯復合纖維的制備和生產工藝可以在不久的將來實現低成本化和成熟化，石墨烯基功能性紡織品也將走進并改變人們的生活。