石墨烯在滌棉工裝面料中的應用

楚云榮，武云慶

（華紡股份有限公司技術中心，山東濱州 256617）

在科技引領未來，自主創新開創未來的時代，紡織行業迎來新的變革，石墨烯改性滌棉工裝面料是針對抗菌性能研發的新型保健工裝面料，適應時代發展、順應新冠肺炎疫情的需求，主要用于醫護面料、學生服等。石墨烯材料具有優越的抗菌功能，在紡織領域的應用具有很廣闊的空間。采用石墨烯材料通過熔融紡絲制成石墨烯改性滌綸長絲，再經過纖維切割制成需要的短纖使其具有石墨烯的功能。開發的石墨烯改性滌棉工裝面料具有多種功能：遠紅外功能、抑菌功能、抗靜電功能等［1］。缺點是石墨烯改性滌綸為黑色，無法實現靚麗顏色的染色，受其局限性，只能對部分顏色面料進行開發。

石墨烯材料是從碳材料中剝離出來、由碳原子組成的，具有光、電、磁、機械等物理性能和化學性質。生物質石墨烯是將植物秸稈中的半纖維素、木質素、纖維素進行分離、純化而制得［2］。以植物秸稈為原料，用基團配位組裝析碳原理制造石墨烯，然后與滌綸以不同比例進行混紡，設計不同效果的石墨烯服裝面料。

滌綸纖維的相對分子質量一般為1.5 萬～3.0 萬，優點是機械強度高、軟化點高、耐熱，具有自潤滑性、吸震性和消音性，耐油、耐弱酸、耐一般溶劑，電絕緣性好，有自熄性，無毒、無臭，耐候性好；缺點是染色性差。滌綸纖維增強可降低樹脂吸水率，使其能在高溫、高濕下工作。棉纖維的優點是吸濕性強，耐堿、保溫、透氣性好等；缺點是縮水率較大，為4%～10%，耐光性、耐熱性一般，不耐酸，微生物對棉織物有破壞作用，不耐霉菌。結合滌棉的優點和石墨烯的功能，本實驗設計石墨烯改性滌綸棉梭織面料。

1 實驗

1.1 材料及儀器

織物：石墨烯改性滌綸65/棉35 13 tex，密度530×283，織法2/1，幅寬160 cm。

染料：分散黑S-3BL 100%、分散深藍HGL 200%、分散紅玉S-5BL 100%；活性黑ED 200%、活性紅SBE 100%。

助劑：燒堿（NaOH），退漿劑，雙氧水（H2O2），雙氧水穩定劑，氧漂劑，分散螯合劑，氯化鈉（NaCl），碳酸氫鈉（NaHCO3），防染鹽S，防沾皂洗劑DL-106。

儀 器：2200 燒 毛 機，LMH023-0000R 退 漿 機，JFC-200R 定形機，LMH232 絲光機，LMH424-1600 打底機，MH688B 焙烘機，LMH647-160 還原皂洗機，LMA432A-200 拉 幅 機，LMH442A-220 預 縮 機，SF600PLUS-CT 電腦測色配色儀，Y571B 型摩擦牢度測試儀，SW-12A 耐洗色牢度實驗機。

1.2 工藝流程

石墨烯改性滌棉梭織物→翻縫→燒毛→退漿氧漂→定形→絲光→打底機→焙烘→還原皂洗→拉幅→預縮。

1.3 前處理工藝配方及條件

燒毛工藝：燒毛方式（一正一反），火口溫度高于900 ℃，風壓0.18～0.2 MPa。

煮練工藝：燒堿（100%）18～25 g/L，退漿劑6 g/L，分散螯合劑2 g/L，煮練溫度102 ℃，履帶堆置時間50 min。

氧漂工藝：燒堿（100%）3～4 g/L，雙氧水（100%）8～9 g/L，雙氧水穩定劑8～9 g/L，氧漂劑6 g/L，分散螯合劑2 g/L，氧漂溫度95 ℃，履帶堆置時間40 min。

定形工藝：定形溫度210 ℃，定形時間20～30 s，定形落布幅寬167 cm。

絲光工藝：燒堿（100%）210～220 g/L，絲光時間50～60 s，絲光落布幅寬160 cm。

石墨烯改性滌棉面料與非石墨烯改性滌棉面料半成品指標對比如表1 所示。由表1 可以看出，石墨烯改性滌棉面料金黃色葡萄球菌的抑菌率達到99%（行業標準為80%），大腸桿菌的抑菌率達到99%（行業標準為70%），白色念珠菌的抑菌率達到96%（行業標準為60%）；而非石墨烯改性滌棉的抑菌率為0%，不具有抑菌性。石墨烯與氧化石墨烯利用其鋒利的片層邊緣對細菌造成物理損傷，提取細胞膜中的磷脂從而破壞細胞膜的完整性，最終會導致細胞質的流出。氧化應激也是一種作用機制，石墨烯及其衍生物會生成活性氧簇從而誘發氧化應激反應，或者石墨烯通過氧化細胞結構或成分從而破壞微生物活性［3］。這是研究石墨烯改性滌棉工裝面料的前提條件，其他指標符合染色需求。

表1 石墨烯改性滌棉面料與非石墨烯改性滌棉面料半成品的對比

1.4 染色工藝

分散黑S-3BL 100% 25.0 g/L，分散深藍HGL 200% 3.5 g/L，分散紅玉S-5BL 100% 1.5 g/L；活性黑ED 200% 17.0 g/L，活性紅SBE 100% 0.6 g/L；防泳移劑10.0 g/L，防染鹽S 1.0 g/L，氯化鈉（NaCl）200.0 g/L，碳酸氫鈉（NaHCO3）20.0 g/L，防沾皂洗劑DL-106 10.0 g/L。

打底機工藝：軋余率45%～60%，烘干溫度70～150 ℃。

焙烘機工藝：溫度205 ℃，時間90 s。

還原皂洗機工藝：蒸箱溫度102 ℃，汽蒸時間90 s。

由表2 可以看出，石墨烯改性滌棉面料的抑菌率為98%，非石墨烯改性滌棉面料的抑菌率為0%，不具有抑菌性，比半成品低1 個百分點，符合行業標準的抗菌指標要求，其他指標沒有明顯區別。

表2 石墨烯改性滌棉面料與非石墨烯改性滌棉面料染色后的指標對比

續表2

1.5 后整理工藝

柔軟劑16 g/L，溫度120～130 ℃，交聯時間30 s，落布幅寬163 cm。

1.6 預縮工藝

縮率3%，預縮溫度120 ℃，成品幅寬148 cm。染色成品指標見表3。

2 工藝流程數據分析

石墨烯改性滌棉面料在前處理工藝中，原料測試數據與經過燒堿、雙氧水處理后數據變化小。

石墨烯改性滌棉面料在染色過程中與染料、固色液及后整理助劑發生反應，成品的抑菌率比半成品降低1個百分點。

檢驗依據為GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價第3 部分：振蕩法》。石墨烯功能化后抑菌率的檢測結果見表4。

表4 石墨烯改性滌棉面料的抑菌率性能

由表4 可以看出，石墨烯改性滌棉面料開發的印染加工設定工藝流程正常。

根據GB/T 30127—2013《紡織品 遠紅外性能的檢測和評價》進行測試，石墨烯遠紅外發射率為0.85，遠紅外輻照溫升為1.6 ℃［4］。綜上所述，石墨烯改性滌棉面料具有遠紅外功能、抑菌功能。

3 結論

（1）石墨烯改性滌綸纖維與棉纖維混紡后，面料具有抗菌功能，成品檢驗報告顯示：3 項主要抗菌項目檢測中，金黃色葡萄球菌的抑菌率達到99%（行業標準為80%），大腸桿菌的抑菌率達到99%（行業標準為70%），白色念珠菌的抑菌率達到96%（行業標準為60%）。（2）滌綸纖維加入石墨烯后，遠紅外輻照溫升為1.6 ℃，提高了面料的遠紅外功能。（3）由于石墨烯經過炭化，石墨烯梭織纖維顏色是黑色，在開發中，留白灰、藏青、黑色、深灰色得到應用，在淺色及漂白產品中受到限制。石墨烯為黑色，滌綸纖維添加石墨烯后也是黑色，因此在加工淺色及漂白色時，受到石墨烯改性滌綸纖維的影響，造成顏色具有局限性。