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一文看懂大火的石墨烯複合纖維及紡織品

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的隻有一層原子厚度的二維晶體。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在。石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,被稱為“新材料之王”。作為具優異性能和獨特結構的新型碳材料—石墨烯在衆多科學領域的被廣泛關注和應用。近幾年,石墨烯在紡織領域得到較為廣泛的應用,逐漸成為紡織纖維領域的研究熱點,特别是功能性紡織品的研究中也得到了諸多應用。本文主要介紹了新型石墨烯複合纖維與石墨烯紡織品的制備方法,石墨烯紡織品的性能及其發展趨勢。

1、石墨烯複合纖維和石墨烯織物的制備方法

目前石墨烯複合纖維有兩種常用的方法:原位聚合和物理共混。石墨烯織物根據紡絲方法的不同分為熔融紡絲法、溶液紡絲法、靜電紡絲法等多種方法。

石墨烯紡織品在導電、防輻射、防紫外、遠紅外、特電磁屏蔽等領域有巨大的應用前景。目前,石墨烯紡織品的制備方法主要包括直接制備法和後整理法。曲麗君課題組對石墨烯織物的制備方法做了系統地綜述,主要介紹了直接浸軋法、噴塗法、複配液整理法、交聯改性法、紫外光固化法等。各種制備方法之間存在很大的差異,整理效果也是各不相同。

直接浸軋法不僅整理效果較好,對織物損傷也較小,而且操作方法簡單,适用于批量較大的的工業化生産。噴塗法比直接浸軋法簡單易行,操作簡便,原材料用量明顯減少,大大降低了生産成本,因此,在新型紡織産品研發中有比較廣泛的應用。

複配液整理法是指将含有石墨烯的紡織整理液,通過物理或化學的方法對紡織品進行整理,得到功能性紡織品,如何制備得到分散性和穩定性良好的石墨烯複配液,保證石墨烯和有機物基體之間的相容性是此方法的關鍵。

交聯劑改性處理是利用氧化石墨烯的架橋作用,與其他線型分子通過化學鍵合交聯成網狀物質,促進大分子官能基團之間的結合,賦予面料新的功能,此法操作簡單,氧化石墨烯用量較少,适用于大規模工業化生産。

紫外光固化法是織物表面的氧化石墨烯在紫外光照射下發生輻射聚合、輻射交聯和輻射接枝等一系列反應,然後通過紫外光的固化還原作用,使其完全還原,得到石墨烯改性織物,這個方法操作簡單,高效,低溫,反應快,并且整理過程無還原劑和化學助劑,低碳環保,具有較好的應用前景。随着對石墨烯材料在紡織品整理領域研究的深入,新的改性方法不斷湧現,層層自組裝法、電泳沉積法、原位化學聚合法、染色法、CMOS法等方法也逐漸被報道。

靖江墨烯科技有限公司在現有的研發基礎上,疑結提出微納兩級聯合制備法,賦予材料獨特的微納米階層結構并将使石墨烯功能材料的性能最優化。

2、石墨烯織物的優異性能

近年來,随着對石墨烯不斷的深入研究,石墨烯在紡織領域也獲得到了廣泛的研究應用,特别是在功能紡織品研究方面展現出勃勃生機,其導熱性、抗菌性、導電性、遠紅外性能、防紫外性能及電磁屏蔽性能得到廣泛認可,各種功能性紡織品也不斷湧現在消費者面前。

2.1 導熱性能

石墨烯具有極高導熱系,近年來被提倡用于散熱等方面,單層石墨烯的導熱系數可達5300W/mK,甚至有研究表明其導熱系數高達6600W/mK。與純石墨烯相比,氧石墨烯的導熱導率相對較低(0.14~2.87W/mK),其導熱系數與氧化石墨被氧化程度密切相關。ABBAS等人采用石墨烯的樹脂溶分散液作為整理劑,對織物進行整理,結果表明,石墨烯/樹脂溶液對織物傳熱性能較碳納米管/納米氮化硼樹脂溶液有改善的明顯,能夠大幅度提高織物的導熱系數。曲麗君課題組以聚乙烯醇為分散液,通過氫鍵層層自組裝方法将氧化石墨烯整理到棉織物上,對其進行表面改性,經石墨烯改性處理後,棉織物的導熱系數明顯提高,并且,随着石墨烯/聚乙烯醇整理次數的增加,棉織物的導熱系數也不斷增大,導熱性能不斷提升。

2.2 抗菌性

石墨烯、氧化石墨烯具有優異的抗菌性能,以其作為整理劑對面積進行整理,即可得到抗菌織物。石墨烯基本沒有細胞毒性,相對于傳統的抗菌整理劑,因此石墨烯更适合與人體皮膚直接接觸。但是,由于石墨烯和氧化石墨烯獨特的結構,與紡織品之間缺乏親和力,因此很難通過傳統方法将石墨烯及其氧化物處理到紡織品上。氧化石墨烯抗菌棉織物目前的制備方法主要有輻射引發交聯、直接吸附、化學交聯三種不同的方法,通過這三種方法制備的氧化石墨烯抗菌織物的抗菌率均大于98%,并且具有較高耐水洗性。

2.3 導電性

石墨烯結構非常穩定,迄今為止,研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌,當施加外部機械力時,碳原子面就彎曲變形,從而使碳原子不必重新排列來适應外力,也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯的這種優良的導電性能應用到紡織品上得到優異的抗靜電或者導電織物。例如将滌綸織物浸泡于氧化石墨烯的溶液中,經還原後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。孟娜等人利用石墨烯完美的大π鍵共轭體系及其單層原子厚度的優異結構,以層層自組裝的方法制備了石墨烯改性粘膠織物,随着石墨烯在粘膠織物表面自組裝層數的不斷增加,織物的電阻值逐漸減小,當石墨烯自組裝層數達到12層時,石墨烯改性粘膠織物的電阻值趨于穩定,其電學性能達到最佳狀态。

2.5 防紫外線性能

曲麗君課題組對石墨烯整理棉織物的防紫外線性能做了深入研究。他們采用複配液整理法(石墨烯/聚氨酯水溶性複配液)對棉織物進行改性整理,采用水溶性聚氨酯為黏合劑,通過傳統的軋-烘-焙工藝,對棉織物表面進行改性整理。曲麗君課題組利用氧化石墨烯和殼聚糖分子間靜電作用力采用,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值均達到國家标準要求。

2.6 電磁屏蔽性能

石墨烯改性織物的電磁屏蔽性能也逐漸成為紡織領域的研究熱點。張松林等人改進了Hummers方法制備氧化石墨烯的工藝,并采用浸蘸式層層組裝整理工藝直接在棉織物表面制備氧化石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化铵鹽酸鹽(GO/PDDA)多層整理膜,經測試,随着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3.16dB,試驗結果表明,經石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化铵鹽酸鹽改性處理的棉織物能夠屏蔽52%的電磁波。

3、展望

本文綜述了石墨烯複合纖維與石墨烯織物的制備方法,概括了石墨烯改性織物的優異性能。綜上所述,石墨烯的加入為織物賦予了優異的性能,開辟了其在紡織領域的應用。

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