神奇的石墨烯服装

2017-09-07冯宪编辑丙丁

科学生活 2017年8期

关键词：石墨服装材料

文/冯宪编辑/丙丁

神奇的石墨烯服装

文/冯宪编辑/丙丁

冯宪

高级工程师，上海市科普作家协会会员，原上海市服装研究所总工程师，现任上海市纺织工程学会学术部、科普部副部长。

今年央视春晚有一款神奇的高科技服装精彩亮相。当时，在哈尔滨分会场零下三十几度的露天滑冰表演场地上，一群身穿能够显现人体健美线条的轻薄型连体服装的演员，在音乐伴奏和灯光衬映下翩翩起舞，取得了韵律十足、美不胜收的表演效果，颇夺人眼球。这款表演服装便是采用石墨烯材料制成的，利用其外观轻薄的特点和具有快速充电释放热量且蓄积热能功能的突出优势，很好地产生了抗寒保暖，呵护人体的作用，适应演出需要和确保演出质量的目的。据研发该产品的智烯科技公司总经理李思幸介绍，这款特殊的服装能在30秒内快速升温到40℃左右，恒温时间可持续3至5个小时，具有高效保暖效果以及轻巧、便捷的特点。这款石墨烯服装成为今年央视春晚哈尔滨高寒演出场地保护演员体温健康和提高演出质量的高科技秘密武器。

石墨烯结构图

表演现场

石墨烯最初来源于石墨。石墨属于晶态单质的碳化合矿物质，是由有机成因的碳物质在高温下发生质量变化而形成的。它常见于大理岩、片岩或片麻岩中，煤层经热质变作用也可部分形成石墨。另外，少量石墨还是火成岩的原生矿物质。石墨在重化工、轻工及国防、原子能等各领域的生产中用途很广，是制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料，还可用于制作耐火材料、导电材料、耐磨润滑材料、隔热材料、防射线材料和防腐防锈除垢材料。同时，它还是一种环保型蓄能材料，美国已用它生产汽车电池。石墨烯是由一层层的石墨叠加而成的，厚度为1毫米的石墨大约包含了300万层的石墨烯，用石墨制成的铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹中就有数层石墨烯。石墨烯有单层、双层和多层之分，均具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度仅为一个原子层，是目前世界上已知最薄的纳米材料，20万片石墨烯薄膜叠加在一起，厚度仅与一根头发丝相仿。石墨烯还具有快速传导功能，电子传递速度比任何已知导体都快，导热性是铜的13倍，导电性是铜的100万倍。

石墨烯这种材料的发现及应用时间并不长。2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃肖洛夫，在实验中通过不断对鳞片状石墨进行提炼和分离，首次得到了一种只有一层碳原子结构，形态极薄的新物质，即石墨烯。在随后的三年内，两位科学家在单层和双层石墨烯体系中又分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们因此获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。至此，石墨烯这种属于纳米级别的新材料开始受到相关业界的关注。作为一种二维碳纳米材料，石墨烯具有优异的力学性质和刚性结构，其硬度比最坚韧的钢铁还要强100倍，甚至超过了钻石。另外，石墨烯几乎是完全透明的，能够吸收仅为2.3%的光。在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜（一种半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性）相当，在其他波段，四层石墨烯的透过率还远远高于ITO薄膜。由于具有优良的导电性、高强度、透明度以及柔韧性，作为一种纳米新材料，石墨烯在相关领域有着十分广阔的应用前景，被誉为可引起革命性改变的“超级材料”。最新研究发现，石墨烯还能从其他一些含有碳元素的物质中提取，如我国发明了从玉米秸秆及玉米芯中提炼石墨烯的技术，澳大利亚也研发了从茶树中提取石墨烯的方法。于是，就有了生物质石墨烯的提法。

军用石墨烯服装

石墨烯胚布

我国在石墨烯研究上具有独特的优势。从资源角度分析，作为石墨烯主要生产原料的石墨，在我国储量丰富。另外，我国已经成功解决石墨烯批量化生产和大尺寸生产这两大难题，突破了石墨烯材料量产的阻碍，且制造成本已从原来的5000元人民币/克降至3元人民币/克。国内已能利用化学气相沉积法（CVD）成功制造出了首片15英寸的单层石墨烯，并能够将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。2014年3月20日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛课题组与清华大学和中科院金属研究所相关团队合作，成功研制出高导热石墨烯/碳纤维柔性复合薄膜。2015年3月2日，全球首批3万部石墨烯手机在重庆发布，该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜。

在纺织服装行业，我国山东济南圣泉集团于8年前便开始和国内外众多院校合作研究“生物质石墨烯功能纤维及其在纺织领域中运用”课题。

商务石墨烯服装

2014年，该集团联合黑龙江大学成功利用基团配位组装法研制出生物质石墨烯提炼工艺，实现了关键技术突破，科研人员从玉米的秸秆和芯中创造性地制备了生物质石墨烯和玉米芯纤维，同时还将两者复合加工，研发出一种内暖纤维并实现了批量化生产。这种全新的内暖型多功能复合纤维，除具有一般纤维的常规属性之外，还具有防紫外线、抗菌抑菌等特性，除了适用于服装产品之外，还可以应用于车辆内饰、美容医疗卫材、摩擦材料、过滤材料等生产领域。2015年在青岛举行的中国国际石墨烯创新大会上，石墨烯发现者、诺贝尔物理学奖得主安德烈·杰姆教授对这一成果评价颇高，英国曼彻斯特国家石墨烯研究院的科学家还当场购买了这种生物质石墨烯内衣产品，声称要回去和同事们分享。

其实，发热保暖只是石墨烯材料多项出众性能中的一项，随着对石墨烯技术认识的不断深入和开发力度的不断加大，从“新材料”视角出发分析其在纺织服装行业的应用前景，不仅能够进一步拓展纺织服装产品的功能，甚至还可能会带来革命性的变化。比如，可以利用石墨烯材料导电性能强和具有蓄能传导的性能，在完善可穿戴技术方面发挥作用，开发具有耐久性蓄电导电功能的智能化服装，使服装自身真正具备蓄电供电功能，方便与各种随身携带的耗电型设备对接，提高这些设备的续航能力。再如，利用石墨烯材料可随环境温度变化发生形变的特性，可开发袖子或裙摆能自动伸缩变形、可长可短的服装，方便日常穿着；利用石墨烯材料的防紫外线、抗菌抑菌、耐热和阻燃性能等特性，开发各类防护服装；利用石墨烯材料轻薄、蓄热特点，开发更加轻薄、合体的冬季服装等。而且，作为以有机矿物质为主要原料来源的石墨烯材料，在规避有害化学、减少重金属、农药侵害方面也具有独特优势，可以开发出更多的绿色、安全的纺织服装用品，进一步满足市场新需求。