石墨烯改性纤维的研究现状

刘优昌

(青岛市纤维纺织品监督检验研究院，山东 青岛 266061)

石墨烯改性纤维的研究现状

刘优昌

(青岛市纤维纺织品监督检验研究院，山东青岛266061)

文章通过综述和分析石墨烯改性纤维目前的研究方向和取得的成果，发现石墨烯改性纤维拥有导电、导热、热稳定性好等多种特性，现阶段研究主要针对常规纤维领域，而对异型纤维、高性能纤维等特种纤维涉及较少，指出加强科研院所、高校和企业之间的合作，是石墨稀改性纤维进一步发展的重要保证。

石墨烯；改性纤维；发展趋势

石墨烯是由单层碳原子通过共价键连接的二维蜂窝状晶体，于2004年由Geim等人发现[1-2]。其具有完美的大π共轭体系和最薄的单层原子厚度结构(约为0.334 nm)，基本结构如图1所示[3]。特殊的结构赋予石墨烯极其优异的物理和化学特性，如独特的光电学性能、超强的电子传导性、极大的比表面积、透光率接近97.7%等[4]。目前石墨烯的主要制备方法有：微机械剥离法[1]、氧化还原法[5]、化学气象沉积法[6]等。

图1 石墨烯基本结构示意图[3]

石墨烯作为一种优秀的新型材料，在各个领域引发了研究热潮，如能源、光电、复合材料、水处理、生物医药等[7]。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，含有大量含氧基团，不仅具有较好的润湿性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插层后剥离，在改善材料的热学、电学、力学等性能方面有非常重要的作用[8]。在不断寻求创新的纺织纤维领域，石墨烯的出现，为其进一步发展提供了新的动力。石墨烯可提高纤维的物理机械性能，赋予其导电性、导热性和紫外线防护功能等。石墨烯改性纤维的研究是目前纺织纤维领域的热点。

1 石墨烯改性纤维的制备与性能

1.1石墨烯/纤维素纤维

纤维素纤维是常见的纺织原材料，主要包括粘胶纤维、莫代尔纤维、莱赛尔纤维等，其易染色、吸湿透气、柔软舒适，受到消费者的青睐。石墨烯/纤维素复合纤维就是把石墨烯混入纤维素纤维纺丝溶液中，使其分散均匀，再经粉碎、精细研磨、黄化、溶解、混合、过滤、脱泡等工序纺丝得到。李昌垒等[9]制备了石墨烯/再生纤维素复合纤维，研究了它的微观形态、防紫外线性能和热稳定性，发现石墨烯/再生纤维素复合纤维中石墨烯分散均匀，纤维横、纵向形态和普通纤维素纤维相似；当石墨烯含量达到3%以上时，石墨烯/再生纤维素复合纤维有较好的防紫外线性能；石墨烯/再生纤维素复合纤维的热稳定性要优于普通纤维素纤维。迟淑丽等[10]制备了石墨烯含量不同的石墨烯纤维素复合纤维，通过研究复合纤维的微观形态结构、机械性能、导电性、导热性，发现随石墨烯含量增加，复合纤维表面的褶皱增多，说明与纤维素纤维复合的石墨烯的量增多；复合纤维的拉伸断裂强力和拉伸断裂伸长率先增加后降低；导电性先增加，最后趋于稳定；导热性能与石墨烯含量正相关。

石墨烯/纤维素纤维是一种新型的差别化纤维素纤维，既具有普通纤维素纤维优良的可纺性、易染色性和服用性，又具有一定的导电、导热、防紫外线性能等。石墨烯的加入拓宽了纤维素纤维的应用领域，提高了产品的附加值。改性纤维可用于新型保健纺织品、防护纺织品、产业用纺织品和智能纺织品的开发，满足消费者对纺织品舒适性、保健性、多功能性等的不同需求，具有广阔的市场前景。

1.2石墨烯/尼龙6纤维

尼龙6纤维是一种应用广泛、性能优异的合成纤维，具有很多优异的性能：断裂强度高、耐磨性好、弹性好，但它也存在耐光和耐热性较差、易燃烧、极性较强等缺点[11]。随着人们生活水平的提高、科技的发展，以及纺织行业的转型升级，传统的尼龙6纤维已不能满足人们的需要。侯文俊[12]使用熔融纺丝法和原位聚合法制备了氧化石墨烯改性尼龙6纤维，经测试分析发现随氧化石墨烯含量增加，接枝率和尼龙分子量均呈现下降趋势，尼龙的熔融温度和结晶温度均先上升后下降。经己二胺改性后的氧化石墨烯对尼龙具有增强效果，当其含量为0.10%时，纤维的拉伸强度最佳。王双成等[13]使用熔融纺丝法制备了石墨烯改性尼龙6母粒，研究了其微观形态、含水率、热稳定性、相对粘度和熔融指数等指标，发现对石墨烯进行表面处理可提高其在高聚物中的分散性，进而提高产品的性能。石墨烯改性尼龙6母粒的含水率为550 ppm，符合纺丝工艺要求。石墨烯能明显改性母粒的热稳定性。石墨烯改性尼龙6母粒与尼龙6相比相对粘度有所降低，熔融指数有所升高。张灵英等[14]采用共混法制备了石墨烯微片/尼龙6复合材料，研究了其电学性能、摩擦磨损性能、力学性能，发现石墨烯微片/尼龙6复合材料的导电性、摩擦磨损性能、拉伸性能优于炭黑/尼龙6复合材料，但冲击性能有所降低。肖建亮等[15]使用静电纺技术制备了氧化石墨烯和还原氧化石墨烯尼龙6复合纳米纤维，发现氧化石墨烯和还原氧化石墨稀的加入可明显改变尼龙6溶液的流变行为，分别有增稠和降粘的作用，进而拓宽溶液可纺浓度，降低纤维直径，同时二者可明显提高纳米纤维的热稳定性。

尼龙6纤维和长丝广泛应用于纺织服装行业，在户外用品如防风衣、防雨棚、帐篷等产品中占有重要地位。石墨烯的加入可赋予尼龙6产品新的特性，如导电、耐日晒、热稳定性提高等。因此石墨烯/尼龙6产品可应用于智能户外纺织品、运动纺织品和特种纺织品等领域。这对于拓展纺织产品的跨领域研发创新具有重要的参考意义，提供了一个纺织技术发展、突破的方向。

1.3石墨烯/涤纶纤维

涤纶具有强度高、耐酸碱、尺寸稳定、易洗快干等优点，是一种使用量巨大、应用领域广的纺织材料，但涤纶内部分子排列紧密，分子间缺少亲水结构，因此回潮率小，难吸湿，透气性和抗静电性也较差。物理和化学改性的方法既可以解决涤纶本身存在的缺陷，还可对其服用性能进行改善或根据需要赋予其一定的功能性[16-17]。王双成等[18]把石墨烯、聚酯粉体和助剂先通过熔融共混的方式制备母粒，再使用熔融纺丝工艺制备了石墨烯改性涤纶短纤维，对其微观结构、力学性能、远红外性能、抗菌抑菌性等进行了测试，发现其力学性能好、耐腐蚀，同时具有远红外、抗菌抑菌等多种功能。

目前在涤纶纤维中添加石墨烯虽会使其性能得到一定提高，但因生产成本较高，与普通涤纶纤维或其他有类似功能的纤维相比，性价比优势不明显，并没有受到市场的追捧。石墨烯/涤纶纤维急需解决的问题是在降低成本的同时提高其导电、导热、抗菌等性能，使其成为一种性价比高、实用的多功能纤维。随着生产技术的升级与发展，社会生活水平的提高，人们保健意识的提升，石墨烯/涤纶纤维会迎来新的发展机遇。

2 石墨烯改性纤维的发展趋势

目前，石墨烯改性纤维主要是对常规纤维的改性，与普通产品相比，改性后的纤维增加了多种功能，这对拓宽纤维材料的应用领域有重要意义。目前需拓展石墨烯改性纤维的研究范围，将异型纤维、超细纤维、高性能纤维等纳入其中，通过不断探索，力争开发出多类别、多层次、多用途的石墨烯改性纤维。

王雪新等[19]采用凝胶纺丝制备了氧化石墨烯改性的高强聚乙烯醇纤维，研究了氧化石墨烯含量、纺丝工艺对纤维性能的影响。发现氧化石墨烯改性高强聚乙烯醇纤维与聚乙烯醇纤维相比拉伸性能较好，且当氧化石墨烯含量为0.1%时，纤维的拉伸性能最好。李亚军[20]使用湿法纺制备了聚乙烯醇/还原氧化石墨烯复合纤维，通过分析测试发现还原氧化石墨烯在聚乙烯醇基体中分散良好，并且存在较强的相互作用。随着还原氧化石墨烯含量增加，复合纤维的结晶度先增大后减小。还原氧化石墨烯的加入可提高聚乙烯醇纤维的熔融温度和结晶温度，并且对聚乙烯醇纤维的物理机械性能增强效果明显。

3 结语

纤维材料作为纺织服装工业的基础，它的发展与突破是行业转型升级的原动力。石墨烯是一种具有多种优异特性的新材料，它的研究可带动多领域的创新热潮。将石墨烯应用于纤维改性是今后一段时期纤维开发的重点研究方向。多功能、多类别、多层次、低能耗、低成本是石墨烯改性纤维被市场和消费者接受的关键。科研院所、高校与生产企业的产学研合作是石墨烯改性纤维领域不断拓展的强力支撑。石墨烯改性纤维的开发和研究对提升纺织服装行业创新能力、提高产品附加值、抢占市场先机有重要意义。

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Abstract: This article summarized and analyzed current research directions and achievements of graphene modified fibers, found that graphene modified fibers had the properties of electric conduction, heat conduction, good thermal stability, etc.Current researches aimed at conventional fibers, special fibers involved less such as abnormal fiber, high performance fiber, etc. It pointed out that the cooperation of scientific research institutions, colleges, universities and enterprises were the important assurance for further development of graphene modified fibers.

Keywords:graphene; modified fiber; development trend

CurrentResearchStatusofGrapheneModifiedFibers

LiuYouchang

(Qingdao Institute of Textile Fiber Supervision and Inspection, Qingdao 266061, China)

TS102.6

A

1009-3028(2017)05-0054-03

2017-09-08

刘优昌(1985—)，男，山东青岛人，工程师。