石墨烯在功能家纺产品中的应用与趋势

周钟鸣,黄锦波

(浙江和心控股集团有限公司,浙江 嘉兴314423)

国内外对石墨烯复合材料的研究和应用已经有了一定的成果,国外石墨烯主要应用在航空航天、储能等方面[1]。纺织行业在技术发展上,作为下游产业,随着人们日益增长的健康消费需求,纺织产品尤其是服装、床上用品等直接和皮肤接触的物品[2]的健康性和环保性越来越受到重视,石墨烯优异的抗静电、防紫外线功能和远红外、吸湿性、抗菌性等方面的特性,可以在生物医用纺织材料、抗菌医用材料、功能服装家纺等领域作为新材料。我国是纺织大国,同时石墨烯在纺织领域的应用难度较小,因此石墨烯复合材料在纺织行业具有较大的应用价值[3]。

1 石墨烯纺织品开发

石墨烯材料织物是指利用石墨烯材料的特性对普通纺织品进行有效的改性,在保持纺织品原有性能的同时,再拥有石墨烯特殊功能的功能化纺织产品。目前石墨烯纺织品在原料开发上有原位聚合和物理共混两种常用的方法。石墨烯纤维原料的开发与传统纺丝技术相结合,主要有熔融纺丝法、溶液纺丝法、静电纺丝法等多种方法[4]。

1.1 原位聚合

纯石墨烯是一种典型的二维纳米粒子,没有传统线型高分子那样的链缠结作用,纺丝存在一定的困难,其应用有一定的局限性。石墨烯在聚合物中具有纳米级的分散,为材料科学开拓了一个崭新的领域,在聚合物基体中添加石墨烯及其衍生物,可以使聚合物的性能获得极大的提高,并且能使聚合物获得一些特殊的性能。目前关于采用石墨烯及功能化石墨烯作为纳米填料制备聚合物基复合材料已经有相关报道,其聚合物基体主要有：聚乙烯醇、聚乳酸、聚氨酯、聚苯乙烯、聚苯胺、环氧基树脂等[5-6]。

1.2 物理共混

物理共混方法是指通过一些技术方法将石墨烯材料分布于纤维表面,该方法操作较为简便,根据现有技术实现也较为简单。但物理共混各种制备方法之间存在很大的差异,整理效果也会有较大差异。

直接浸轧法指将纤维原料直接通过石墨烯浆液,该方法对织物损伤也较小,而且对生产设备要求低,操作方法简单,常用于大批量的工业生产。但直接浸轧法石墨烯对材料附着能力较低,品质很难保证,不易在市场推广。

复配液整理法是指通过物理或化学的方法对纺织品进行整理,将石墨烯共混到纺织整理液中,通过整理液对纺织品处理,使纺织品获得石墨烯一些相应的功能,该方法的关键是如何保证石墨烯和有机物基体之间的相容性[7]。

交联剂改性是通过线型分子间化学键合的方法,使石墨烯材料同线型大分子材料交联成网状物质,该方法对纺织品的改性操作简单,且石墨烯材料附着强度高适用于大规模工业化生产[8-9]。

紫外光固化法是通过辐射的方法将织物表面固化还原,得到石墨烯改性织物。这种方法无需化学助剂和还原剂整理,工艺简单,高效、低碳、效率高,使用前景较为看好。

随着石墨烯材料在纺织品应用领域进一步拓宽,一些石墨烯材料在纺织品中的应用方法也不断涌现,层层自组装法、电泳沉积法、原位化学聚合法、染色法、CMOS法等也逐渐被报道。

2 石墨烯纺织品产业发展分析

随着石墨烯研究的发展,石墨烯材料已经成为过去5年世界科技发展的热点,随着其性能的深入研究,产业化应用未来必将是市场热点。随着人类日益增长的健康消费需求,由石墨烯研发的越来越多与人类健康息息相关的功能性纺织品将走进百姓生活。

中国是世界纺织大国,年产各种纤维产品近5 000万t,化纤产量占世界总量的70%,涤纶、锦纶等常规品种的技术、规模都是世界领先,但因普遍存在同质化严重、产品结构性过剩等问题,导致近年来行业效益不高,常规化纤等传统行业转型已迫在眉睫。当前,石墨烯的发展与应用已走进蓬勃发展的时代,魏桥纺织准确把握石墨烯复合纤维的功能特性,有针对性地应用于不同的纺织品类,先后开发了石墨烯复合梭织服装及家纺面料、针织服装面料、牛仔面料等功能性面料系列产品,拓展了石墨烯复合材料在纺织领域的应用范围,引领国内高端纺织新材料发展应用趋势。

南通强生石墨烯科技有限公司利用多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化,采用常温常压工艺在单层石墨烯的制备使其工业化生产,并对石墨烯复合功能纤维材料的研究及开发取得较多的成就,进一步降低了石墨烯应用成本。

济南圣泉集团股份有限公司以玉米纤维素作为研究的突破口,成功制备石墨烯材料,该研究成果突破了生物基石墨烯配位组装析碳、催化热裂解、精致分散关键技术;并解决了化学纤维纺丝过程中的团聚、品质控制等问题,开发了一系列石墨烯改性纤维高效纺纱、织造与染整技术,建立了石墨烯工业化应用的一整套工艺体系。

我国石墨烯复合材料在纺织上的应用研究处于世界领先地位,当前已经有很多成熟的产品面世,例如石墨烯-锦纶,石墨烯-涤纶,石墨烯-腈纶等复合纤维用于服装、家纺、内衣等。利用石墨烯复合纤维具有抗菌、抗紫外、传导清凉等功能,在床上用品、沙发、窗帘等产品上有很大的应用空间。

3 石墨烯纤维长丝家纺产品性能

3.1 高热传导率

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,导热系数高达5 300 W/(m·K),高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15 000 c m2/(V·s),比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只有约10-6Ω·c m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。曲丽君等用聚乙烯醇为分散液,通过化学还原方式以氢键自方法将氧化石墨烯整理到棉织物上,对织物表层改性。经石墨烯改性处理后,棉织物的导热系数明显提高,并且随着石墨烯/聚乙烯醇整理次数的增加,棉织物的导热系数也随之增大,导热性能不断提升[10]。

3.2 抗菌性

现今研究已经证实石墨烯、氧化石墨烯具有优异的抗菌性能,通过一些物理或化学方法将其整理到织物上可以得到石墨烯织物。在研究中未发现产生对人体有害物质,因此其有可能被进一步整理到纺织品上使用。南通强生石墨烯科技有限公司将石墨烯改性纤维开发的改性涤纶、锦纶经检测其抗菌率均大于99%,并且具有较高耐水洗性。

3.3 导电性

石墨烯具有很强的导电性,不仅是因为碳原子间零能隙,更重要的是在零间隙点上电子性质的独特性。将石墨烯材料整理到织物上可以把石墨烯优良的导电性能带到纺织品中,例如将涤纶织物浸泡于氧化石墨烯的溶液中,经还原后得到的改性涤纶织物的导电性能明显改善,并且其各项电化学性能较未整理的涤纶织物有很大的改善。

3.4 远红外性能

济南圣泉集团开发的一种石墨烯新型功能合成纤维材料,是由纳米级的石墨烯均匀分散于涤纶空白切片中再热熔共混纺丝制成石墨烯功能纤维。该产品经国家红外及工业电热产品质量监督检验中心检测,常温下远红外发射率92%,远红外波为4～14μm,与人体组织中水分子振动波长相同,从医学角度来说,可以在一定作用上引起共振产生热量,进而深入皮下组织,激发人体组织细胞的活力。

3.5 防紫外线性能

石墨烯改性功能纺织品具有良好的防紫外线性能,近年许多科研机构以及生产企业对其性能进行研究。曲丽君课题组分别采用复配液整理法对棉织物进行改性整理,利用氧化石墨烯和壳聚糖分子间静电作用力,通过层层自组装工艺对棉织物进行表面改性处理。通过这两种方法得到的石墨烯改性棉织物展现出了优异的防紫外线性能,经检测,其紫外线防护系数UPF值均达到国家标准要求。

3.6 电磁屏蔽性能

电磁屏蔽性能一直以来是纺织品安全防护性能的研究热点。张松林等采用浸蘸式对棉织物表面进行多层工艺整理,使织物表面含有多层氧化石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化铵盐酸盐(GO/PDDA)整理膜,经实验室测定,随着GO/PDDA多层膜沉积层数的增加,棉织物电磁屏蔽性能也不断提升。当GO/PDDA多层膜自组装层数达到15时,改性棉织物的电磁屏蔽效能达到3.16 d B,试验结果表明,经石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化铵盐酸盐改性处理的棉织物能够屏蔽52%的电磁波。

4 结语

石墨烯纺织品已经初步开发出具有远红外发射、防静电、抗紫外、抗菌和电热效应等性能,是一种集多种功能于一身的新型材料,将其应用于家纺面料的开发,符合当代国内人民日益增长的健康消费需求。