石墨烯在涤棉工装面料中的应用

楚云荣，武云庆

（华纺股份有限公司技术中心，山东滨州 256617）

在科技引领未来，自主创新开创未来的时代，纺织行业迎来新的变革，石墨烯改性涤棉工装面料是针对抗菌性能研发的新型保健工装面料，适应时代发展、顺应新冠肺炎疫情的需求，主要用于医护面料、学生服等。石墨烯材料具有优越的抗菌功能，在纺织领域的应用具有很广阔的空间。采用石墨烯材料通过熔融纺丝制成石墨烯改性涤纶长丝，再经过纤维切割制成需要的短纤使其具有石墨烯的功能。开发的石墨烯改性涤棉工装面料具有多种功能：远红外功能、抑菌功能、抗静电功能等［1］。缺点是石墨烯改性涤纶为黑色，无法实现靓丽颜色的染色，受其局限性，只能对部分颜色面料进行开发。

石墨烯材料是从碳材料中剥离出来、由碳原子组成的，具有光、电、磁、机械等物理性能和化学性质。生物质石墨烯是将植物秸秆中的半纤维素、木质素、纤维素进行分离、纯化而制得［2］。以植物秸秆为原料，用基团配位组装析碳原理制造石墨烯，然后与涤纶以不同比例进行混纺，设计不同效果的石墨烯服装面料。

涤纶纤维的相对分子质量一般为1.5 万～3.0 万，优点是机械强度高、软化点高、耐热，具有自润滑性、吸震性和消音性，耐油、耐弱酸、耐一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒、无臭，耐候性好；缺点是染色性差。涤纶纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。棉纤维的优点是吸湿性强，耐碱、保温、透气性好等；缺点是缩水率较大，为4%～10%，耐光性、耐热性一般，不耐酸，微生物对棉织物有破坏作用，不耐霉菌。结合涤棉的优点和石墨烯的功能，本实验设计石墨烯改性涤纶棉梭织面料。

1 实验

1.1 材料及仪器

织物：石墨烯改性涤纶65/棉35 13 tex，密度530×283，织法2/1，幅宽160 cm。

染料：分散黑S-3BL 100%、分散深蓝HGL 200%、分散红玉S-5BL 100%；活性黑ED 200%、活性红SBE 100%。

助剂：烧碱（NaOH），退浆剂，双氧水（H2O2），双氧水稳定剂，氧漂剂，分散螯合剂，氯化钠（NaCl），碳酸氢钠（NaHCO3），防染盐S，防沾皂洗剂DL-106。

仪 器：2200 烧 毛 机，LMH023-0000R 退 浆 机，JFC-200R 定形机，LMH232 丝光机，LMH424-1600 打底机，MH688B 焙烘机，LMH647-160 还原皂洗机，LMA432A-200 拉 幅 机，LMH442A-220 预 缩 机，SF600PLUS-CT 电脑测色配色仪，Y571B 型摩擦牢度测试仪，SW-12A 耐洗色牢度实验机。

1.2 工艺流程

石墨烯改性涤棉梭织物→翻缝→烧毛→退浆氧漂→定形→丝光→打底机→焙烘→还原皂洗→拉幅→预缩。

1.3 前处理工艺配方及条件

烧毛工艺：烧毛方式（一正一反），火口温度高于900 ℃，风压0.18～0.2 MPa。

煮练工艺：烧碱（100%）18～25 g/L，退浆剂6 g/L，分散螯合剂2 g/L，煮练温度102 ℃，履带堆置时间50 min。

氧漂工艺：烧碱（100%）3～4 g/L，双氧水（100%）8～9 g/L，双氧水稳定剂8～9 g/L，氧漂剂6 g/L，分散螯合剂2 g/L，氧漂温度95 ℃，履带堆置时间40 min。

定形工艺：定形温度210 ℃，定形时间20～30 s，定形落布幅宽167 cm。

丝光工艺：烧碱（100%）210～220 g/L，丝光时间50～60 s，丝光落布幅宽160 cm。

石墨烯改性涤棉面料与非石墨烯改性涤棉面料半成品指标对比如表1 所示。由表1 可以看出，石墨烯改性涤棉面料金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99%（行业标准为80%），大肠杆菌的抑菌率达到99%（行业标准为70%），白色念珠菌的抑菌率达到96%（行业标准为60%）；而非石墨烯改性涤棉的抑菌率为0%，不具有抑菌性。石墨烯与氧化石墨烯利用其锋利的片层边缘对细菌造成物理损伤，提取细胞膜中的磷脂从而破坏细胞膜的完整性，最终会导致细胞质的流出。氧化应激也是一种作用机制，石墨烯及其衍生物会生成活性氧簇从而诱发氧化应激反应，或者石墨烯通过氧化细胞结构或成分从而破坏微生物活性［3］。这是研究石墨烯改性涤棉工装面料的前提条件，其他指标符合染色需求。

表1 石墨烯改性涤棉面料与非石墨烯改性涤棉面料半成品的对比

1.4 染色工艺

分散黑S-3BL 100% 25.0 g/L，分散深蓝HGL 200% 3.5 g/L，分散红玉S-5BL 100% 1.5 g/L；活性黑ED 200% 17.0 g/L，活性红SBE 100% 0.6 g/L；防泳移剂10.0 g/L，防染盐S 1.0 g/L，氯化钠（NaCl）200.0 g/L，碳酸氢钠（NaHCO3）20.0 g/L，防沾皂洗剂DL-106 10.0 g/L。

打底机工艺：轧余率45%～60%，烘干温度70～150 ℃。

焙烘机工艺：温度205 ℃，时间90 s。

还原皂洗机工艺：蒸箱温度102 ℃，汽蒸时间90 s。

由表2 可以看出，石墨烯改性涤棉面料的抑菌率为98%，非石墨烯改性涤棉面料的抑菌率为0%，不具有抑菌性，比半成品低1 个百分点，符合行业标准的抗菌指标要求，其他指标没有明显区别。

表2 石墨烯改性涤棉面料与非石墨烯改性涤棉面料染色后的指标对比

续表2

1.5 后整理工艺

柔软剂16 g/L，温度120～130 ℃，交联时间30 s，落布幅宽163 cm。

1.6 预缩工艺

缩率3%，预缩温度120 ℃，成品幅宽148 cm。染色成品指标见表3。

2 工艺流程数据分析

石墨烯改性涤棉面料在前处理工艺中，原料测试数据与经过烧碱、双氧水处理后数据变化小。

石墨烯改性涤棉面料在染色过程中与染料、固色液及后整理助剂发生反应，成品的抑菌率比半成品降低1个百分点。

检验依据为GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价第3 部分：振荡法》。石墨烯功能化后抑菌率的检测结果见表4。

表4 石墨烯改性涤棉面料的抑菌率性能

由表4 可以看出，石墨烯改性涤棉面料开发的印染加工设定工艺流程正常。

根据GB/T 30127—2013《纺织品 远红外性能的检测和评价》进行测试，石墨烯远红外发射率为0.85，远红外辐照温升为1.6 ℃［4］。综上所述，石墨烯改性涤棉面料具有远红外功能、抑菌功能。

3 结论

（1）石墨烯改性涤纶纤维与棉纤维混纺后，面料具有抗菌功能，成品检验报告显示：3 项主要抗菌项目检测中，金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99%（行业标准为80%），大肠杆菌的抑菌率达到99%（行业标准为70%），白色念珠菌的抑菌率达到96%（行业标准为60%）。（2）涤纶纤维加入石墨烯后，远红外辐照温升为1.6 ℃，提高了面料的远红外功能。（3）由于石墨烯经过炭化，石墨烯梭织纤维颜色是黑色，在开发中，留白灰、藏青、黑色、深灰色得到应用，在浅色及漂白产品中受到限制。石墨烯为黑色，涤纶纤维添加石墨烯后也是黑色，因此在加工浅色及漂白色时，受到石墨烯改性涤纶纤维的影响，造成颜色具有局限性。