石墨烯材料的特性及其在纺织上的应用Yd20718
刘荣清 张敢
作者简介：刘荣清，1934年生，教授级高工，主要从事纺纱工艺、产品的测试与应用方面的研究。
作者单位：刘荣清，上海市纺织工程学会；张 敢，上海市老科技工作者协会。
原载：纺织导报2017-6
摘要：本文主要介绍了石墨烯材料的由来，提出石墨烯材料的重要性，指明它是当代材料领域的创新和革命性突破，阐明石墨烯的特性和广泛应用，重点汇集诠释在纺织上的应用与前途。
关键词：石墨烯特性；石墨烯应用；石墨烯复合纤维；石墨烯改性织物
中图分类号：TS101 文献标志码：A
1 石墨烯的由来和发展前景
1.1 石墨烯的由来
碳是自然界中万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳。
石墨烯是一种新型的纳米材料，一般呈纳米级的片膜状结构，单层厚度仅0.35 nm，约为头发丝直径的2×10－5。石墨烯是单层石墨的层片，是构成石墨的基本单元，它与石墨晶体结构不同，其优异特性源于独特的二维单原子层晶体结构，在光学、力学、热学等物理学方面具有颠覆性的创新和突破，纳米量级的表面微观粗糙度是使其具有较好稳定性的原因。
2004年，英国曼彻斯特大学的俄裔科学家Andre Gein和Komstartin Novoselov发现了石墨烯的特性和应用前景，获得了2010年诺贝尔物理奖，因而受到学术界广泛的关注。
1.2 石墨烯的发展前景
当今世界不少国家都在积极研发“石墨烯”，特别是发达国家。据国际金融信息中心评估，全球石墨烯产业综合发展实力前 3 位分别为美国、日本和中国，其次为欧洲、韩国。2005年10月，习近平主席在英国财政大臣奥斯本陪同下，参观了英国石墨烯研究所，并参加了中国华为集团与该所合作项目的签订仪式。当今美国和韩国已能较为简单、经济并大规模地生产高质量纳米石墨烯薄片。我国参与石墨烯研究时间较晚，但进步较快。上海史墨烯公司与南通维亚公司联合开发的“单层石墨烯常温插层剥离制备技术”已取得突破，石墨烯含量达99%，2017年产量可达100 t。目前我国石墨烯企业主要集中在东部地区，江苏省聚集度最高。我国是石墨矿生产大国，石墨矿储量占世界总储量的75%，发展潜力较大。
2 石墨烯材料基本性能和应用
2.1 优异的力学性能，强度、硬度高且弹性模量大
石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构，抗拉强度和弹性模量分别为125 GPa和1.1 TPa，抗拉强度为42 N/m2，约为普通钢的100倍，面积为 1 m2的石墨烯层片可承受 4 kg的质量，其复合材料具有潜在的应用价值。由于石墨烯很薄、质量很轻，适用于轻型高强材料的应用，有助于交通、建筑、航天、航空、军工等领域的发展。
2.2 优良的光学特性，透明度高且稳定性好
单层石墨烯吸收2.3%可见光，透光率为97.7%。对可见光和红外光 1 ～ 3 μm波段的透过率大于70%，因此非常适合用于太阳能电池的接收薄膜和光电器件的透明电极、液晶器件的透明电极，可直接参与光电转换。此外，由于石墨烯具有优良的折叠和弯曲特性、柔软度以及极薄的厚度，特别适于制作新型手机和智能穿戴设备的触摸屏和传感器。同时凭借优异的透光性，可为制作现代农业用透光、保温、有助于光合作用的优良薄膜技术创造条件。我国近期已利用石墨烯的光催化技术建立了催化网，利用可见光将黑臭水处理成清水，达到城市用水的国家标准。
2.3 优异的导电性
石墨烯中的电子干扰很小，不易散发，迁移率可达到 2 ×105cm2/ Vs，约为硅的140倍。其导电率可达106s/m。石墨烯的面电阻约为31 Ω/m2，是室温下最佳的导电材料之一。
导电性优良的石墨烯为制备导电的复合纤维、织物提供了条件。从长计议，优良的导电性能在推动近期太阳能利用和计算机发展、组成超微晶体管时替代硅材料等方面发挥着重要作用，从而将对人类生活产生深远的影响，因而列为国家战略的重点。
2.4 良好的力学性能
石墨烯是目前已知材料中热导率最高的材料，可达5 000 W/mK，被认为是优异的热控材料和高效的散热材料，且稳定性好。中科院和清华大学有关单位合作研制的高导热石墨烯/碳纤维柔性复合薄膜，其厚度为10 ～ 200 μm，室温热导率达977 W/mK，拉伸强度超过15 MPa。
2.5 理想的储能材料
电动汽车、便携式电子设备对储能设备、器材提出了较高的要求。石墨烯材料的二维性和具有较大的比表面积，导致优良的导电导热性和良好的化学稳定性，因而是一种良好的储能材料。石墨烯储能材料主要包括超级电容器电极材料和锂电池、太阳能电池的电极材料，具有储电量大、充电快、使用时间长的效果，在航天、航海军事上具有战略意义。
2.6 优良的抗菌抑菌作用
有文献报导，石墨烯有关产品具有抗菌、抑菌、防臭功能，对大肠杆菌的抗菌率大于85%，水洗后抗菌率仍保持在80%以上。
此外，石墨烯产品还有防紫外线和防静电作用，其薄膜还具有保暖和遮盖功能。石墨烯属疏水性材料，透气性、排湿性较差，如与亲水性材料组合便可弥补其不足。
3 石墨烯在纺织上的应用
充分利用石墨烯的特性和功能，嫁接至纺织纤维和织物上，可扩大其用途，特别在高端纺织品的发展和应用方面潜力较大。
3.1 纤维方面的应用
将微观石墨烯直接组装成宏观的石墨烯纤维是一道难题，但通过溶液过滤法可得到二维的石墨烯膜，通过水热法可得到三维石墨烯块状体。已见到有用大片氧化石墨烯通过湿法纺丝制成合成纤维和用双毛细管同轴纺丝法制成中空纤维等报道，但目前石墨烯纤维的制备还处于实验室阶段，况且石墨烯纤维的柔韧性和表面摩擦性及细度还难以适应纤维纺纱的工艺要求，然而它为石墨烯复合纤维在纺织上的应用探索出较多可行的途径。
当今石墨烯复合纤维主要用于研究开发功能性和高性能纤维两个领域。功能性纤维包括保暖保温、防紫外线、防静电、电磁屏蔽、抗菌防臭、导热等方面的复合纤维。高性能纤维包括高强、高模量、轻质、高导电、超电容、高储能、高光导等方面的复合纤维以及今后可替代碳纤维的复合纤维。
以石墨烯为载体复合的纤维有纯棉、粘纤等纤维素纤维；涤纶、锦纶、芳纶、氨纶等合成纤维。复合方法有直接浸轧法、喷涂法、复配液法、整理法、交联改性法等。因不属于本文讨论范畴，这里不作赘述。
复合纤维一般由两种或两种以上的聚合物复合而成，并以长丝组成为多；不同纤维组合可以取长补短。石墨烯复合纤维可以充分发挥其优异的特性，而且因含量不高，成本较低。纤维包覆表面质量稳定、耐洗耐用。石墨烯复合长丝也可切断成短纤维与其他纤维混纺成纱。
（1）山东济南圣泉集团与黑龙江大学将石墨烯与玉米芯纤维复合加工出一种功能纤维，具有防紫外线、抗菌、抑菌等特性，适合服装、车辆内装饰、医疗器材、过滤等用途。
（2）韩国电子信息研究所与建国大学用牛血清蛋白纳米胶涂抹覆盖在棉和涤纶混纺纱线上，再用石墨烯涂层材料包裹，可用于检测空气中有害物质并作智能过滤器使用。
（3）青岛大学以传统的粘胶纺丝液为基体制成的石墨烯/粘胶复合纤维，其导电、热学、抗菌性能均有显著提高。该单位还制成了石墨烯功能化海藻复合纤维。
（4）国外报道，将碳纳米管和石墨烯片结合嵌入维纶中，获得了高强度复合纤维，纤维刚性达1 000 J/g，远超蜘蛛丝和芳纶1414。
（5）青岛大学以石墨烯为耐日晒老化功能材料，与水溶性聚氨酯共混得到功能性助剂，通过浸渍涂层技术涂覆于锦纶长丝表面，制成复合改性长丝，在紫外线辐射下，锦纶长丝强力损失率从85%降低到50%以下，导电率在 1 ×104s/m以上，改善了锦纶的耐日晒性能和导电性能。
3.2 织物方面的应用
利用石墨烯化合物对织物改性是石墨烯开发的亮点。采用的方法有融合、接枝、浸润、沉积、涂覆等，力求充分发挥石墨烯的优异特性，开发新型功能性纺织品，如抗菌、防臭、防紫外线、防静电、防火、防辐射功能性服装等；开发产业用纺织品，如导电、过滤、穿戴设备、航天航海用纺织品等。
3.2.1 开发抗菌纯棉织物
将润湿棉织物浸渍于氧化石墨烯和壳聚糖复配的抗菌整理液中，使其与棉纤维稳固结合，烘干后用保险粉还原，制成有一定抗菌能力的棉织物。浸渍温度和时间、保险粉和氧化石墨烯浓度等参数与抗菌能力有关。经测试，该改性织物对大肠杆菌抑菌率可达85%以上。此外还有先用交联剂浸泡织物作滤布，过滤氧化石墨烯水溶液，再和交联剂固化得到抗菌织物，效果与以上相似。
3.2.2 开发电化学性能优良的棉织物
以棉织物为基材、通过浸润-干燥法和化学沉淀法，将氧化石墨烯和二氧化锰接枝于棉织物表面，制成复合棉织物，再经碳化处理，改善电化学性能。在电流密度100 mA/g时首次放电量可达356 mAh/g，经70次充电循环后，比电容稳定在329.4 mAh/g，保容率达93.5%。
3.2.3 开发保暖性好可作穿戴设备传感器的织物
与以上相似，通过浸润涂法和原位化学沉积法将氧化石墨烯接枝到棉织物，再经碳化处理使其具有良好的电热和应力传感性能。在施加15 V电压、通电 6 min后碳化织物最大温升达36 ℃，并具有优异的可重复电热性能。在一定变形时，其标准电阻变化率可达0.82，具有较灵敏的传感性能，适应制作加热保温、轻质薄型时尚服装和可穿戴设备的传感器等用途。
3.2.4 开发石墨烯导热织物和防紫外线织物
把石墨烯纳米片分散于树脂溶液中整理，即可在一定程度上提高织物的导热系数。通过优化石墨烯与聚氨酯水溶性复配液配比即可将棉织物改性成防紫外线织物，织物石墨烯含量仅0.4%时，紫外线防护系数UPF达356。
3.2.5 开发石墨烯阻燃织物
对氧化石墨烯进行氨基化改性处理丝织物可制成阻燃织物。
3.2.6 其他
此外，石墨烯材料高强度、高模量、抗静电、低密度（轻质量）、耐压力等优异特性必将在纺机及配件领域获得有益的启示，如在罗拉、摇架、钢丝圈、胶辊、胶圈、剑杆，以及在集聚纺、涡流纺等方面有所应用和发展。
4 结语
21世纪的新材料——石墨烯，是颠覆全球材料科学的一项划时代的创新，石墨烯具有高强度、高模量、轻质、超薄、柔韧性好等特点，具有优异的透光性、透明度、导电、导热、储能、抗菌、防紫外线、防静电性能，已在当代高科技计算机、信息产业、人工智能、交通运输、航天航空、国防军工等领域得到较多的应用。石墨烯材料可对传统纺织加工及产品赋予更多的功用，特别是有助于推动新型产业用纺织品的应用与发展。为此必须以推进纺织强国为目标，抓住机遇，迎头赶上。
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