石墨烯改性錦綸針織面料服用性能研究

姚馨馨， 叢洪蓮， 高 哲

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

石墨烯是由碳原子通過sp2雜化形成的，結構為二維片狀[1]，特殊的結構使得石墨烯具有極好的機械性能、力學性能和電學性能等。石墨烯很薄，厚度只有0.335 nm，電阻率很小，約為10-8Ω·m[2]；石墨烯具有很好的導熱性與良好的透光性；石墨烯還具有極強的耐磨性。將石墨烯與普通纖維復合形成的新型紗線，具有抗菌[3]、抗靜電、抗紫外線[4]、發射低溫遠紅外線等特殊功能，可廣泛應用于服裝、家紡等產品。

石墨烯材料分散性能差[5]，纖維制品的制造難度較高，因此對石墨烯織物的研究較少。采用石墨烯納米片作為紫外線吸水劑，通過“軋-烘-焙”方法對棉織物進行涂層，得到防紫外線棉織物[6]；采用氧化石墨烯和殼聚糖，通過靜電層層自組裝技術與低溫化學法，得到具有導電性的棉織物[7]。

目前，石墨烯在纖維及紡織品領域的研究有了初步進展，但主要集中在纖維性能的改善及涂層織物的性能提高方面，而對于石墨烯復合短纖或長絲在針織面料上的應用及性能研究還較少。本文在分析了石墨烯改性錦綸長絲的結構特點的基礎上，針對面料綜合性能的研究，織造了石墨烯改性錦綸面料及對比產品，研究其物理及熱濕性能，并采用數學評價方法對其進行合理評價，為今后石墨烯針織產品的開發提供理論參考。

1 實 驗

1.1 原料的形貌

本文采用的原料為圣泉集團的石墨烯改性錦綸。圖1為常規錦綸與石墨烯改性錦綸纖維形貌圖。與常規錦綸比，石墨烯改性錦綸表面凹凸不平且均勻分布著小顆粒。這是由于石墨烯在錦綸中出現的集聚現象，即再石墨化現象，部分石墨烯集聚后的尺寸較大，會伸出纖維表面，成為突出的塊狀顆粒。

圖1 常規錦綸與石墨烯改性錦綸纖維形貌Fig.1 Morphology of conventional nylon fiber and graphene modified nylon fiber

1.2 試樣準備

不同紗線組分與組織結構會對內衣面料的性能產生不同程度的影響，使得其風格與用途有所不同，如平針添紗組織厚度適中，浮線添紗組織透氣性好。選用55 dtex生物質石墨烯改性錦綸及77 dtex常規錦綸，結合2050錦氨包覆紗(20為22 dtex氨綸，50為55 dtex錦綸)、22 dtex氨綸，采用平針添紗及浮線添紗(3×4網眼)組織，其中3表示一個循環中參加編織的針數，4表示不編織的針數，使用機號E28、筒徑45.72 cm的SM8-TOP2 MP2圣東尼單面無縫成型內衣機編織六款試樣，下機后水洗定型。織物規格如表1所示。

表1 織物規格參數Tab.1 Fabric specification parameters

1.3 儀器與設備

SM8-TOP2 MP2圣東尼單面無縫成型內衣機(圣東尼(上海)針織機器有限公司)，CRE型拉伸試驗儀(上海湘杰儀器儀表)，Y522N型織物耐磨儀(南通宏大儀器)，YG 502N型織物起毛起球儀(溫州市大榮紡織儀器)，HD-1219毛細管效應測定儀(昆山海達精密儀器)，YG 461E型數字式透氣儀(溫州際高檢測儀器)，YG 601-II電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器)。

1.4 織物性能測試

根據FZ/T 70006—2004《針織物 拉伸彈性回復率試驗方法》，采用CRE型拉伸試驗儀對織物的定伸長力進行測試，測試試樣1～6的拉伸性能，設置延伸率為50%，采用等速定伸長拉伸，拉伸速度為100 mm/min，預加張力1cN，單次拉伸及反復拉伸10次。

根據GB/T 21196.3—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第3部分：質量損失的測定》，采用Y522N型織物耐磨儀對織物耐磨性能進行測試，試樣尺寸為直徑13 cm的圓，摩擦至設定圈數，記錄磨損質量。

根據GB/T 4802.1—2008《紡織品 織物起毛起球性能的測定 第1部分：圓軌跡法》，采用YG 502N型織物起毛起球儀，加壓重錘質量300 g，尼龍刷350轉，磨料350轉，將磨完的面料表面與標準樣卡上的面料對比進行評級。每款面料做三次測試實驗。若3塊試樣中有2塊等級相同，則最后結果為多數試樣的等級；若3塊試樣等級均不相同，最后結果以中間等級為準。

根據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG 461E型數字式透氣儀對織物透氣性進行測試，設定實驗的測試面積為20 cm2，試樣壓差為100 Pa，測試前需要使樣品在溫度為(20±2)℃，相對濕度(65±2)%的標準大氣環境達到平衡，同一樣品不同部位測量10次，計算平均值。

根據FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，實驗在(20±2) ℃，相對濕度為(65±3)%的標準大氣條件下進行，采用HD-1219毛細管效應測定儀測量織物20 min后的芯吸高度，其中3塊試樣為經向，另外3塊為緯向。

根據GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，采用YG601-II電腦式織物透濕儀分別測試織物工藝正反面的透濕量，溫度設定38 ℃，濕度90%。

2 結果與分析

2.1 拉伸回復性能

拉伸力結果如表2所示。通過表2的數據可看出，石墨烯改性錦綸面料的單次定伸長力值與10次拉伸力值都比普通錦綸面料大，因此石墨烯改性錦綸面料的拉伸回復性能更好。,試樣3的橫向單次拉伸力約是試樣6的2倍，試樣2的縱向單次拉伸力約是試樣5的3倍；試樣3的反復拉伸力值約為試樣6的2倍，其他石墨烯改性錦綸面料的拉伸力值均大于普通錦綸面料。織物的拉伸回復性能除了受線圈結構的影響，紗線自身的拉伸及線圈之間、纖維之間的摩擦都會對其有一定的緩沖作用[8]，石墨烯的加入使纖維之間、線圈之間的摩擦力值變大，從而改善了面料的拉伸回復性能。橫向拉伸力值略大于縱向拉伸力值，這是由于面料在拉伸過程中沉降弧被拉直，線圈變形，紗線伸長。

表2 試樣單次及10次拉伸力值Tab.2 Single and 10 times tensile force value of fabric

2.2 耐磨性能

表3為織物的耐磨性測試結果。通過表3數據可以看出，石墨烯改性錦綸面料的磨損質量較少，同時加入氨綸的面料磨損質量也較少。為了更加準確地描述耐磨性能，去除各面料在磨前的質量差異，一般采用質量減少率比較織物的耐磨性能，計算公式如下：

(1)

式中：G0為磨損前試樣總質量；G1為磨損后試樣總質量。

表3 試樣耐磨性數據Tab.3 Abrasion resistance data sheet of fabric

從表3可以看出，石墨烯改性錦綸織物的質量減少率小于普通錦綸織物，當它們表面的石墨烯錦綸紗線越多時，耐磨性越好。浮線添紗織物的質量磨損率小于平紋添紗織物，浮線添紗織物表面為網眼結構，摩擦面較平紋添紗組織小。石墨烯從纖維表面突出，纖維在磨損時多了顆粒狀物質保護，使得石墨烯改性錦綸織物的耐磨性特別突出。加入氨綸的織物質量減少率約為加入包覆絲織物的一半，氨綸不會對耐磨性產生較大的影響，但因為加入氨綸會使織物更加緊密，磨損相對變小。

2.3 抗起毛起球性能

表4為試樣的起毛起球性能測試結果。影響織物抗起毛起球性的因素主要有原料紗線性能、組織結構等。石墨烯改性錦綸面料的起毛起球等級為3～4級，普通錦綸面料等級為2～3級，如圖2(a)為試樣2的起毛起球狀態，圖2(b)為試樣5的起毛起球狀態。

表4 試樣起毛起球性能測試結果Tab.4 Pilling performance test results of fabric

圖2 試樣2、5的起毛起球狀態Fig.2 Fluff and pilling of fabric 2 and 5

石墨烯改性錦綸紗線表面凹凸不平，有顆粒狀物質，這些突出顆粒使紗線在摩擦形成球之前斷裂，布面起球現象不明顯，且纖維被拉出的長度較短，不容易被刷起毛。氨綸面料的起球現象比包覆絲面料稍嚴重，主要因為氨綸在摩擦過程中易斷裂糾結成球。

2.4 透氣性能

織物的透氣性與纖維及紗線性質，以及織物組織、織物密度等因素有關。表5為試樣的透氣性能測試結果，可看出石墨烯改性錦綸面料的透氣率均大于普通錦綸面料。主要是因為紗線的規格較小，編織的織物厚度及面密度等也較小，線圈間空隙比較大。另外，平針添紗面料的透氣率較浮線添紗面料的低，氨綸織物的透氣率低于包覆絲面料，都是受到線圈之間的空隙影響，布面更加緊密則空氣透過織物的阻礙越大。

表5 試樣透氣性能測試結果Tab.5 Permeability test results of fabric

2.5 導濕及透濕性能

織物芯吸效應的強弱能夠表明織物導濕性能的好壞，透濕性能則通過面料在空氣中吸收和散發水分的多少表示。表6為試樣導濕及透濕性能測試結果。

表6 試樣導濕及透濕性能測試結果Tab.6 Test results of moisture and water vapor permeability of fabric

從表6芯吸高度數據可以看出，石墨烯改性錦綸面料的芯吸高度明顯高于普通錦綸面料，這樣的差異主要取決于纖維間的間隙，纖維的間隙形成了水分通過的通道，而石墨烯改性錦綸表面的突出顆粒將纖維間的間隙變多，因而石墨烯改性錦綸面料的導濕性能優于普通錦綸面料；經向芯吸高度略高于緯向芯吸高度，因為經向的圈柱形成直線的通道，水分易傳遞，而緯向紗線形成的通道彎曲，毛細效應減弱；浮線添紗織物芯吸高度略高于平針添紗組織，主要因為平針添紗織物緊密，紗線彎曲較大，從而阻止了水分的傳遞。

從表6的數據還可以看出，石墨烯改性錦綸面料透濕性能更好，面料的工藝反面的透濕量大于工藝正面。水汽通過織物間隙傳遞，由織物一側傳遞至另一側。石墨烯改性錦綸面料中的長絲表面凹凸不平，擁有較多空隙，透濕性好；面料的透濕量與織物的表層結構有關[9]，工藝正面為圈柱，工藝反面為圈弧，圈柱基本為平直的紗線，圈弧為一段彎曲紗線，因而圈弧形成的反面比表面積更大，水汽更易進入，所以織物工藝反面的透濕量大于工藝正面。

3 綜合評價

通常將織物服用性能具體分為物理性能與舒適性能，其中物理性能中較重要的性能有織物的拉伸回復彈性、耐磨性和起毛起球性能，主要影響織物的耐穿性能；舒適性能中較為重要的性能有透氣、透濕和導濕性能，主要影響穿著的舒適度。為探究石墨烯改性錦綸面料的服用性能，采用模糊物元綜合評價法。物元分析是介于數學與實驗之間的科學研究方法，將事物、特征及相應量值放在一起研究，可更加貼切地描述事物的變化規律，其結果由歐式貼近度值表示[10]。

選定指標分別為橫向反復彈性回復力值、縱向反復彈性回復力值、質量磨損率、起毛起球級數、透氣率、緯向芯吸高度、經向芯吸高度、工藝反面透濕量、工藝正面透濕量，分別對應C1～C9來表示各選定指標。以6組試樣作評價對象，用j表示第j個試樣，i表示第i個特征[11]。

采用式(2)(3)計算各評價指標的從優隸屬度，正指標采用式(2)計算，逆指標采用式(3)計算。選取各項指標的最大值或最小值構建標準模糊物元，計算差平方復合物元，用來判斷評價對象的優劣。

(2)

(3)

式中：rij為從優隸屬度，xmax與xmin分別表示各評價指標中的最大值和最小值。

采用變異系數法確定各項評價指標的權重，客觀地確定各項性能的重要程度。式(4)表示織物性能的相對變異程度，式(5)表示各指標權重。

(4)

(5)

權重值計算結果如表7所示。

表7 各項性能的權重值Tab.7 Weights of various properties

采用式(6)計算出歐式貼近度，評價樣本與標準樣本的差異，其值越大則差異越小。

(6)

式中：ρHj表示織物歐式貼近度。

六種織物歐式貼近度計算結果如表8所示。

表8 試樣的歐式貼近度數據Tab.8 Table of European approach degree data

加入石墨烯改性錦綸的面料綜合性能均高于普通錦綸面料，其中石墨烯改性錦綸與錦氨包覆絲編織的浮線添紗面料的綜合性能最好。前三組中織物3的歐式貼近度優于織物1與織物2，后三組中織物6的歐式貼近度優于織物4與織物5，表明浮線添紗組織面料的綜合性能比平針添紗組織面料的綜合性能更好。比較織物1與織物2、織物4與織物5的歐式貼近度，氨綸與包覆絲對各項性能影響最大的是拉伸回復性能，對其他性能的影響較小，因此對歐式貼近度的影響也較小。由此可見，具有良好綜合服用性能的石墨烯改性錦綸面料在服裝領域的應用前景十分廣闊。

4 結 論

本文針對石墨烯改性錦綸進行結構分析，并結合不同原料及組織設計了六種試樣，研究了面料的拉伸回復性能、耐磨性、抗起毛起球性能、透氣性、導濕性及透濕性能，并對其進行模糊綜合評價，得到以下結論：

1)石墨烯改性錦綸的表面凹凸不平，分布著小的塊狀顆粒。

2)石墨烯改性錦綸面料綜合性能良好，具有突出的耐磨性能與熱濕舒適性能。石墨烯改性錦綸面料的質量減少率約為普通錦綸面料的1/6，芯吸高度為普通錦綸面料的3～4倍，同時透濕量為普通錦綸面料的1.5～2倍。

3)石墨烯錦綸面料的服用性能突出，可應用于內衣、T-恤等貼身服裝，具有良好的應用前景。