石墨烯及其衍生材料在特種紡織品中的應用

鄧盛鵬，陳玉龍，劉璐瑤，任新民

(蘭州三毛實業有限公司，甘肅 蘭州 730300)

紡織品在人類生活中扮演著不可或缺的角色，隨著時代的發展，紡織品的應用趨于多元化。新型紡織品除滿足日常應用外，還需具備導電、抗紫外線、阻燃、疏水、保健等一種或多種功能。其中，特種紡織產品是新型紡織產品中具有代表性的一種產品。傳統特種紡織品存在質量大、散熱能力低、透氣性差、對細菌抵抗力差等問題[1]，在特種工作人員穿著該產品進行特種作業時會對工作的完成度造成一定的影響，且會對工作人員造成一定的危害。因此，新型功能性特種紡織品的研發及應用具有重要意義[2]。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的2D單層平面薄膜物質，與富勒烯(零維碳納米材料)、碳納米管(一維碳納米材料)并稱為21世紀三大碳材料。石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的新型二維納米材料[3]。石墨烯在光感應、導電、熱效應、機械強度、電磁感應等方面具有優越的性能，其在新型復合材料、智能材料、能量儲存轉換裝置、生物醫學等相關領域擁有廣闊的應用前景。

將石墨烯及其衍生物應用到紡織材料中可增強紡織材料的抗菌抑菌、抗靜電、抗紫外線、遠紅外等功能[4]。因此，石墨烯材料在紡織產品中廣泛應用，尤其在特種紡織品中具有良好的應用前景。作者介紹了石墨烯在紡織產品中的功能特性，以及石墨烯及其衍生材料在特種紡織品中的應用情況，并對今后石墨烯改性紡織品的開發與推廣應用提出建議。

1 石墨烯在紡織品中的功能特性

1.1 抗菌功能

細菌、病毒等病原體附著在衣物表面對人體存在危害，紡織品的抗菌改性成為解決途徑之一，石墨烯作為新型紡織品的一種改性材料具有較好的抗菌性能[5]。苑亞楠等[6]采用石墨烯改性氨綸，當添加石墨烯質量分數為1%時，改性氨綸對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌的抑菌率均在98%以上。此外，相關研究表明對石墨烯進行改性后其抗菌能力可進一步提升，將殼聚糖和氧化石墨烯改性的織物對金黃色葡萄球菌的抑菌率可達99%[7-8]；將石墨烯添加納米銀復合材料改性的織物具有高抗菌活性和優異的耐用性，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率可達99.99%，數10次洗滌后，抑菌率無明顯變化[9]。由此可見，石墨烯的添加使織物的抗菌性能顯著增加，且具有一定的穩定性。

1.2 抗紫外線功能

人體皮膚長期暴露在紫外線下，會使皮膚受到傷害甚至引發癌變，其中白化病患者等特殊群體對紫外線更為敏感，因此抗紫外線紡織品開發具有重要意義。張佳沁等[10]采用化學法改性石墨烯制備具有抗紫外線功能棉織物，該棉織物紫外光透過率小于2%。趙洪濤等[11]利用氧化石墨烯作為前驅體，采用聚乙烯亞胺(PEI)為改性劑，通過電泳沉積技術對棉織物進行表面涂層整理，處理后的棉織物紫外線防護系數(UPF)大于150，UVA 透過率小于1%，這說明石墨烯改性后的棉織物對紫外線有非常好的阻隔作用。趙洪濤等[12]還通過電泳沉積法制備功能性尼龍/石墨烯復合織物，石墨烯改性后的尼龍織物UPF大于500，UVA 透過率小于0.05%，抗紫外線效果明顯。有研究者將石墨烯和金屬氧化物結合添加入織物，織物紫外線阻隔結果表明，經過數10 次洗滌后仍具有良好的防紫外線能力[13]。由此可見，石墨烯的加入可使紫外線對紡織品的穿透率降低，且在低濃度下具有較高的抗紫外線功能，此外石墨烯與金屬氧化物的結合可能會增強織物防紫外線的持久性。

1.3 遠紅外功能

目前，大部分遠紅外紡織品是在纖維中添加具有遠紅外發射功能的物質，也有部分是在織物后加工過程中將具有遠紅外功能的材料添加到織物中。然而，大部分遠紅外輻射劑存在生物安全性問題，會對人體造成傷害。石墨烯作為一種無毒無害的新型材料能吸收和輻射高達40%的遠紅外線，且在同等光源照射下可迅速升高物體溫度，將石墨烯添加入紡織物表面，可增強織物遠紅外發射能力[14]。胡文興等[15]采用生物質石墨烯聚酯母粒生產異形滌綸長絲，纖維的遠紅外溫升和發射率分別可達 2.6 ℃和 0.87，具有較好的保溫效果。于維晶等[16]采用石墨烯改性莫代爾纖維，測試其內衣的遠紅外性能，遠紅外發射率達0.94，遠紅外輻射溫升為1.5 ℃。石墨烯可增強織物的遠紅外功能，可使織物能夠調節溫度，還具有遠紅外發射低溫敏感性，在低溫情況下可發射遠紅外波，可使人體溫度上升。

1.4 導電功能

智能紡織品是紡織行業未來發展的趨勢，其關鍵在于研發出導電性能優異的紗線，石墨烯具有優異的電學性能，被廣泛用于導電紗線和電極材料。目前石墨烯改性物質可用于制造電極，且可使用簡單且方便的方法使其應用在穿戴電子產品及其他方面[17]。孫凱凱等[18]將石墨烯溶液加入錦綸長絲中，其耐日曬老化能力和導電性能大幅度提升。蔣連意等[19]利用浸漬還原法將石墨烯和納米銀涂抹在棉紗表面，棉紗導電性能顯著提高。王藝穎等[20]用牛血清白蛋白對棉紗進行表面改性處理，使氧化石墨烯更多地吸附于改性棉紗表面，再將氧化石墨烯還原，加入吡咯進行化學聚合，制得石墨烯/聚吡咯/棉紗線電極，具有良好的導電性能，可作為柔性超級電容器的電極材料。FANG M H等[21]采用石墨烯水溶膠對玻璃纖維反復浸漬涂層處理，玻璃纖維完全被還原性氧化石墨烯涂層覆蓋后表現出較高的導電性，其導電率為24.9 S/cm，高于其他納米碳素包覆纖維和商用碳纖維。然而，石墨烯改性織物在數次洗滌后，織物中石墨烯含量將會降低，會出現織物電阻增加的現象[22]。

1.5 抗靜電功能

在空氣濕度較低情況下，化纖織物在穿著或使用過程中因摩擦產生靜電，會吸附灰塵、毛發等，從而降低織物的穿著舒適度。石墨烯因其電學性能優異，在防靜電織物中得到廣泛應用。凡力華等[23]將腈綸織物浸漬于氧化石墨烯溶液中，再利用紫外光對織物表面附著的氧化石墨烯進行還原，改性后的腈綸織物表現出良好的抗靜電能力。姜亞琳等[24]采用石墨烯改性滌綸與羊毛制備混紡面料，面料洗滌前后都具有良好的抗靜電性能，達到了耐久型抗靜電紡織品B級要求。王喚霞等[25]將滌綸織物浸入帶有正電荷的殼聚糖溶液和帶負電荷的氧化石墨烯溶液中，改性后的滌綸織物抗靜電性能大幅度提高，織物的靜電半衰期由改性前的181.54 s降至2.44 s。陳小婷等[26]將石墨烯分散液和水性聚氨酯按一定比例復配，以浸軋-焙烘工藝對滌綸織物進行抗靜電整理，織物表現出良好的抗靜電性，當石墨烯用量為5 g/L時，織物的表面靜電壓為932 V，半衰期為0.54 s。因此，石墨烯的加入對于紡織品的抗靜電處理具有積極作用。

1.6 其他功能

除以上功能外，石墨烯改性紡織材料還具有其他功能。王成雙等[27]將石墨烯粉末和聚酯粉體通過熔融共混紡絲制備石墨烯改性滌綸短纖維，該纖維具有膨松性高、保暖性強、手感柔軟滑爽、透氣性好等服用性能，還具有低溫遠紅外、抗菌等保健功能。鄒梨花等[28]對棉織物進行陽離子化催化，隨后依次浸入氧化石墨烯和苯胺單體溶液中，改性后的棉織物能達到較高的電磁屏蔽效能值。S.BHATTACHARJE等[29]在棉織物上涂覆氧化石墨烯之后，通過浸涂法使用 3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷作為偶聯劑摻入納米銀顆粒，在二亞硫酸鈉存在下還原氧化石墨烯，然后在真空、180 ℃下加熱，得到的石墨烯改性棉織物比純棉表現出更好的疏水性。石墨烯及其衍生物還具有驅蚊功效，可以防止傳染病的傳播等[30]。

2 石墨烯及其衍生材料在特種紡織品中的應用

2.1 消防及潛水用防護服

傳統的特種紡織品具有一定的阻燃性能，但質量和體積較大，降低了工作人員的移動性和舒適性，在一定程度上降低了工作效率。S.Y.SON等[31]研究發現，質量較大和不透氣的防護用具會導致消防人員汗液產生率下降，進而對工作人員造成危害。趙倩等[32]將氧化石墨烯與植酸高溫反應生成的物質以浸軋烘方法負載到棉織物上，整理后的棉織物在800 ℃下殘炭率為33%，而傳統棉織物在800 ℃下殘炭率為23%。顯然，氧化石墨烯的添加可以提高棉織物的阻燃性能。據報道，Eurojersey和Directa Plus兩家公司合作開發的新性能石墨烯改性織物具有良好的疏水性和阻燃性，還可幫助佩戴者通過促進散熱來保持舒適的體溫，在高溫條件下使熱量分布均勻；Vollebak公司將石墨烯納米顆粒和聚氨酯結合，然后應用于尼龍織物，該產品同樣有助于均衡體溫[1]。石墨烯改性紡織品在阻燃、疏水方面具有一定的優勢，可廣泛用作消防服、潛水服等特種紡織品。

2.2 高機械強度防護用品

國防工作人員的工作具有一定的特殊性，所處環境相對一般人員可能會更容易遭受致命傷害，在個人防護設備準備不足的情況下，傷亡率相對較高，輕質高強度的多功能防護用品將成為新的研究方向。邵羽南等[33]研制的白石墨烯/聚甲醛復合材料的摩擦系數隨著石墨烯含量的增加而逐步增加，復合材料的磨損隨著白石墨烯含量增加呈現先增加再降低然后再增加的趨勢，這是因為石墨烯本身的高模量和高硬度增加了材料的摩擦系數。WANG G R等[34]研究了界面鍵對聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯界面性質和破壞模式的影響，結果表明，通過氫鍵改善界面相互作用，復合材料界面趨于硬化和強化。相關研究表明，通過干噴濕紡的方式制造出的石墨烯纖維具有一定的柔性，并將其與尼龍纖維一起混紡成紗線織造成織物，具有一定的機械強度[35]；此外，將石墨烯永久涂覆在紡織材料上，制備的衣物具有防彈功能[36]。石墨烯的添加可以使織物質量減輕的同時提升織物的機械強度。

2.3 醫療衛生用品

隨著社會的發展，生物及化學類的污染越來越嚴重，在各種病毒爆發時防護服等用品成為了防止病毒危害醫護人員的第一道防線。傳統的防護服透氣性差，防護服中使用的紡織材料可能成為病毒生長的良好載體，可導致病毒的傳播。借助石墨烯的抗菌性能，對織物進行改性，可以制備具有良好抗菌性能的防護服。石墨烯可用于制備醫務人員的手套、口罩和防護服。N.NOOR等[37]通過化學溶液浸漬工藝浸漬納米銀顆粒修飾的氧化石墨烯納米復合材料，增加了納米銀粒子在織物基材上的穩定性，從而增強了漂洗再利用能力和抗菌性能。R.M.ENINGER等[38]開發了基于石墨烯過濾的 Guardian G-Volt 面罩，可自我消毒、殺毒和可重復使用，與N95口罩相比，G-Volt對0.3 μm的病毒的有效率為99%。浙江大學常州工業技術研究院利用石墨烯涂層無紡布，研制出石墨烯抗菌防霧口罩，其PM2.5過濾效率達96.4%[1]。添加石墨烯后織物具有獨特的抗菌效果，可應用于醫療衛生產品中，有效防止血液、唾液、體液飛濺進而導致的病原體污染。

2.4 智能紡織品

目前，石墨烯在智能紡織品中得到了廣泛應用，并用于人類健康護理或環境監測。

S.AFROJ等[39]將石墨烯涂層紗線集成到柔性傳感器中，繼而通過自動射頻識別技術或藍牙將數據發送到設備，石墨烯紡織品傳感器顯示出優異的溫度敏感性，具有良好的可洗脫性和極高的柔韌性，表明石墨烯在可穿戴電子紡織品中具有良好的應用前景。石墨烯還可以通過激光書寫技術制備，應用在紡織品上，使得石墨烯電子紡織品的制造變得簡單。XU X W等[40]通過絲網印刷工藝將石墨烯溶液沉積在紡織品上制成石墨烯紡織電極，用于監測心電圖反應，記錄心電信號，得到的心電信號表現出良好的穩定性。

石墨烯智能紡織品還可用于有害氣體檢測，如二氧化氮、硫化氫、氨氣、甲醛、氫氣或二氧化硫等的檢測。然而，電子元件與可穿戴材料之間附著力差，對于開發更好的電子紡織品氣體傳感器一直是很大的障礙[41]。

綜上所述，石墨烯智能紡織品具有良好的導電性能，且能根據其性質制作各種智能設備。智能設備能對人體的各項生理指標進行監測，具有良好的應用性。

3 結語

石墨烯是一種新型環保材料，其與織物結合后可使織物具有抗菌、抗紫外線、遠紅外、導電、抗靜電等功能。由于其優異的特性，將其應用于特種紡織品中成為了新的方向。石墨烯及其衍生物應用于消防及潛水用防護服、高機械強度防護用品、醫療衛生用品、智能紡織品等領域具有獨特優勢，其中智能紡織品將成為紡織品未來發展的趨勢之一，石墨烯獨特的導電性及輕質性成為了實現智能化的希望。然而，目前石墨烯大規模應用于紡織品仍具有一定的差距。石墨烯由于其自身生產成本較高，即使與其他物質混合加入織物中，仍需較高成本，且均會因織物的洗滌或彎折次數增加而使其功能穩定性和持久性效果降低。此外，部分織物因加入石墨烯而出現難以染色等問題。因此，在未來石墨烯改性織物的研究及應用中，如何平衡石墨烯含量與產品成本還需進一步研究，如何避免織物洗滌及彎曲帶來產品性能的下降成為石墨烯紡織品推廣應用的難題。