石墨烯在滌棉面料中的開發應用分析*

蘇 昊

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213000）

目前阻燃紡織品開發技術包括生產具有阻燃性的纖維和在紡絲原液中加入阻燃整理劑，國內外使用后一種加工方法制備阻燃紡織品，將碳納米管、石墨烯等納米材料加入纖維內部，具有改善紡織品的阻燃性能等作用，因此石墨烯用于紡織品阻燃具有廣闊前景。紡織品面料產品創新方向是高性能材料，石墨烯滌綸纖維就是研發高性能材料中的一種。設計石墨烯服裝面料具有遠紅外功能，可吸收人體皮膚散發的濕氣，具有較低的表面電阻率。

1 石墨烯在織物領域應用研究

由于石墨烯在導電導熱等方面表現出色，迅速得到廣大學者的青睞，廣泛應用于復合材料制備，傳感器等領域[1]。由于中間分子作用力較強，發展具有局限性。石墨烯衍生物材料具有諸多優良性能，成為國內外學者研究的熱點，為紡織行業創新發展起到推動作用。石墨烯及衍生物用于新型纖維制備，使用石墨烯新型纖維目前取得重要突破。石墨烯纖維是以石墨烯為單元制備的纖維，由于石墨烯為二維片狀結構，無法按同取向組成連續長條，難以溶于有機溶劑。2011年浙大研究報道使用氧化石墨烯納米微片可在水溶液中形成液晶相，通過化學還原方法制備石墨烯纖維。此后制備技術專利申請數量不斷增加，石墨烯應用范圍不斷拓寬。關于制備石墨烯纖維的方法不斷得到突破。研究提出干法紡絲制備石墨烯纖維方法，可用于織物紡織。

雖然石墨烯纖維制備方法不斷創新，但目前石墨烯纖維局限于實驗室制備，無法批量投入市場。石墨烯復合纖維是不同于石墨烯纖維的熱門材料，可在原有纖維基礎上進行改性整理。研究使用浸泡還原方法，使用石墨烯對羊毛等纖維進行改性整理，獲得氧化石墨烯以牛血清蛋白等作為粘附劑對改性纖維進行整理可提高耐久性。普通紡織品能滿足人們御寒保暖等需求，帶有特定功能紡織品的出現能滿足人們新的需求。石墨烯功能紡織品是以石墨烯為改性材料準備的紡織品，如導電導熱紡織品等[2]。由于石墨烯具有諸多優良性能，可根據整理工藝不同賦予紡織品不同功能。

2 石墨烯紡織品性能分析

目前利用石墨烯研制功能性面料成為研究熱點，但市面上石墨烯紡織品較少。原因是石墨烯材料價格昂貴，生產方法復雜；企業認為石墨烯過于高端，通過各種方法與各類織物結合比傳統布料更加舒適。石墨烯功能面料在抗菌、防紫外線等方面應用市場廣闊，石墨烯符合綠色發展理念，可以拓展石墨烯功能面料在紡織領域中的應用，很多石墨烯紡織品逐漸被人們接受，石墨烯功能面料引領高端紡織材料發展。

石墨烯在紡織品中具有良好抗菌性、保暖性、抗靜電性等性能。隨著人們生活水平的提高，抗菌類紡織品滿足人們隔絕細菌侵擾的需求。傳統紡織品在穿著中會因汗漬等環境滋生微生物，紡織領域中抗菌材料非常重要。當前市面上無機系抗菌劑因無毒無污染等特點廣泛應用于抗菌面料中。石墨烯衍生物抗菌性優異，氧化石墨烯是石墨烯衍生物中研究應用最多的抗菌抗病毒材料，不會對環境造成污染[3]。石墨烯具有優異的抗菌性能，可與皮膚直接接觸。對石墨烯含量與抑菌性能關系進行研究發現，抑菌性能隨著石墨烯含量增加增強。目前石墨烯抑菌性能可用于內衣褲等與人體密切接觸的紡織產品，石墨烯應用市場潛力巨大。石墨烯纖維相比其他抑菌纖維具有很大優勢，隨著石墨烯抗菌性研究，及產品質量標準的建立，石墨烯抗菌在生活中發揮關鍵作用。

石墨烯面料保暖效果利用遠紅外升溫，紅外線是波長0.76-1000μm的電磁波，波長2.5-1000μm的電磁波為遠紅外線[4]。遠紅外線由于波長較大，使用有較少燙傷的危害。紅外線具有改善微循環系統等作用，石墨烯能吸收輻射40%的遠紅外線，面料可迅速升溫。在低溫下可發射遠紅外波。研究人體微循環測試表明，使用石墨烯面料受測人體PU值提高，測得人體皮膚表面溫度提高。石墨烯保暖性能在保暖內衣上廣泛應用，石墨烯材料主動產熱式保暖效果明顯，應用于女性保暖內衣具有健康理療功效。石墨烯具有電磁屏蔽性、阻燃性等特性。通信技術迅速發展帶來磁污染，強電輻射影響人體健康，氧化石墨烯與輕質棉織物結合植物屏蔽性能提高，石墨烯織物可滿足商用級應用。

3 石墨烯改性面料的研發

石墨烯具有諸多優異性能，將石墨烯用于紡織行業具有較大開發價值。石墨烯在紡織領域應用方式包括改性纖維與功能性整理。石墨烯改性纖維開發紡織面料要把握其特性，保持紡織品各項基本性能，使其具有幾種功能特質，開發產品要具備石墨烯獨特的功能性，結合企業優勢產品類型做好產品設計開發。石墨烯改性面料研發包括產品設計因素分析，機織印染服裝面料設計開發，家紡面料設計開發等。

采用石墨烯改性聚酯短纖維單纖維密度為1.3dtex，石墨烯在纖維內占比1%。石墨烯改性面料產品設計受到纖維顏色與舒適性影響。石墨烯改性纖維呈深灰色，無法處理顏色限制了面料呈現效果。石墨烯改性合成纖維化纖感強，考慮其功能實現要求盡量貼膚。研發石墨烯面料以深色為主，將石墨烯本色作為面料點綴色[5]。織物層主要為石墨烯纖維，組織結構以經緯紗異面分布組織為主，有利于突破纖維顏色限制，在不影響服用功能下降低成本。通過測試分析多種成分配比石墨烯改性混紡紗線，石墨烯含量達50%具有功能性指標，考慮改性纖維含量過高會影響舒適性，確定面料中石墨烯改性纖維占比為50-60%。

機織印染服裝面料應用石墨烯改性滌綸開發產品包括緯紗采用石墨烯改性滌綸短纖維混紡氨綸包開發彈力褲面料，與棉纖維混紡紗開發機織襯衣面料。石墨烯機織面料開發品種包括采用JC14.8tex經紗或采用18.4tes經紗，混紡比50/50，經密為512根/10cm，幅寬208cm，染色工藝為地面雙染。石墨烯改性滌綸短纖與精梳棉混紡緯紗，緯紗細度1408tex，緯密為315根/10cm，染色工藝為滌棉雙染。石墨烯改性牛仔面料設計開發采用滌綸短纖維與棉纖維混紡緯紗，紗線細度16.4tex，二上一下右斜紋，經密為472根/10cm，幅寬為150cm。牛仔布斜紋組織結構使織物表面為經支持面，保持經典牛仔面料風格的同時兼具石墨烯功能。

4 石墨烯在滌棉織物中的實驗研究

滌棉織物兼具棉組分良好柔軟性和滌綸組分具備的良好機械性能，大量用于產業用等方面。滌棉織物為易燃紡織品，使得滌綸組分受熱熔融生成熔滴無法正常滴落帶走熱量，對其進行阻燃整理需要兼顧兩種組分的區別。目前許多學者使用多種方法提升滌棉織物的阻燃性能。有學者用光接枝技術把AM接枝到滌棉織物，改性滌棉極限氧指數增大，改善織物阻燃性能。氧化石墨烯在許多方面與石墨烯具有相近性，將其用于紡織品阻燃整理中，可組織氧氣與物體的深層接觸。與阻燃劑使用可起到協同作用，氧化石墨烯表面含有大量官能團，能實現對紡織品的改性。

近年來智能紡織品得到快速發展，不斷滲透到健康汽車等領域，導電性能是智能紡織品的基本要素，針對導電紡織品的大量需求，許多學者作出相關研究取得系列成果。導電紡織品使用中會因電壓使用不當等因素產生熱量引發火災，人們對用于消防服等方面的紡織品進行阻燃整理，應用于可穿戴電子產品的導電紡織品具有易燃性。石墨烯在賦予紡織品良好導電性方面得到較多應用，具有二維層狀結構，導熱性能優異。將其用于紡織品功能整理中，能覆蓋織物，加快熱量散失，建立完整的導電網絡。

5 石墨烯在滌棉面料中的應用試驗

實驗采用材料織物為加入1%功能化的石墨烯滌綸36.8tex，全棉36.8tex，規格CVC36.8tex×59tex，織法3/1，染化料為分散紅玉S-5BL100%，分散黑S-3BL100%，活性紅SBE100%。助劑包括雙氧水，雙氧水穩定劑，分散螯合劑HF-1，碳酸氫鈉，防沾皂洗劑DL-106。使用儀器包括絲光機、定型機，還原皂洗機，SF600PLUS-CT電腦測色配色儀，SW-12A耐洗色牢度試驗機，Y571B型摩擦牢度測試儀。

石墨烯滌棉梭織產品處理工藝流程為燒毛→氧漂→絲光→烘焙→拉幅。石墨烯滌棉染工藝燒毛為兩正一反，燒堿28-30g/L，分散螯合劑HF-12g/L。氧漂燒堿3-4g/L，雙氧水穩定劑5-6g/L，分散螯合劑HF-12g/L，定型210℃，幅寬為成品幅寬加5cm。石墨烯滌綸36.8tex。（見表1）

表1 半成品測試與質量判定

打底機染色顏色為藏藍，工藝配方為200%分散深藍HG 4g/L，200%活性黑ED4.5%，分散螯合劑HF-12g/L，工藝條件為烘干溫度80-100℃。烘焙工藝條件為205℃90s，還原皂洗機氣蒸固處理，工藝配方為碳酸氫鈉30g/L，防染鹽S1g/L，工藝條件為102℃氣蒸70s，皂洗工藝95℃5min。后整理工藝中，拉幅工藝幅寬為成品幅寬，預縮縮率105℃。石墨烯滌棉紡織物抑菌性能分析檢驗依據為GB/T20944.3-2008。生物質石墨烯滌棉紡織物遠紅外性能檢測依據為《紡織品遠紅外性能檢測》。（見表2、表3、表4）

表2 打底機染色后半成品測試與質量判定

表3 石墨烯滌棉紡織物抑菌性能

表4 生物質石墨烯滌棉混紡織物遠紅外性能

6 結束語

氧化石墨烯在阻燃、導熱等功能紡織品制備中得到大量應用。可選用石墨烯不同形式，獲得所需的功能紡織品。石墨烯在防治領域表現巨大的潛力，石墨烯基本功能紡織品逐漸走向人們的生活。本文研究介紹石墨烯在紡織領域的應用，分析石墨烯功能紡織品的性能，總結石墨烯改性面料的研發，進行石墨烯在滌棉面料中的應用試驗。研究表明石墨烯滌綸前處理工藝中，半成品測試數據與經燒堿處理后無明顯變化；石墨烯所致面料開發按設定工藝流程正常運行，具有抑菌功能；石墨烯在加入染色前及后處理工序對半成品質量影響不大。