石墨烯改性纖維在水刺非織造布的應用現狀與趨勢

郭 奇，郭守才，蘇懷平，艾現國，田明偉

(1.山東盛和紡織股份有限公司，山東 臨沂 276200；2.青島大學，山東 青島 266071)

石墨烯是僅有一層碳原子厚度的片狀納米材料[1]， 是目前世界上最薄的材料，其獨特的蜂窩狀晶格結構賦予其優異的電學、光學、力學和熱學性能。氧化石墨烯是天然石墨通過氧化反應，再經超聲分散形成的，其微觀結構與石墨烯相似(如圖1所示)，但表面富含有羥基、 羧基等極性基團，這些極性基團對氧原子、 氧自由基吸附能力很強，因此氧化石墨烯可以微生物對發生作用，通過包裹、纏繞或片層的邊緣切割等使細菌失活，從而表現優異的抗菌性[2，3]。

圖1 氧化石墨烯的化學結構圖[1]

石墨烯改性纖維一般是指將一定量的石墨烯或氧化石墨烯與紡絲液共混紡絲或將其涂覆在纖維表面形成的一種新型改性纖維[4]。石墨烯改性纖維除了具有基體材料的特性外，還具有石墨烯或氧化石墨烯的遠紅外發射功能、防紫外線性、高吸附性、抗菌抑菌性和抗靜電性等優異功能。

水刺非織造材料是利用高速水針的穿透力對纖維進行取向、相互纏結和黏連，因此具有強力高、吸濕透氣性好、手感柔軟、無化學粘合劑等優點，在醫療衛生方面，如手術衣、紗布、防護服、尿片、濕面巾、一次性衛生用布等應用特別廣泛。受新冠疫情的影響，防護用品需求快速增長，醫用非織造材料的創新至關重要。因此將石墨烯改性纖維應用于水刺非織造材料的研發，使其具有抗菌抑菌、遠紅外發射和抗靜電性等功能，對新冠疫情防控具有積極意義。

1 石墨烯改性纖維

1.1 石墨烯改性粘膠纖維

粘膠纖維是一種再生纖維素纖維，具有吸濕性好、光滑涼爽、抗靜電、防紫外線、染色牢度較好、色彩絢麗等優點。李昌壘等人[5]利用濕法紡絲工藝制備了石墨烯含量不同的再生纖維素纖維，并對該纖維形態結構及功能特性進行了研究，發現石墨烯再生纖維素復合纖維的形態與常規粘膠纖維形態相似，橫截面呈鋸齒狀結構，縱向有溝槽，石墨烯在纖維中分散較均勻；當石墨烯含量達到3%以上時，石墨烯再生纖維素復合纖維的UPF值經達到50+，且T(UVA)小于5%，滿足GB/T18830-2002中的“防紫外線產品”要求；熱重分析發現，普通纖維素纖維的最大失重速率約在327℃，而復合纖維約在346℃，說明復合纖維的熱分解溫度升高，石墨烯復合纖維具有更好的熱穩定性。同時指出，石墨烯再生纖維素復合纖維可紡性好，適用不同類型產品，市場前景廣闊。

1.2 石墨烯改性錦綸

錦綸是常用服裝面料之一，其耐磨性好、強度高、化學穩定性較好。王雙成等人[6]以石墨烯作為微納米填充材料與聚酰胺-6共混，通過混料機預混合和雙螺桿擠出機熔融擠出造粒制得石墨烯改性聚酰胺功能母粒。研究發現石墨烯均勻分布在聚酰胺-6中，石墨烯改性聚酰胺功能母粒的含水率、相對粘度、熔融指數等均達到紡絲要求，指出石墨烯改性聚酰胺功能母粒紡制纖維具有抗紫外線、遠紅外和抗菌抑菌等功能。孫凱凱等人[7]將石墨烯作為耐日曬老化功能材料與水溶性聚氨酯共混得到功能性涂層助劑，并將其涂覆于錦綸長絲表面，測試發現在實驗室紫外燈模擬輻照下，功能助劑改性后的錦綸長絲的強力損失率低于50%，較常規錦綸長絲改善明顯，且具有較好的導電性。

1.3 石墨烯改性滌綸

滌綸合成工藝簡單，具有化學性質穩定、挺括、易洗快干等優點，在紡織服裝領域應用廣泛。王雙成等人[7]將生物質石墨烯作為功能材料與分散劑及聚酯粉體通過熔融共混的方式制備母粒，再經過熔融紡絲工藝制備出石墨烯改性滌綸短纖維。研究發現，該纖維除具有強度高、耐腐蝕、膨松性高、保暖性強、手感柔軟滑爽、透氣性好等優點外，還具有抗菌抑菌、抗靜電、遠紅外等功能，產品附加值高，市場前景好。

1.4 石墨烯改性腈綸

腈綸是一種理想的代替羊毛的合成纖維，其保暖性、彈性、蓬松性較好。施其權等人[8]將氧化石墨烯添加到溶劑N，N-二甲基乙酰胺中制備了不同氧化石墨烯含量的紡絲液，利用濕法紡絲技術制備了聚丙烯腈/氧化石墨烯纖維，研究發現：制備的聚丙烯腈/氧化石墨烯纖維平均拉伸斷裂強度大于2.0 cN/dtex，可滿足紡織工藝要求，同時，與純腈綸織物相比，聚丙烯腈/氧化石墨烯纖維織物抗紫外性能達到50+級別，對紫外線屏蔽效果較好，因此其在功能材料、服裝領域具有一定的應用前景。

1.5 石墨烯改性聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇(PVA)成膜性和成纖性較好，常規的PVA纖維是聚乙烯醇縮甲醛纖維(維尼綸)。維尼綸曾大量應用于服裝行業，但其存在易褶皺、不易染色等缺點而逐漸被其他合成纖維所代替。王雪新等人[9]采用凝膠紡絲制備了氧化石墨烯改性高強聚乙烯醇纖維，研究了氧化石墨烯的含量及紡絲工藝對氧化石墨烯改性高強聚乙烯醇纖維性能的影響。發現氧化石墨烯PVA溶液分散性好，當噴頭負拉伸為0.2時，初生纖維拉伸性能最好；當氧化石墨烯質量分數為0.1%時，氧化石墨烯改性高強聚乙烯醇纖維具有最好的拉伸性能，其最大拉伸倍數、強度和模量分別為41倍、15.6 cN/dtex和185 cN/dtex，比純聚乙烯醇纖維提高了36.7%、16.4%和79.6%。

2 石墨烯改性纖維在水刺非織造布的應用

現階段，石墨烯改性纖維在水刺非織造布的應用研究較少，主要集中在純石墨烯改性纖維水刺非織造布和石墨烯改性纖維/其他纖維混合水刺非織造布。

2.1 純石墨烯改性纖維水刺非織造布

純石墨烯改性纖維水刺非織造布為黑色，具有良好的力學性能及抗菌抑菌性、遠紅外、抗靜電等功能。韓素青等人[10]將石墨烯添加到粘膠纖維、莫代爾纖維、聚乳酸纖維中，研發了石墨烯改性粘膠纖維、石墨烯改性莫代爾纖維及石墨烯改性聚乳酸纖維，進而制備了石墨烯改性纖維水刺非織造布，并對水刺非織造布的斷裂強力、透氣性、負離子性、抑菌性和遠紅外等指標進行了測試，研究發現石墨烯改性聚乳酸纖維水刺非織造布的強力最高，各水刺非織造布的負離子發生量> 550個/cm3，符合國家標準規定，均具有良好的抗菌性，各水刺非織造布的遠紅外發射率均大于0.88。任強，田慧[11]將石墨烯材料粘膠纖維作為原料，通過優化梳理水刺工藝，開發了石墨烯材料粘膠纖維水刺非織造布。研究發現，該水刺非織造布對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率均≥98%，抗菌性好，氨吸附率為43.6%，吸附效果好，并提出可將透射電子顯微鏡-能譜儀聯用法用于石墨烯材料粘膠纖維的鑒定。

2.2 石墨烯改性纖維/其他纖維混合水刺非織造布

由于石墨烯改性纖維價格較高，石墨烯改性纖維/其他纖維混合水刺非織造布既可降低生產成本，又能使產品具有石墨烯改性纖維的優點，市場前景較好。王華，王華[12]為改善文胸模杯的舒適性及功能性，開發了一種文胸模杯復合織物，其使用聚丙烯酸酯類黏合劑在3D棉表層黏合一層石墨烯纖維素纖維/相變纖維水刺非織造材料，石墨烯纖維素纖維/相變纖維的混合比分別為0∶100、20∶80、50∶50、80∶20、100∶0。研究發現，復合織物具有抗靜電性，其舒適性、保型性、防紫外線性能均有所提高，當其中的石墨烯纖維素纖維含量為50%～80%、克質量為60～80 g/m2時，具有遠紅外功能。

3 石墨烯改性纖維在水刺非織造布的發展趨勢

3.1 拓展應用領域

現階段，石墨烯改性纖維水刺非織造布在醫療衛生方面有一定程度的應用，開發了面膜、醫用敷料等產品，但鮮有在家庭裝飾方面，如貼墻布、臺布、床單、床罩等；服裝方面，如粘合襯、絮片、定型棉、合成革底布方面的應用。石墨烯改性纖維是石墨烯材料和基體材料的功能復合型纖維，除具有基體材料的常規物化性能之外，還具有防紫外線、高吸附、抗菌抑菌、遠紅外和抗靜電性等多種功能，因此不斷開發石墨烯改性纖維水刺非織造布新產品，滿足消費者的個性化需求，不斷拓展石墨烯改性纖維水刺非織造布的應用領域，是其今后發展的重要趨勢之一。

3.2 降低生產成本

石墨烯改性纖維價格較高，是常規纖維價格的幾倍甚至十幾倍，雖可通過與其他纖維混合以達到降低成本的目的，但在保證質量與功能的前提下，成本幅度有限，導致廠家及客戶使用意愿低。因此，通過優化水刺工藝，如多層不同纖網復合；研發織物新結構，如局部設置石墨烯改性纖維材料；開發多層復合材料，如復合單層或多層石墨烯改性纖維材料等方式降低石墨烯改性纖維水刺非織造布的生產成本是推動其進一步發展的重要方式。

4 結語

石墨烯材料作為現階段最具發展潛力的新材料之一，可明顯提高紡織品的附加值，其中石墨烯改性纖維已經實現規模化生產，其具有常規紡織纖維所不具備的復合功能，在紗線、面料及服裝應用較多，但受成本、市場認可度等因素制約，石墨烯改性纖維在水刺非織造布領域研發和應用較少。拓展石墨烯改性纖維水刺非織造布的應用領域和降低生產成本是提高其市場占有率，增加經濟效益的有效方式，也是其今后的重要發展趨勢。