石墨烯改性纖維水刺非織造布制備與性能研究

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)

石墨烯是目前世界上最薄材料，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[1]。氧化石墨烯微觀結構與石墨烯相似，但其表面富含有羥基、羧基等極性基團，可以與微生物對發生作用，從而表現優異的抗菌性[2，3]。

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者將其涂覆在纖維表面形成的一種新型改性纖維[1]，因此石墨烯改性纖維具有石墨烯或氧化石墨烯的遠紅外發射、防紫外線、抗菌抑菌性、抗靜電性等。

為探究石墨烯改性纖維水刺非織造材料功能性，本文選用石墨烯改性纖維多種功能性纖維混合水刺，制備了系列石墨烯改性纖維水刺非織造材料，并對其抗菌性進行了測試評價，為企業研發及研究工作提供參考。

1 實驗方案

1.1 實驗設計

1.1.1實驗原料

實驗原料分別為石墨烯改性纖維、海藻纖維、聚乳酸纖維、中藥改性纖維和天絲，實驗原料規格見表1，其中石墨烯改性纖維是指將一定量的石墨烯材料摻雜在纖維內部或者涂覆在纖維表面形成的一種新型改性纖維。石墨烯改性纖維除具有基材纖維的常規特性外，還具備高吸附性、抗菌抑菌和抗靜電等功能；海藻纖維吸濕性好，能吸收自重 20 倍的水分，因此可以用做醫用敷料繃帶，能很好的吸收傷口滲出液，使敷料更換的時間間隔延續一段較長時間，減少細菌的滋生，降低敷料更換次數，有利于患者治療；聚乳酸纖維是由乳酸聚合而成的高純度的半合成纖維，紡絲設備與工藝簡單，常溫下可進行，具有良好的生物降解性，被廢棄后分解成乳酸，最終完全分解成 CO2和H2O。中藥改性纖維是在天然纖維素的紡絲液中加入從中藥中提取的有效成分，與粘膠共混經過濕法紡絲而成的一種新型的植物抗菌纖維，其具有天然的抗菌和養護功能，效果持久，耐洗滌性好；天絲是一種采用溶劑紡絲技術加工而成的再生纖維素纖維，具有優良的性能，纖維干濕強度高，韌性好，干濕強度較粘膠纖維改善明顯，具有很高的初始模量以及抗彎剛度，極具剛性，是集合成纖維和天然纖維優點于一體的再生纖維素纖維。

表1 實驗原料規格

1.1.2水刺方案

實驗采用多種纖維混紡，試樣的纖維種類、混合比、實驗設計克重見表2。水刺法非織造主要工藝流程為纖維原料準備→開松混合→梳理成網→鋪網→預濕→水刺加固→脫水→烘燥定型→卷繞分切和檢驗包裝等，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

表2 水刺方案

1.2 測試方法

產品性能參照FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》進行測試；按照GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分 振蕩法》測試其抗菌性。

2 測試結果與討論

表3為各樣品單位面積質量偏差率、單位面積質量變異系數、斷裂強力、液體吸收量、pH值、抑菌率的測試結果。由表3可知，縱向強力明顯強于橫向強力，這表明纖維的縱橫向分布的概率是有差異的。這是由于加工工藝的影響：在纖維成網過程中，縱向受到拉力較大，纖維呈平行分布，取向度高，而橫向纖維一般混雜分布。從實驗數據中可以看出，縱向和橫向組中的數據均有個別差異較大的數據，這與所選試樣的位置有關，但并不影響對實驗結果的判斷與分析。

2.1 石墨烯改性纖維/海藻纖維樣品

樣品1～3中石墨烯改性纖維/海藻纖維的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質量偏差率均小于10%，單位面積質量變異系數均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》要求。

樣品1～3對大腸桿菌的抑菌率均大于98%，GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分 振蕩法》規定對大腸桿菌的抑菌率≥70%，即說明樣品具有抗菌效果。

樣品1～3的縱、橫斷裂強力縱、橫均小于50 N，不能滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》要求A類要求。

海藻纖維吸水率高，呈弱酸性，吸水后呈凝膠狀，因此隨著樣品中海藻纖維含量的降低，石墨烯改性纖維/海藻纖維的液體吸收量呈下降趨勢，如圖2所示，海藻纖維的單纖強力較低，同一成型工藝下，石墨烯改性纖維含量越高，樣品的強力呈現上升趨勢，如圖3所示。同時，樣品1～3 pH值變化不明顯，這可能是因為樣品海藻纖維含量相對較高，對pH值影響不明顯。

圖2 混合比與液體吸收量關系圖

圖3 混合比與斷裂強力關系圖

2.2 石墨烯改性纖維/聚乳酸纖維

樣品4～6中石墨烯改性纖維/聚乳酸纖維的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質量偏差率均小于10%，單位面積質量變異系數均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》要求。

表3 各樣品測試結果

樣品4～6的縱、橫斷裂強力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》A類要求。

樣品4、5對大腸桿菌的抑菌率均小于60%，樣品6對大腸桿菌的抑菌率為71.4%，因此按照GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分 振蕩法》規定只有樣品6具有抗菌效果。

石墨烯改性纖維具有抗菌性，而聚乳酸纖維不具有抗菌性，因此隨著樣品中石墨烯改性纖維含量的增高，樣品的抑菌率上升，抗菌效果越來越好，如圖4所示。聚乳酸纖維呈弱酸性，因此隨著聚乳酸纖維含量的降低，樣品的pH值呈現上升趨勢，如圖5所示。

圖4 混紡比與抑菌率關系圖

圖5 混合比與pH值關系圖

2.3 石墨烯改性纖維/中藥改性纖維

樣品7～9中石墨烯改性纖維/中藥改性纖維的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質量偏差率均小于10%，單位面積質量變異系數均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》要求。

樣品7～9對大腸桿菌的抑菌率均大于98%，GB T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分 振蕩法》規定對大腸桿菌的抑菌率≥70%即說明樣品具有抗菌效果。

樣品7～9的縱、橫斷裂強力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》A類要求。

由于中藥改性纖維具有抗菌性，因此樣品中中藥改性纖維的含量對樣品的抗菌性沒有明顯影響，產品均具有較好的抗菌性。

2.4 石墨烯改性纖維/天絲

樣品10～12中石墨烯改性纖維/天絲的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質量偏差率均小于10%，單位面積質量變異系數均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》要求。

樣品10～12的縱、橫斷裂強力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》A類要求。

樣品10、11對大腸桿菌的抑菌率均小于70%，樣品12對白色念珠菌的抑菌率為74.7%，因此按照GB T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分 振蕩法》規定只有樣品12具有抗菌效果。

石墨烯改性纖維具有抗菌性，而天絲不具有抗菌性，因此隨著樣品中石墨烯改性纖維含量的增高，樣品的抑菌率上升，抗菌效果越來越好，如圖6所示。

圖6 混合比與抑菌率關系圖

3 結語

石墨烯改性纖維水刺非織造布中纖維的縱橫向分布存在差異，導致縱向強力強于橫向強力；樣品1～12的單位面積質量偏差率、單位面積質量變異系數、液體吸收量、pH值均滿足FZ/T 64012-2013《衛生用水刺法非織造布》要求；樣品4～6、樣品7～12的縱、橫斷裂強力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013 A類要求，而樣品1～3的縱、橫斷裂強力縱、橫均小于50 N，不能滿足FZ/T 64012-2013 A類要求；樣品1～3、6、7～9、12對大腸桿菌的抑菌率均大于70%，滿足GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分 振蕩法》抗菌性要求，而樣品4、5、10、11對大腸桿菌的抑菌率均小于70%，因此不具有抗菌效果。