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當石墨烯遇上紡織,一切皆有可能!

日期:2018-03-23 11:30:41    作者:院办公室    浏览量:7038 次

譽爲“黑金”的石墨烯,作爲21 世紀最具顛覆性的“新材料之王”,是全球科技界的兵家必爭之地。目前,歐洲、美國、日本等衆多國家,都把石墨烯列爲本世紀最重要的新材料進行研究和開發,並已在新能源、電子等方面取得重要進展和初步應用效果。我國也明確把石墨烯作爲國家重要戰略材料列入國家“十三五”規劃。在這一背景下,在紡織工業尋求高端化發展的今天,紡織工業與石墨烯會産生怎樣的火花?

近些年,因爲石墨烯引發了在科研各個領域的研究熱潮,使得其在紡織上的應用嶄露頭角,慢慢成爲紡織材料和功能紡織品的研究熱點。在紡織領域石墨烯的優點有①提升纖維斷裂強度; ②使纖維具有良好的阻燃性; ③增強産品的防紫外線性能; ④具有理想的遠紅外發射功能; ⑤使織物具有導電性。

1 石墨烯新型纖維

石墨烯纖維

石墨烯纖維,通常是指将石墨烯组装为宏观的纤维结构,由石墨烯直接制备得到。石墨烯是一种纳米级的片状结构,它易通过溶液过滤法得到二维的石墨烯膜,或通过水热法得到三维的石墨烯块状体。然而,由于化学合成法得到的石墨烯尺寸和形状不规则,且层与层之间的堆叠不牢固,将微观石墨烯片直接组装成宏观的石墨烯纖維一直是困扰相关研究学者的难题。

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直到2011 年浙江大学高分子系高超教授课题组通过研究发现氧化石墨烯片可以在水溶液中形成液晶相,并随浓度变化呈现片状排列或螺旋结构,这使得制备宏观石墨烯纖維成为可能。

随后,高超等通过氧化石墨烯液晶相的湿法纺絲法,首次成功纺制出长达数米的宏观石墨烯纖維,并在Nature Communications 发表该文章,文章中的石墨烯纖維打结圖( 3) ,入選Nature 雜志2011 年度11 幅经典圖片。Cong等随后采用氧化石墨烯悬浮液为原料,经流体纺絲法获得氧化石墨烯纖維,后经化学还原制备石墨烯纖維,并提出了卷曲- 折叠构造氧化石墨烯纖維的机理。用该方法制备石墨烯纖維有利于石墨烯与其他有机、无机材料复合,促进了石墨烯纖維的功能化发展。

此后,随着石墨烯纖維制备研究的深入,不同的制备方法也相继被报道。为了解决湿法纺絲制得的石墨烯纖維拉伸强度相对较低的问题,Tour 研究組用大片氧化石墨烯( 平均直徑22μm) 为原料通过湿法纺絲法合成石墨烯纖維,结果表明,该方法制备的石墨烯纖維拉伸模量比之前的方法高出一个数量级,且纤维的打结率高达100%

通过改进湿法纺絲过程,北京理工大学曲良体课题组发明了一种“双毛细管同轴纺絲法”,并采用该方法成功制备了中空石墨烯纖維和珍珠状的中空石墨烯纖維,研究表明,该方法能够连续生产形貌可控的中空石墨烯纖維。

清华大学朱宏伟课题组发明了一种石墨烯纖維的“直拉法”,他们先采用化学气相沉积法制得石墨烯薄膜,再从石墨烯薄膜表面直接抽取石墨烯纖維,制备了多孔单片的石墨烯纖維。该课题组还利用化学气相沉积法直接在铜网上生长石墨烯,随后用氯化铁的盐酸溶液刻蚀掉铜网,得到网状中空石墨烯纖維,即石墨烯编织物。除此之外,还有学者分别用电泳自组装技术和溶液自组装的方法成功制备出宏观石墨烯纖維。

石墨烯纖維的制备方法多种多样,得到的纤维种类也不尽相同,各种方法制备的宏观石墨烯纖維具有优异性能,为石墨烯纖維在诸多领域的进一步功能化及应用提供了材料基础。然而,目前报道的制备方法仅限于实验室研究阶段,制备条件要求相对较高,实际生产应用仍需要解决一系列的难题,且石墨烯纖維的柔韧性能和表面摩擦性能等仍不能满足传统纺纱和织造工艺对纤维可纺性的要求,也限制了石墨烯纖維在纺织上的进一步应用。

石墨烯複合纖維

石墨烯複合纖維的研发为石墨烯纖維在纺织生产应用中的难题提供了一个相对简单的解决方法。青岛大学曲丽君课题组以传统粘胶纺絲液为基体,通过添加稳定分散的石墨烯悬浮液制备低石墨烯含量的石墨烯/粘膠複合纖維,其導電、熱學、抗菌性能與常規再生纖維素相比均有提高。該方法解決了石墨烯在強堿性粘膠紡絲原液中分散性較差及複合纖維濕法紡絲連續化生産等技術難題,成功生産出石墨烯/粘膠複合纖維,填補了國內外工業化生産該種纖維的空白。

Shin 等將碳納米管和石墨烯片結合嵌入到聚乙烯醇纖維中,獲得了高強度複合纖維材料。研究表明,該複合纖維的質量剛性爲1000J·g-1,遠超過蜘蛛絲( 165J·g -1 ) Kevlar ( 78J·g-1 ) 。此外,石墨烯功能化海藻纖維、石墨烯納米帶/碳复合纤维、聚乙酸乙烯酯基石墨烯複合纖維等也被成功制备。

1. 2 石墨烯功能織物

導電織物

石墨烯优异的导电性能为功能纺织品的研发开辟了新的路径,将石墨烯处理到织物上,可制备性能优异的抗静电或者導電織物。例如,MOLINA等采用氧化石墨烯溶液直接浸泡後還原的方法,制備石墨烯改性滌綸織物。研究表明,石墨烯改性後滌綸織物的導電性能有大幅度提升,各項電化學性能也均有所提升。

Shateri-Khalilabad M 等人也采用還原氧化石墨烯的方法獲得還原的石墨烯改性棉織物,經測試表明,改性後的棉織物不僅具有優異導電性能,該織物的疏水性能也非常顯著。

李斌斌等采用噴塗法將石墨烯塗覆到碳纖維織物上,獲得具有優異的導電性和導熱性的多功能織物,該織物的優異導電性能用于雷電的傳導和消耗,有利于提高抗雷擊性能。

抗菌織物

除了具有獨特的電學、光學、熱學、機械等性能,石墨烯和氧化石墨烯還具有令人驚奇的抗菌性能。2010 年中科院上海應用物理研究所Hu W等首次报道了氧化石墨烯、石墨烯具有抗菌性能,这一发现为石墨烯的应用研究拓展了新的方向。该报道指出氧化石墨烯、还原氧化石墨烯能够有效地抑制大肠杆菌的生长,并且细胞毒性很小,更适合与人体皮肤直接接触,将石墨烯、氧化石墨烯整理到织物上,可制备抗菌織物。

李景烨等利用氧化石墨烯的抗菌性能制备了氧化石墨烯抗菌織物。他们先用交联剂浸泡织物用作滤布,然后用该织物滤布过滤氧化石墨烯水溶液,如此获得附着氧化石墨烯的织物,最后用对织物表面附着的氧化石墨烯和交联剂进行固化得到抗菌織物。

彭勇刚等采用对人体无任何毒副作用的氧化石墨烯和壳聚糖作为抗菌成分,通过溶液浸泡法制备两z咕织物。

Zhao J M采用辐射交联法、化学交联法和直接吸附法三种不同的方法分别制备了氧化石墨烯抗菌棉织物。结果表明,三种氧化石墨烯抗菌織物的抗菌率均大于98%,且耐水洗性良好,經過100 次水洗測試後,抗菌率仍保持在90%以上。

其他功能織物

隨著相關學科的發展和人們對石墨烯材料關注度的不斷提高,石墨烯在紡織上的應用日益增多,新型功能紡織品不斷出現,包括導熱織物、紫外線防護織物、遠紅外發射織物、阻燃織物、儲電織物等,爲石墨烯功能紡織品的開發及其工業化生産提供了更多選擇。例如,ABBAS A 等報道了石墨烯導熱織物,具體做法是把石墨烯納米片分散于樹脂溶液並用其對織物進行整理,結果表明石墨烯/樹脂溶液對織物的整理能一定程度的提高織物的導熱系數。

青島大學曲麗君課題組研究了石墨烯防紫外線功能織物,他們通過優化石墨烯與聚氨酯的添加比例配置了最優石墨烯/聚氨酯水溶性複配液,並用此複配液對棉織物改性整理獲得防紫外線織物,該織物石墨烯含量僅0. 4%,使紫外線防護系數UPF 值高達356。該課題組隨後還報道了具有遠紅外發射、導電、防紫外線多功能的石墨烯織物。

陕西科技大学吕生华等对氧化石墨烯进行氨基化改性并用其对絲织物改性处理得到具有阻燃功能的石墨烯织物。

黃國波等報道了氧化石墨烯複合阻燃織物,爲減少傳統的阻燃劑的使用量,他們利用氧化石墨烯的協同阻燃作用,將氧化石墨烯與傳統阻燃劑複合制備了複合織物塗層。

YAGHOUBIDOUST F 等通過原位聚合法制備了氧化石墨烯/聚吡咯改性棉織物,結果表明,該織物具有優異的儲電性能,在電荷存儲領域有良好的應用前景。

結語

目前,国内外关于石墨烯材料应用于新型纺织纤维、功能纺织品的报道已屡见不鲜。新型纤维材料方面包括石墨烯纖維、石墨烯複合纖維等,逐渐克服工业化生产难题,步步推进。功能纺织品方面包括導電織物、抗菌織物、导热织物、紫外线防护织物、远红外发射织物、阻燃织物、储电织物等拥有一种或多种性能的功能纺织品报道源源不断。

然而,目前国内外关于石墨烯应用于纺织的研究仍处于起步阶段,离真正的实际应用还有很大的距离。目前关于新型石墨烯纖維的研究大多聚焦于新的石墨烯纖維的合成方法,缺少对影响纤维性能的综合因素的系统研究。此外,尽管通过湿法纺絲能够实现石墨烯纖維的连续生产,但实际生产出高质量的石墨烯纖維还需要更多努力。功能纺织品方面新的功能、新的制备方法研究虽然层出不穷,但单一外观、功能性与舒适的服用性能之间难以兼容等问题仍然难以解决。

總之,石墨烯在紡織上的應用前景廣闊,隨著對石墨烯各方面研究的不斷探索,相信高性能的石墨烯紡織材料、石墨烯功能紡織品出現在日常生活中也不僅是在夢中。

石墨烯在紡織上的應用研究,胡希麗,田明偉,朱士鳳,曲麗君( 青島大學紡織學院,山東青島, 266071)

轉自石墨烯資訊


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