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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:院辦公室    瀏覽量:4220 次

譽為“黑金”的石墨烯,作為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、日本等眾多國家,都把石墨烯列為本世紀最重要的新材料進行研究和開發,并已在新能源、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為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產生怎樣的火花?

近些年,因為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,慢慢成為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增強產品的防紫外線性能; 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,通常是指將石墨烯組裝為宏觀的纖維結構,由石墨烯直接制備得到。石墨烯是一種納米級的片狀結構,它易通過溶液過濾法得到二維的石墨烯膜,或通過水熱法得到三維的石墨烯塊狀體。然而,由于化學合成法得到的石墨烯尺寸和形狀不規則,且層與層之間的堆疊不牢固,將微觀石墨烯片直接組裝成宏觀的石墨烯纖維一直是困擾相關研究學者的難題。

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直到2011 年浙江大學高分子系高超教授課題組通過研究發現氧化石墨烯片可以在水溶液中形成液晶相,并隨濃度變化呈現片狀排列或螺旋結構,這使得制備宏觀石墨烯纖維成為可能。

隨后,高超等通過氧化石墨烯液晶相的濕法紡絲法,首次成功紡制出長達數米的宏觀石墨烯纖維,并在Nature Communications 發表該文章,文章中的石墨烯纖維打結圖( 3) ,入選Nature 雜志2011 年度11 幅經典圖片。Cong等隨后采用氧化石墨烯懸浮液為原料,經流體紡絲法獲得氧化石墨烯纖維,后經化學還原制備石墨烯纖維,并提出了卷曲- 折疊構造氧化石墨烯纖維的機理。用該方法制備石墨烯纖維有利于石墨烯與其他有機、無機材料復合,促進了石墨烯纖維的功能化發展。

此后,隨著石墨烯纖維制備研究的深入,不同的制備方法也相繼被報道。為了解決濕法紡絲制得的石墨烯纖維拉伸強度相對較低的問題,Tour 研究組用大片氧化石墨烯( 平均直徑22μm) 為原料通過濕法紡絲法合成石墨烯纖維,結果表明,該方法制備的石墨烯纖維拉伸模量比之前的方法高出一個數量級,且纖維的打結率高達100%

通過改進濕法紡絲過程,北京理工大學曲良體課題組發明了一種“雙毛細管同軸紡絲法”,并采用該方法成功制備了中空石墨烯纖維和珍珠狀的中空石墨烯纖維,研究表明,該方法能夠連續生產形貌可控的中空石墨烯纖維。

清華大學朱宏偉課題組發明了一種石墨烯纖維的“直拉法”,他們先采用化學氣相沉積法制得石墨烯薄膜,再從石墨烯薄膜表面直接抽取石墨烯纖維,制備了多孔單片的石墨烯纖維。該課題組還利用化學氣相沉積法直接在銅網上生長石墨烯,隨后用氯化鐵的鹽酸溶液刻蝕掉銅網,得到網狀中空石墨烯纖維,即石墨烯編織物。除此之外,還有學者分別用電泳自組裝技術和溶液自組裝的方法成功制備出宏觀石墨烯纖維。

石墨烯纖維的制備方法多種多樣,得到的纖維種類也不盡相同,各種方法制備的宏觀石墨烯纖維具有優異性能,為石墨烯纖維在諸多領域的進一步功能化及應用提供了材料基礎。然而,目前報道的制備方法僅限于實驗室研究階段,制備條件要求相對較高,實際生產應用仍需要解決一系列的難題,且石墨烯纖維的柔韌性能和表面摩擦性能等仍不能滿足傳統紡紗和織造工藝對纖維可紡性的要求,也限制了石墨烯纖維在紡織上的進一步應用。

石墨烯復合纖維

石墨烯復合纖維的研發為石墨烯纖維在紡織生產應用中的難題提供了一個相對簡單的解決方法。青島大學曲麗君課題組以傳統粘膠紡絲液為基體,通過添加穩定分散的石墨烯懸浮液制備低石墨烯含量的石墨烯/粘膠復合纖維,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復合纖維濕法紡絲連續化生產等技術難題,成功生產出石墨烯/粘膠復合纖維,填補了國內外工業化生產該種纖維的空白。

Shin 等將碳納米管和石墨烯片結合嵌入到聚乙烯醇纖維中,獲得了高強度復合纖維材料。研究表明,該復合纖維的質量剛性為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/碳復合纖維、聚乙酸乙烯酯基石墨烯復合纖維等也被成功制備。

1. 2 石墨烯功能織物

導電織物

石墨烯優異的導電性能為功能紡織品的研發開辟了新的路徑,將石墨烯處理到織物上,可制備性能優異的抗靜電或者導電織物。例如,MOLINA等采用氧化石墨烯溶液直接浸泡后還原的方法,制備石墨烯改性滌綸織物。研究表明,石墨烯改性后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,改性后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。

李斌斌等采用噴涂法將石墨烯涂覆到碳纖維織物上,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等首次報道了氧化石墨烯、石墨烯具有抗菌性能,這一發現為石墨烯的應用研究拓展了新的方向。該報道指出氧化石墨烯、還原氧化石墨烯能夠有效地抑制大腸桿菌的生長,并且細胞毒性很小,更適合與人體皮膚直接接觸,將石墨烯、氧化石墨烯整理到織物上,可制備抗菌織物。

李景燁等利用氧化石墨烯的抗菌性能制備了氧化石墨烯抗菌織物。他們先用交聯劑浸泡織物用作濾布,然后用該織物濾布過濾氧化石墨烯水溶液,如此獲得附著氧化石墨烯的織物,最后用對織物表面附著的氧化石墨烯和交聯劑進行固化得到抗菌織物。

彭勇剛等采用對人體無任何毒副作用的氧化石墨烯和殼聚糖作為抗菌成分,通過溶液浸泡法制備了抗菌織物。

Zhao J M采用輻射交聯法、化學交聯法和直接吸附法三種不同的方法分別制備了氧化石墨烯抗菌棉織物。結果表明,三種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 次水洗測試后,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,為石墨烯功能紡織品的開發及其工業化生產提供了更多選擇。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并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/聚氨酯水溶性復配液,并用此復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。該課題組隨后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。

陜西科技大學呂生華等對氧化石墨烯進行氨基化改性并用其對絲織物改性處理得到具有阻燃功能的石墨烯織物。

黃國波等報道了氧化石墨烯復合阻燃織物,為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復合制備了復合織物涂層。

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,國內外關于石墨烯材料應用于新型紡織纖維、功能紡織品的報道已屢見不鮮。新型纖維材料方面包括石墨烯纖維、石墨烯復合纖維等,逐漸克服工業化生產難題,步步推進。功能紡織品方面包括導電織物、抗菌織物、導熱織物、紫外線防護織物、遠紅外發射織物、阻燃織物、儲電織物等擁有一種或多種性能的功能紡織品報道源源不斷。

然而,目前國內外關于石墨烯應用于紡織的研究仍處于起步階段,離真正的實際應用還有很大的距離。目前關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,缺少對影響纖維性能的綜合因素的系統研究。此外,盡管通過濕法紡絲能夠實現石墨烯纖維的連續生產,但實際生產出高質量的石墨烯纖維還需要更多努力。功能紡織品方面新的功能、新的制備方法研究雖然層出不窮,但單一外觀、功能性與舒適的服用性能之間難以兼容等問題仍然難以解決。

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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