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石墨烯复合纤维及纺织品的制备方法与研究进展

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发表于 2018-1-27 21:34:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

    石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被称为“新材料之王”。

作为具优异性能和独特结构的新型碳材料—石墨烯在众多科学领域的被广泛关注和应用。近几年,石墨烯在纺织领域得到较为广泛的应用,逐渐成为纺织纤维领域的研究热点,特别是功能性纺织品的研究中也得到了诸多应用。本文主要介绍了新型石墨烯复合纤维与石墨烯纺织品的制备方法,石墨烯纺织品的性能及其发展趋势。

石墨烯复合纤维和石墨烯织物的制备方法

目前石墨烯复合纤维有两种常用的方法:原位聚合和物理共混。根据纺丝方法的不同分为熔融纺丝法、溶液纺丝法、静电纺丝法等多种方法。

石墨烯纺织品在导电、防辐射、防紫外、远红外、特电磁屏蔽等领域有巨大的应用前景。目前,石墨烯纺织品的制备方法主要包括直接制备法和后整理法。曲丽君课题组对石墨烯织物的制备方法做了系统地综述,主要介绍了直接浸轧法、喷涂法、复配液整理法、交联改性法、紫外光固化法等。各种制备方法之间存在很大的差异,整理效果也是各不相同。

直接浸轧法不仅整理效果较好,对织物损伤也较小,而且操作方法简单,适用于批量较大的的工业化生产。

喷涂法比直接浸轧法简单易行,操作简便,原材料用量明显减少,大大降低了生产成本,因此,在新型纺织产品研发中有比较广泛的应用。

复配液整理法是指将含有石墨烯的纺织整理液,通过物理或化学的方法对纺织品进行整理,得到功能性纺织品,如何制备得到分散性和稳定性良好的石墨烯复配液,保证石墨烯和有机物基体之间的相容性是此方法的关键。

交联剂改性处理是利用氧化石墨烯的架桥作用,与其他线型分子通过化学键合交联成网状物质,促进大分子官能基团之间的结合,赋予面料新的功能,此法操作简单,氧化石墨烯用量较少,适用于大规模工业化生产。

紫外光固化法是织物表面的氧化石墨烯在紫外光照射下发生辐射聚合、辐射交联和辐射接枝等一系列反应,然后通过紫外光的固化还原作用,使其完全还原,得到石墨烯改性织物,这个方法操作简单,高效,低温,反应快,并且整理过程无还原剂和化学助剂,低碳环保,具有较好的应用前景。

随着对石墨烯材料在纺织品整理领域研究的深入,新的改性方法不断涌现,层层自组装法、电泳沉积法、原位化学聚合法、染色法、CMOS法等方法也逐渐被报道。

石墨烯织物的优异性能

近年来,随着对石墨烯不断的深入研究,石墨烯在纺织领域也获得到了广泛的研究应用,特别是在功能纺织品研究方面展现出勃勃生机,其导热性、抗菌性、导电性、远红外性能、防紫外性能及电磁屏蔽性能得到广泛认可,各种功能性纺织品也不断涌现在消费者面前。

导热性能

石墨烯具有极高导热系,近年来被提倡用于散热等方面,单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK,甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。与纯石墨烯相比,氧石墨烯的导热导率相对较低(0.14~2.87W/mK),其导热系数与氧化石墨被氧化程度密切相关。ABBAS等人采用石墨烯的树脂溶分散液作为整理剂,对织物进行整理,结果表明,石墨烯/树脂溶液对织物传热性能较碳纳米管/纳米氮化硼树脂溶液有改善的明显,能够大幅度提高织物的导热系数。

曲丽君课题组以聚乙烯醇为分散液,通过氢键层层自组装方法将氧化石墨烯整理到棉织物上,对其进行表面改性,经石墨烯改性处理后,棉织物的导热系数明显提高,并且,随着石墨烯/聚乙烯醇整理次数的增加,棉织物的导热系数也不断增大,导热性能不断提升。

抗菌性

石墨烯、氧化石墨烯具有优异的抗菌性能,以其作为整理剂对面积进行整理,即可得到抗菌织物。石墨烯基本没有细胞毒性,相对于传统的抗菌整理剂,因此石墨烯更适合与人体皮肤直接接触。但是,由于石墨烯和氧化石墨烯独特的结构,与纺织品之间缺乏亲和力,因此很难通过传统方法将石墨烯及其氧化物处理到纺织品上。

氧化石墨烯抗菌棉织物目前的制备方法主要有辐射引发交联、直接吸附、化学交联三种不同的方法,通过这三种方法制备的氧化石墨烯抗菌织物的抗菌率均大于98%,并且具有较高耐水洗性。

导电性

石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯的这种优良的导电性能应用到纺织品上得到优异的抗静电或者导电织物。

例如将涤纶织物浸泡于氧化石墨烯的溶液中,经还原后得到的改性涤纶织物的导电性能明显改善,并且其各项电化学性能较未整理的涤纶织物有很大的改善。孟娜等人利用石墨烯完美的大π键共轭体系及其单层原子厚度的优异结构,以层层自组装的方法制备了石墨烯改性粘胶织物,随着石墨烯在粘胶织物表面自组装层数的不断增加,织物的电阻值逐渐减小,当石墨烯自组装层数达到12层时,石墨烯改性粘胶织物的电阻值趋于稳定,其电学性能达到最佳状态。

远红外性能

济南圣泉集团完成的生物质石墨烯/聚酯纤维(内暖绒)研制与应用项目,通过山东经信委组织的专家鉴定。石墨烯内暖绒是济南圣泉集团基于生物质石墨烯平台开发的一种新型功能合成纤维材料,是由生物质石墨烯均匀分散于涤纶空白切片中进行共混纺丝而成的系列石墨烯复合多功能内暖绒。

该成果既利用了可再生的低成本生物质资源,又将石墨烯的功能拓展到纤维中,获得了高性能、高附加值的新型纺织产品。经国家红外及工业电热产品质量监督检验中心检测,该项目研制的内暖绒常温下远红外发射率92%,其发射的4~14μm波段远红外波与人体组织中水分子振动波长相同,从而可引起共振产生热量,进而深入皮下组织,激发人体组织细胞的活力。以此作为填充材料应用于棉被、睡袋、羽绒服、枕头、靠垫、披肩等纺织品,具有轻薄、手感细腻、柔软、保温好、质轻等优点。

防紫外线性能

曲丽君课题组对石墨烯整理棉织物的防紫外线性能做了深入研究。他们采用复配液整理法(石墨烯/聚氨酯水溶性复配液)对棉织物进行改性整理,采用水溶性聚氨酯为黏合剂,通过传统的轧-烘-焙工艺,对棉织物表面进行改性整理。

曲丽君课题组利用氧化石墨烯和壳聚糖分子间静电作用力采用,通过层层自组装工艺对棉织物进行表面改性处理。通过这两种方法得到的石墨烯改性棉织物展现出了优异的防紫外线性能,经检测,其紫外线防护系数UPF值均达到国家标准要求。

电磁屏蔽性能

石墨烯改性织物的电磁屏蔽性能也逐渐成为纺织领域的研究热点。张松林等人改进了Hummers方法制备氧化石墨烯的工艺,并采用浸蘸式层层组装整理工艺直接在棉织物表面制备氧化石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化铵盐酸盐(GO/PDDA)多层整理膜,经测试,随着GO/PDDA多层膜沉积层数的增加,棉织物电磁屏蔽性能也不断提升。

当GO/PDDA多层膜自组装层数达到15时,改性棉织物的电磁屏蔽效能达到3.16dB,试验结果表明,经石墨烯/聚二甲基二烯丙基氯化铵盐酸盐改性处理的棉织物能够屏蔽52%的电磁波。

展望

本文综述了石墨烯复合纤维与石墨烯织物的制备方法,概括了石墨烯改性织物的优异性能。综上所述,石墨烯的加入为织物赋予了优异的性能,开辟了其在纺织领域的应用。(中国纺织网)

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