石墨烯氧化石墨烯在纺织品中的应用研究进展

石墨烯氧化石墨烯在纺织品中的应用研究进展

王双军

身份证号：371581198608060463

摘要：2004年Geim采用机械剥离法制备了石墨烯，石墨烯具有优异的导电性能、导热性能、力学性能及优异的电子迁移率。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的衍生物之一，表面含有大量的含氧官能团，如羧基、羟基、羰基、环氧基等，具有较好的分散性以及化学反应活性。石墨烯及GO独特的结构和优异的性能，已经成为研究的焦点，广泛应用于超级电容器、传感、生物医学等领域。近年来随着对石墨烯基材料的不断研究，人们也在不断探索将石墨烯材料应用到纺织品中。研究发现，将石墨烯材料应用到纺织面料中，可赋予面料抗静电、抗菌抑菌、防紫外线、传感及防弹性能等。这些性能使得石墨烯材料成为纺织领域中的研究热点，有望在纺织品中有更深远的发展。本文介绍了最近几年石墨烯及GO改性织物在这些领域的应用研究。

关键词：石墨烯氧化石墨烯；纺织品；应用研究进展

引言

近年来，新型纺织材料层出不穷，其性能更新迭代，以不断提高满足消费者的生活需求。而石墨烯作为一种新型纳米材料，因其优异的抗静电、防紫外、抗菌、导电、耐热等性能在纺织领域中被广泛应用于制备户外用品、特殊职业装、专业运动服等。在此背景下，本文主要介绍石墨烯改性纤维、石墨烯功能织物的制备以及石墨烯最新的应用进展。

一、石墨烯概述

石墨烯纤维是指由石墨烯形成连续细丝形状的材料。石墨烯是片状纳米材料，没有类似于高聚物的大分子链结构，同时石墨烯具有分散性且很难组装，因而制备石墨烯纤维有一定难度。2011年首次利用湿法纺丝原理制备了石墨烯纤维。通过借鉴传统的湿法纺丝方法原理，将氧化石墨烯液晶化，制得宏观连续的氧化石墨烯纤维并还原成石墨烯纤维。后来，他们又在石墨烯液晶中掺入纳米银，得到高导电掺银石墨烯纤维。采用湿法纺丝技术，先通过改进Hummers法制备高度可溶氧化石墨烯，然后通过注射器注入质量分数为10%的CaCl2乙醇溶液，在乙醇和水的体积比为1∶1的凝固浴中浸泡后，依次通过乙醇和去离子水洗去残留的盐，最后用聚四氟乙烯棒收集，经室温干燥得到氧化石墨烯纤维。将制得的纤维在45%氢碘酸中还原处理后再依次用乙醇、去离子水浸泡洗涤，最后干燥得到还原氧化石墨烯(ＲGO)纤维。将ＲGO纤维置于质量分数5%的羧甲基纤维(CMC)素溶液中室温浸泡24h后，真空干燥可得到化学交联的ＲGO纤维。其原因是纤维中还存在少量的羟基、甲氧基等含氧基团，这些基团上的氧原子电负性很强，可与CMC链结构中羟基-OH产生氢键作用，同时CMC分子链之间也会产生氢键作用，因此可得到交联的ＲGO纤维，从而提高了ＲGO纤维的强度。

二、石墨烯氧化石墨烯在纺织品中的应用

2.1石墨烯在抗菌纺织品中的应用

石墨烯及其衍生物———氧化石墨烯具有广谱抗菌性，可利用化学与物理方式赋予石墨烯整理后的纺织品抗菌能力。现阶段，氧化石墨烯的抗菌性理论主要集中在膜成分提取、物理切割、物理捕获、氧化应激等方面。膜成分提取理论认为氧化石墨烯可以破坏细菌细胞膜的磷脂双分子层，达到抗菌效果；物理切割理论认为氧化石墨烯较为锋利的边缘能够破坏细菌细胞膜，使细菌细胞内的营养物质流失而起到抗菌效果；物理捕获理论认为氧化石墨烯可限制外界与细菌细胞间的营养交换，从而起到抗菌效果；氧化应激理论认为氧化石墨烯的氧化活性基团可使细菌细胞新陈代谢紊乱从而达到抗菌效果。石墨烯在抗菌方面的应用方向有纺制复合抗菌纤维、开发抗菌织物与抗菌后整理３种。纺制复合抗菌纤维主要指利用现代纺丝技术，如静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、熔融纺丝等技术，将氧化石墨烯按照一定比例混入高聚物中纺制含有氧化石墨烯的复合抗菌纤维。

2.2抗静电功能织物

石墨烯中电子迁移速度快且稳定，具有良好的电子传导效果，因而如果能够将石墨烯均匀负载到织物中，可大大提高织物抗静电性。陈丹丹等［25］先利用Hummers法制备出氧化石墨烯并采用超声波制成均匀的分散液，再将涤纶织物浸渍到氧化石墨烯分散液中，取出烘干后将其浸渍在保险粉溶液中一定时间后取出烘干。如此重复多次即得多层石墨烯的涤纶织物。最后，借助水热合成的方法，在涤纶织物表面原位生成纳米TiO2，得到石墨烯/二氧化钛整理的涤纶织物。测试分析表明，当整理工艺为石墨烯层数4层、浸渍温度45℃、保险粉的质量分数0．7%、还原时间30min时，织物整理后的半衰期为0．12s，峰值电压为0．36kV，抗静电等级达到A级，具有优良的抗静电性能。同时，经过8次洗涤后抗静电等级仍是A级，说明整理后织物具有优异的抗静电性水洗稳定性。

2.3石墨烯改性蛋白质纤维

蛋白质纤维因其具有来源便利、手感爽滑等特性，受到大众的广泛关注。在将石墨烯应用于蛋白质纤维的改性实验中，研究人员发现石墨烯改性蛋白质纤维不仅提升了耐磨耐损的基础性能，在抗菌、抗紫外线、防水等功能性方面也有了不小的进步。王曙东等利用浸渍法制备了石墨烯改性蛋白质纤维，制备方法是将氧化石墨烯材料整合加工到蚕丝纤维的表面上，经测试发现，蚕丝织物的抗紫外线性能显著提高。马琳等[5]利用血管注射的方法将石墨烯量子点注进家蚕幼虫体内，该法制得的蚕丝韧性模量、断裂强度和断裂伸长率分别增强了3.62、2.74和1.33倍，力学性能明显提高。杨明[6]利用加入硅烷偶联剂的石墨烯悬浮液，对羊毛纤维进行处理，经试验发现，提高附着能力后的石墨烯对于不同方法前处理过的羊毛纤维，可使其抗静电、疏水、耐磨檫和抗拉伸性能等方面都有很大的提升。

2.4其他性能

除了上述功能外，石墨烯可以通过远红外吸收，对周围及太阳吸收的能量进行存储，使得石墨烯改性织物具有蓄热保暖的功能。Hu[38]将石墨烯纳米片与聚氨酯溶液混合在一起，将混合溶液采用浸轧干固化工艺对棉织物进行改性，获得功能性涂层织物。由于聚氨酯的存在，使得石墨烯纳米片可以均匀致密地沉积在棉织物表面。测试涂层织物的远红外性能，在波长4-18μm范围内，其远红外发射率从0.867提高至0.911。此外，石墨烯及其衍生物也可应用在纺织污水吸附中，用来吸附纺织废水中的染料。Karaman等人[39]将氧化石墨烯片在水热过程中通过乙二胺（EDA）进行氨基官能化和交联，使用戊二醛用作双交联剂，制备了氨基功能化三维石墨烯网（3D-GNf）。该复合材料具有分层多孔结构，比表面积达1015m2/g，孔体积为1.054cm3/g，25℃下对甲基橙单层吸附容量为270.27mg/g，表明该复合材料具有高吸附容量特点，可有效吸附阳离子染料。石墨烯也具备疏水作用。Yao等人[40]通过超声波处理在无纺布上生长还原氧化石墨烯/碳纳米管(rGO/CNTs)混合物，测试水接触角为136.3°，表明该织物具备超疏水性能。

结束语：

如今，世界上越来越多的国家都在积极研究开发石墨烯，其中以美国为首的发达国家进展较为显著。我国作为石墨矿产量大国，石墨矿存储量约占世界总存储量的75%，具有较大的发展潜能，应当抓住机遇，迎难而上。相信随着研究人员对石墨烯的探索越发深入，石墨烯材料在纺织领域中的应用前景不容小觑，期待石墨烯未来能在智能纺织领域的专业性和产业化中实现更多的可能，最终在高端纺织品市场中引领出一条绿色、可持续发展的道路。

参考文献：

[1]叶鑫,王敏,李俊.石墨烯功能纺织品的制备与性能研究进展[J].产业用纺织品,

[2]王进. 石墨烯改性纤维及纺织品的功能性研究[D].青岛大学,

[3]张思雨,赵立环,刘斯璐,巩继贤,陈磊.基于氧化石墨烯及其复合材料的纺织品抗菌整理研究进展[J].复合材料学报,

[4]赵银桃. 石墨烯阻燃多功能织物的制备及性能研究[D].青岛大学,

[5]翟健玉,郭荣辉.石墨烯在纺织上的应用研究进展[J].纺织科学与工程学报,