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21世纪的新材料——石墨烯在纺织领域的应用进展

发表时间:2017/6/19

21世纪的新材料——石墨烯,是颠覆全球材料科学的一项划时代的创新。石墨烯具有高强度、高模量、轻质、超薄、柔韧性好等特点,具有优异的透光性、透明度、导电、导热、储能、抗菌、防紫外线、防静电性能,已在当代高科技计算机、信息产业、人工智能、交通运输、航天航空、国防军工等领域得到较多的应用。


由于石墨烯是一种片层的二维纳米粒子,不存在类似于高聚物的分子链,因此直接制备石墨烯纤维存在一定的难度。目前很多关于石墨烯纤维的制备仍然仅限于实验室阶段,还远远不能够进行实际应用与普及。而氧化石墨烯(GO)由于具有较为丰富的羧基、羟基以及环氧基,使其在溶剂中的分散性更好,因而实际应用中多以GO为主,再经过后期还原得到石墨烯(还原氧化石墨烯,RGO)。充分利用石墨烯的特性和功能,嫁接至纺织纤维和织物上,可扩大其用途,特别在高端纺织品的发展和应用方面潜力较大。


在纤维方面的应用

随着纳米技术的不断发展,通过将石墨烯纳米粒子引入到聚合物纤维基体中,可以开发石墨烯/聚合物基复合纤维。石墨烯的引入,有利于改善聚合物纤维的强度、耐热性、耐候性、抗静电等诸多性能,增强纤维材料整体性能和应用领域。

以石墨烯为载体复合的纤维有纯棉、粘胶等纤维素纤维,涤纶、锦纶、腈纶、氨纶、芳纶、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚丙烯酸等合成纤维。复合方法则有直接浸轧法、喷涂法、复配液法、整理法、交联改性法等。石墨烯复合纤维可以充分发挥其优异的特性,而且因含量不高,成本较低,同时质量稳定、耐洗耐用。


石墨烯/二氧化锰复合纤维

(1)山东济南圣泉集团与黑龙江大学将石墨烯与玉米芯纤维复合加工出一种功能纤维,具有防紫外线、抗菌、抑菌等特性,适合服装、车辆内装饰、医疗器材、过滤等用途。


圣泉生物质石墨烯复合纤维及其应用

(2)韩国电子信息研究所与建国大学用牛血清蛋白纳米胶涂抹覆盖在棉和涤纶混纺纱线上,再用石墨烯涂层材料包裹,可用于检测空气中有害物质并作智能过滤器使用。

(3)青岛大学以传统的粘胶纺丝液为基体制成的石墨烯/粘胶复合纤维,其导电、热学、抗菌性能均有显著提高。该单位还制成了石墨烯功能化海藻复合纤维。

(4)国外报道,将碳纳米管和石墨烯片结合嵌入维纶中,获得了高强度复合纤维,纤维刚性达1000J/g,远超蜘蛛丝和芳纶1414。

(5)青岛大学以石墨烯为耐日晒老化功能材料,与水溶性聚氨酯共混得到功能性助剂,通过浸渍涂层技术涂覆于锦纶长丝表面,制成复合改性长丝,改善了锦纶的耐日晒性能和导电性能。

在织物方面的应用

利用石墨烯化合物对织物改性是石墨烯开发的亮点。采用的方法有融合、接枝、浸润、沉积、涂覆等,力求充分发挥石墨烯的优异特性,开发新型功能性纺织品,如抗菌、防臭、防紫外线、防静电、防火、防辐射功能性服装等;开发产业用纺织品,如导电、过滤、穿戴设备、航天航海用纺织品等。


石墨烯改善运动装的保暖、抗菌、抗静电等性能

(1)开发抗菌纯棉织物。将润湿棉织物浸渍于GO和壳聚糖复配的抗菌整理液中,使其与棉纤维稳固结合,烘干后用保险粉还原,制成有一定抗菌能力的棉织物。此外还有先用交联剂浸泡织物作滤布,过滤GO水溶液,再和交联剂固化得到抗菌织物。

(2)开发电化学性能优良的棉织物。以棉织物为基材、通过浸润-干燥法和化学沉淀法,将GO和二氧化锰接枝于棉织物表面,制成复合棉织物,再经碳化处理,改善电化学性能。


石墨烯复合纤维在导电织物中的应用

(3)开发保暖性好可作穿戴设备传感器的织物。与以上相似,通过浸润涂法和原位化学沉积法将GO接枝到棉织物,再经碳化处理使其具有良好的电热和应力传感性能,适应制作加热保温、轻质薄型时尚服装和可穿戴设备的传感器等用途。


石墨烯复合材料在智能裙装上的应用(CuteCircuit利用其导电性,通过穿着者的心跳可以控制LED灯的开和关)

(4)开发石墨烯导热织物和防紫外线织物。把石墨烯纳米片分散于树脂溶液中整理,即可在一定程度上提高织物的导热系数。通过优化石墨烯与聚氨酯水溶性复配液配比即可将棉织物改性成防紫外线织物。

(5)开发石墨烯阻燃织物。对氧化石墨烯进行氨基化改性处理丝织物可制成阻燃织物。




2016慕尼黑ISPO上,Directa Plus与Colmar联合推出石墨烯增强功能运动装系列

(6)此外,石墨烯材料高强度、高模量、抗静电、低密度(轻质量)、耐压力等优异特性,必将在纺机及配件领域获得有益的启示,如在罗拉、摇架、钢丝圈、胶辊、胶圈、剑杆,以及在集聚纺、涡流纺等方面有所应用和发展。

(来源:纺织导报官微)