上海仪耐新材料科技有限公司 上海市 201702
摘要：近年来我国经济发展十分快速，石墨烯材料应用也越来越广泛，石墨烯材料是纺织及其他领域中的重要技术。本文在介绍石墨烯的结构特点及其制备方法的基础上，介绍了石墨烯在纺织纤维、纺织印染、织物后整理等纺织领域及其他领域的应用。
关键词：石墨烯；纺织；性能；应用
1石墨烯的制备方法
1.1物理剥离法
物理剥离法是利用机械力从高度定向热解石墨表面将石墨烯片剥离出来的制备方法（如图1所示）。物理剥离法是制备石墨烯最直接的方法，利用该方法获得的石墨烯质量较高，可制得10-100μｍ的石墨烯片。但石墨烯尺寸不易控制、低产率等缺点使该方法仅适用于实验室基础工作的研究。
图1 机械剥离法制备石墨烯示意图
1.2氧化－石墨还原法
氧化－石墨还原法（如图2所示）是指石墨先经化学氧化得到边缘含有羧基、羟基，层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物（此过程可使石墨层间距离从0.34ｎｍ扩大到约0.78ｎｍ），再通过外力剥离（如超声剥离）得到单原子层厚度的石墨烯氧化物，再进一步还原，从而制备石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片，产量高，应用广泛。
图2 氧化－石墨还原法制备石墨烯示意图
1.3化学气相沉积法
化学气相沉积法是指在气态条件下反应物发生化学反应生成固态物质并沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的方法。向以镍为基片的管状简易沉积炉中通入碳氢化合物等含碳气体，该气体中的碳原子在高温的作用下在镍片表面生成石墨烯，然后将石墨烯与镍片分离，从而得到石墨烯薄膜。
2石墨烯在纺织领域的应用
2.1在纺织纤维上的应用
2008年，某股份有限公司开始对石墨烯材料进行研究，经过不懈努力，于2015年从废弃秸秆玉米芯中成功制备出生物质石墨烯，同时制备了玉米芯纤维，并对这两种材料进行复合从而制备了内暖纤维，并实现了工业化大生产。中国工程院院士姚穆等专家组认为，高内暖纤维具有低温远红外、抗菌抑菌、祛湿、透气等优异的性能，被人们称为“划时代的革命纤维”。研究表明，圣泉集团制备的石墨烯材料短纤或长丝可与多种常规纺织短纤或长丝混纺或者混织，从而制备多种纺织材料。2016年3月，该公司的“内暖”品牌产品入选中国纤维流行趋势2016／2017产品类别的“功能亲肤纤维”。2011年，浙江大学高超教授课题组首次成功纺制出长达数米的宏观石墨烯纤维。其原理是，在高浓度的氧化石墨烯水溶液中，通过自发取向排列制备氧化石墨烯液晶，然后通过湿法纺丝技术和化学还原的方法制备石墨烯纤维。研究表明，通过以上方法制备的石墨烯性能较为优异，但石墨烯作为单独纺丝液时可纺性较差。为了解决这一问题，人们提出将普通纺丝原液作为基体，然后添加石墨烯分散液，从而制备石墨烯复合纤维的方法，这样既改善了石墨烯纤维的可纺性，又充分发挥了石墨烯材料在抗菌、防紫外和远红外等方面的优异性能。这种方法将有利于石墨烯纤维在纺织领域得到更好的发展。
2.2在纺织印染上的应用
水污染一直是纺织印染行业亟需解决的问题。物理吸附和分离是处理印染废水中有机物的常用方法。碳材料具有比表面积大，物理化学稳定性高等优势，常被作为吸附材料。研究发现，与常规的碳材料相比，石墨烯材料比表面积更大，且表面存在大量的亲水性基团，吸附能力较强，是一种很好的吸附剂。关于石墨烯吸附性的主要研究有：SunL等以连二亚硫酸钠作为还原剂，原位还原氧化石墨烯，制备的石墨烯材料用于吸附吖啶橙染料。LiuTH等采用改进Hummers法制备石墨烯，并用于吸附亚甲基蓝物质，实验结果表明，其对亚甲基蓝的吸附量可达153.85mg／g。但是，由于石墨烯分子间具有极强的作用力，所以难溶于水和有机溶剂，其水溶性次于氧化石墨烯，因此，石墨烯在印染领域的应用受到了限制。氧化石墨烯表面的羟基、羧基、环氧基等基团使其具有很好的亲水性，且氧化石墨烯中含有较大的层间距（0.7-1.2nm）和极性表面，故氧化石墨烯材料更适于做吸附材料。张艳研究了不同方法制备的氧化石墨烯在20℃温度下对亚甲基蓝的吸附性，分别为：Hummers法制备的氧化石墨烯HGO；改进Hum-mers法制备的氧化石墨烯HmGO；HmGO剥离法制备的氧化石墨烯HmGEO；HGO剥离法制备的氧化石墨烯HGEO。结果表明：①这４种方法制备的石墨烯对亚甲基蓝的吸附能力大小依次为：HmGO＞HGO＞HmGEO＞HGeO；②石墨烯材料对亚甲基蓝的吸附量随着亚甲基蓝浓度的增加而增加；③氧化石墨烯对亚甲基蓝的吸附能力随着氧化程度的增加而增加。
2.3石墨烯在功能性织物上的应用
（1）石墨烯织物
采用铜网作为模板，通过化学气相沉积法，在铜网上生长石墨烯，去除铜网后即可获得石墨烯织物。研究结果表明：相对于化学气相沉积方法生长的石墨烯薄膜，石墨烯织物拥有更好的柔韧性和强度。
（2）石墨烯抗菌织物
石墨烯具有抗菌性，且对细胞基本无毒性，并能起到保护皮肤的作用，使其免受细菌的侵害。石墨烯比传统的无机、有机抗菌剂更有利于人体皮肤。因此，可将石墨烯添加于织物中，使织物具有抗菌性能。但是，由于石墨烯、氧化石墨烯与纺织品之间缺乏亲和力，所以要将石墨烯或氧化石墨烯直接整合到织物上，一般工艺无法实现。
（3）石墨烯抗静电织物
石墨的电阻率极低，作为目前世界上电阻率最小的电阻材料，其在电子领域越来越受到青睐。石墨烯具有高导电性，是优异的抗静电材料，可用于功能性矿服面料的设计和应用。目前，对抗静电纺织品功能性的改性，主要是通过对纺织面料进行涂层和浸渍，或是将含功能性粒子的溶液涂于纺织面料上，赋予其抗静电性、阻燃性等。为了改变石墨烯抗静电织物在耐洗性、功能持久性、透湿透气性等方面存在的缺陷，可将石墨烯粉体与多种化纤切片共混熔融或通过螺杆挤压方法制备纺丝液进行纺丝，制备的纳米石墨烯复合长丝或短纤可用于制备功能性矿服面料。
3石墨烯在其他领域的应用
石墨烯在其他领域的应用包括：太阳能电池、生物医学、功能性涂料，人们逐渐用石墨替代导电玻璃或铂金。目前，石墨烯在太阳能电池领域的应用和研究还处于初期阶段，其制备工艺技术较复杂，成本较高，其材料性能远低于理论值。研究表明，纳米石墨烯可作为生物分子载体对生物体进行检测，并进行药物和基因输送。鉴于纳米石墨烯可大量吸收近红外光波的性能，功能化石墨烯还被用作光热试剂并进行活体肿瘤的光热治疗。纳米石墨烯的复合物在生物多模式成像中有着潜在用途。此外，石墨烯具有高比表面积、快速导电性、较好的化学稳定性、优良的力学性能、高导热性等优点，可作导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料等。综上所述，石墨烯优良的性能和广泛的用途，必将推动新一轮产业转型升级。
结语
石墨烯材料自问世以来，因其独特的性能而具有广阔的发展前景和应用价值，其在纺织品、光电、复合材料、水处理、生物材料等领域都得到了极大的发展。但从我国石墨烯产业发展状况来看，目前，对于石墨烯的研究仍然以研发为主，其规模化制备的工艺还不够成熟，在降低成本、规模化生产及高性能石墨烯的制造等方面还存在部分难题。随着人们对石墨烯材料的进一步研究，石墨烯功能材料将不断出现。
参考文献：
［1］黄毅，陈永胜．石墨烯的功能化及其相关应用［J］．中国科学Ｂ辑：化学，2015.12-13.
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［3］蒋保江．石墨烯基复合材料的制备与性能研究［M］．哈尔滨：黑龙江大学出版社，2016.
论文作者:米世超,何艳茹,吕素真
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/24
标签：石墨论文; 材料论文; 织物论文; 纤维论文; 领域论文; 方法论文; 功能论文; 《防护工程》2017年第15期论文;