第9期紡織科技新見解學(xué)術(shù)沙龍專欄編后記
——熱議石墨烯與紡織

石墨烯作為一種納米級(jí)新材料，具有非同尋常的透光性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和超高強(qiáng)度、超輕薄等特性，能在諸多應(yīng)用領(lǐng)域取代(或增強(qiáng))原有材料發(fā)揮其優(yōu)勢，尤其在生物醫(yī)藥、能源、通信、復(fù)合材料、光電、水處理等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究，成為可能入選十三五規(guī)劃的熱門新型材料之一；但石墨烯的研究還主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，因其成本偏高、應(yīng)用領(lǐng)域亟待拓寬，是目前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界熱烈爭論的話題。為此《紡織學(xué)報(bào)》編輯委員會(huì)、中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、北京碳世紀(jì)科技有限公司于2016年4月8日在北京共同承辦了主題為“石墨烯與紡織”的第9期紡織科技新見解學(xué)術(shù)沙龍。

本期沙龍邀請(qǐng)了來自智能紡織材料、紡織復(fù)合材料、納米材料與技術(shù)、高分子材料與工程、服裝設(shè)計(jì)與工程、新能源科學(xué)與工程、非織造材料與工程、先進(jìn)功能材料、材料物理等領(lǐng)域的專家和青年學(xué)者，針對(duì)石墨烯纖維的來源及結(jié)構(gòu)性能、石墨烯功能纖維、石墨烯膜材料、石墨烯在紡織上的潛在應(yīng)用及前景等方面展開前沿跨界交流，期望將具備特殊性能的石墨烯材料引入紡織領(lǐng)域，尤其是智能紡織品與高性能纖維方面的應(yīng)用，加強(qiáng)多個(gè)學(xué)科交叉合作，促進(jìn)優(yōu)勢互補(bǔ)，制備出具有高附件值的產(chǎn)品。石墨烯與紡織的結(jié)合，是傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)和新興高科技領(lǐng)域的融合，能否帶來革命性的創(chuàng)新產(chǎn)品，非常值得多領(lǐng)域科技工作者共同探討。中國工程院姚穆院士、中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所施楣梧教授級(jí)高工、中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院史浩飛研究員共同擔(dān)任本期沙龍領(lǐng)銜科學(xué)家。

1 石墨烯發(fā)展概況

石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，以其特有性能被譽(yù)為“超級(jí)材料”。目前石墨烯的應(yīng)用在學(xué)術(shù)領(lǐng)域、資本領(lǐng)域成為追逐熱點(diǎn)。石墨烯相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長，尤其在過去的幾年中發(fā)展迅速，我國申請(qǐng)的專利數(shù)量已經(jīng)超過4 000項(xiàng)，但是能應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)界的相對(duì)較少，媒體的熱與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的冷顯得尤為不均衡?！蛾P(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》于2015年由工信部、發(fā)改委和科技部三部委聯(lián)合發(fā)布，該文件指出在2020年要完善石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，并逐步實(shí)現(xiàn)石墨烯材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

從施楣梧教授級(jí)高工總結(jié)的國內(nèi)外石墨烯研究整體狀況，可以了解到當(dāng)前石墨烯的制備方法主要分為液相法和固相法，其中液相法主要包括氧化還原法、超聲分離法、有機(jī)合成法、溶劑熱法，固相法主要包括解離法和碳化硅熱解法；而常用的調(diào)控技術(shù)主要有自組裝、共組裝和復(fù)合分散技術(shù)。石墨烯在防沖擊材料、防熔滴材料、抗靜電材料和電磁波防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用有較好前景，石墨烯在纖維染色、抗菌材料、石墨烯氣凝膠等方面也有較好的應(yīng)用，但也存在不少問題。

2 石墨烯應(yīng)用研究的新思路

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維結(jié)構(gòu)納米材料，碳原子規(guī)整排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元中，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有很高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量，可以作為納米增強(qiáng)體，加入到聚合物中，制備性能更優(yōu)的納米增強(qiáng)復(fù)合材料，為紡織材料的研發(fā)提供新思路。

2.1 石墨烯在吸油與分離材料中的應(yīng)用

目前，全國重點(diǎn)監(jiān)控含油(不溶或難溶于水的油性低分子有機(jī)物，如苯類、鹵代烴、煤油、柴油、汽油及油脂類)廢水污染企業(yè)超3萬家；全世界每年200～300 Mt含油廢水排入水體,含大量有毒難降解有機(jī)物。天津工業(yè)大學(xué)肖長發(fā)教授指出，含油廢水、廢棄液排放、油品泄漏等對(duì)海洋、河流及水上生態(tài)系統(tǒng)造成災(zāi)難性危害，如何快速去除水上浮油，減少含油廢水污染和實(shí)現(xiàn)廢油資源化等，受極大關(guān)注。其課題組發(fā)現(xiàn)石墨烯的單原子層二維結(jié)構(gòu)在吸附與分離材料方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，高比表面積使其吸附表面遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)吸附劑，可快速吸附各種污染物。在合成吸油纖維和高性能中空纖維膜研究基礎(chǔ)上，以石墨烯微片構(gòu)筑表面吸附層，以中空纖維多孔膜為基體，研制具有連續(xù)吸附與分離功能中空纖維膜材料，在吸附與分離領(lǐng)域的研究取得較大突破。所制備的石墨烯系復(fù)合纖維分離效率可達(dá)97%左右，并且具有較好的重復(fù)使用性能。他認(rèn)為，現(xiàn)在對(duì)石墨烯系吸附與分離功能材料研究主要集中于基礎(chǔ)層面，亟待進(jìn)一步的深入研究，同時(shí)還需要盡快解決石墨烯的高效回收與再利用等難題。

2.2 石墨烯在抗菌材料中的應(yīng)用

北京碳世紀(jì)科技有限公司的閆立群董事長從產(chǎn)業(yè)化角度對(duì)石墨烯產(chǎn)品發(fā)展及其市場需求做了簡單介紹，分析了石墨烯在抗菌領(lǐng)域中的應(yīng)用。他指出目前與石墨烯相關(guān)的抗菌性研究主要有氧化石墨烯負(fù)載銀的抗菌活性研究以及氧化石墨烯與其他材料復(fù)合后的抗菌性研究。已有科技工作者研究了氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)對(duì)大腸桿菌活力的影響，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的抗菌能力高于還原氧化石墨烯，尺寸大的氧化石墨烯比尺寸小的擁有更好的抗菌性，氧化石墨烯懸液在2 h內(nèi)對(duì)大腸桿菌孵育抑制率達(dá)到90%以上。其抗菌性來源于氧化石墨烯對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的機(jī)械切割破壞。更重要的是GO對(duì)哺乳動(dòng)物產(chǎn)生的細(xì)胞毒性很小，而氧化石墨烯和還原氧化石墨烯都可以氧化細(xì)菌體內(nèi)的還原型谷胱甘肽。因此，認(rèn)為材料的抗菌性除了來自對(duì)細(xì)胞膜的破壞外，還可能來自材料引發(fā)的氧自由基進(jìn)而誘發(fā)的氧化損傷，但石墨烯在復(fù)合織物中牢度差，易析出，且存在織物難染色等問題。

2.3 石墨烯復(fù)合纖維的制備

石墨烯是至今測量過的強(qiáng)度最高的材料之一，比結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度高200倍。在纖維中加入微量的石墨烯，即對(duì)纖維的力學(xué)性能有明顯的增強(qiáng)作用。中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院史浩飛研究員用氧化石墨烯和聚乙烯醇(PVA)共混紡絲，制備了具有高強(qiáng)高模的PVA/GO復(fù)合纖維，同時(shí)簡化了當(dāng)前高強(qiáng)高模PVA纖維的生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)過程中的污染。在PVA纖維加入微量GO后，GO可發(fā)揮成核劑的作用，在熱拉伸過程中提高纖維的結(jié)晶度；其還可以發(fā)揮模板劑的作用，使得復(fù)合纖維的非晶區(qū)取向進(jìn)一步提高。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的GO時(shí)，斷裂強(qiáng)度提高了43%，初始模量提高了81%。采用傳統(tǒng)一步法濕法紡絲工藝可制備PVA/GO復(fù)合纖維，斷裂強(qiáng)度達(dá)到11.8 cN/dtex；初始模量達(dá)到200 cN/dtex。蘇州大學(xué)戴禮興教授指出，PVA/GO復(fù)合纖維中如果添加過多GO，會(huì)引起GO在纖維內(nèi)部團(tuán)聚，從而使得復(fù)合纖維的力學(xué)性能下降。東華大學(xué)張清華教授還對(duì)石墨烯改性聚酰胺6、聚酰亞胺、聚丙烯腈纖維等方面的研究做了介紹和分析。為石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的提升提供參考。

2.4 功能性石墨烯復(fù)合纖維的制備

將石墨烯添加到聚合物中，有利于改善纖維的耐熱性、耐候性、抗靜電等諸多性能，增強(qiáng)纖維材料整體性能，提供了規(guī)?；a(chǎn)的可能性。天津工業(yè)大學(xué)的張興祥教授通過原位聚合工藝制備了基于石墨烯、碳納米管增強(qiáng)聚酰胺(PA6)復(fù)合纖維。將氨基功能化碳納米管、功能化石墨烯加入復(fù)合纖維，使其強(qiáng)度較單組分納米填充時(shí)提高更大，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%功能化石墨烯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%功能化多壁碳納米管時(shí)，復(fù)合纖維斷裂強(qiáng)度為674 MPa，斷裂伸長率為20.2%，彈性模量達(dá)到5.57 GPa，二者的同時(shí)加入，起到協(xié)同增強(qiáng)效果。苯乙烯-g-馬來酸酐功能化石墨烯與功能化碳納米管原位聚合法制備得到的PA6/石墨烯/碳納米管復(fù)合纖維力學(xué)性能有所改善，力學(xué)性能與增強(qiáng)體的總添加量和配比有關(guān)，隨著總添加量的增加呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢，當(dāng)總添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %，即石墨烯與碳納米管質(zhì)量比為0.2∶0.3時(shí)，其力學(xué)性能達(dá)到最佳值，拉伸斷裂強(qiáng)度為668 MPa，彈性模量為3.06 GPa。

國內(nèi)外關(guān)于石墨烯應(yīng)用于紡織領(lǐng)域的研究處于起步階段，在導(dǎo)電織物、阻燃織物、導(dǎo)熱織物、紫外線防護(hù)織物、抗菌織物等一元或多元功能的紡織品應(yīng)用已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。青島大學(xué)的曲麗君教授指出，隨著人類對(duì)自然環(huán)境的破壞，臭氧空洞變大，皮膚癌發(fā)病率正在逐年攀升，紫外線輻射已經(jīng)成為人類健康的巨大威脅之一，而以石墨烯作為紫外線屏蔽劑(對(duì)棉織物進(jìn)行浸軋-烘干-焙烘的方法進(jìn)行處理)，將其涂覆到棉織物表面，該織物具有可良好的防紫外線效果；以再生纖維素紡絲原液為基體，制備的石墨烯/再生纖維素復(fù)合紡織品，其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能得到提高，阻燃性能得到改善，并有良好的防紫外線輻射和遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能。

石墨烯作為一種高強(qiáng)度高導(dǎo)電率的纖維材料，可用于制備柔性電子織物及儲(chǔ)能元件，蘇州大學(xué)張克勤教授研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯復(fù)合纖維表現(xiàn)出了較高的拉伸強(qiáng)度，但是并不夠穩(wěn)定，因纖維柔性差，達(dá)不到柔性電子織物的紡織要求，而且纖維的導(dǎo)電性和持久性仍需提高。用其制備可穿戴的柔性電子織物及儲(chǔ)能元件還有待深入研究。

3 結(jié)束語

與會(huì)其他專家針對(duì)自己的研究進(jìn)展和難點(diǎn)問題展開了熱烈的討論，并提出了自己的見解，為石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路、新方法。中國工程院姚穆院士在本期沙龍總結(jié)發(fā)言中指出：通過邀請(qǐng)石墨烯纖維、石墨烯功能材料、石墨烯復(fù)合織物等領(lǐng)域的專家到會(huì)交流，有利于促進(jìn)石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用和學(xué)科間的跨界融合。同時(shí)姚院士對(duì)此次沙龍的內(nèi)容給予了肯定。

石墨烯材料與紡織材料的結(jié)合，是新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)的融合，對(duì)推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)、培育壯大新興產(chǎn)業(yè)具有重要意義。而且國防軍工、航空航天、新能源及高科技產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧吓c織物的需求越來越多，要求也越來越高，石墨烯復(fù)合纖維及織物有望成為行業(yè)科技創(chuàng)新的主引擎。

(撰稿 舒?zhèn)?