黃曉茵

泉州紡織服裝職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362700

石墨烯是一種具有單原子厚度的二維層狀材料，通過sp2雜化的碳原子形成的六元環(huán)在平面上有序排列而成，是目前已知的最薄材料[1]。石墨烯具有完美的大π共軛體系，從結(jié)構(gòu)上可以認(rèn)為石墨烯是零位富勒烯（包覆）、一維碳納米管（卷曲）和三維石墨（堆垛）的基本組成單元[2]。獨特的結(jié)構(gòu)賦予石墨烯極大的比表面積和優(yōu)異的理化性能，從而成為諸多領(lǐng)域的前沿研究熱點[3]。據(jù)報道，石墨烯材料近年來在能源、催化、分離、環(huán)境以及生物醫(yī)藥等方面獲得了廣泛的研究和應(yīng)用[4-8]。

功能性紡織品是一類擁有一種或多種性能的紡織品材料，包括導(dǎo)電織物、儲電織物、保暖織物、導(dǎo)熱織物、阻燃織物、抗菌織物、遠(yuǎn)紅外發(fā)射織物、紫外線防護(hù)織物等[9-10]。憑借出色的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能，石墨烯材料在功能性紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注[11-12]。中國中央電視臺曾在2017年春晚的哈爾濱會場特別展示了石墨烯新材料保暖衣?？茖W(xué)家指出，未來石墨烯功能性紡織品將全面改變和應(yīng)用于民眾的生活。

再生纖維素是紡織品的傳統(tǒng)材料，將石墨烯和溶解的再生纖維素進(jìn)行復(fù)合制備石墨烯纖維素復(fù)合纖維，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械性能，顯著提升了再生纖維素的各方面性能，使得石墨烯復(fù)合纖維在功能性紡織品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

再生纖維素固體漿粕，石墨烯固體漿料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%），無水氯化鋰（LiCl，分析純），N,N-二甲基乙酰胺（DMAC，分析純），去離子水。

1.2 實驗步驟

稱取再生纖維素固體6組（每組3g）于160mL DMAC中，然后分別稱取6g LiCl加入攪拌。轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中靜置于烘箱，在160℃下加熱3h。

稱取石墨烯固體漿料于上述體系，使得石墨烯占復(fù)合纖維質(zhì)量百分比分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%，對獲得的石墨烯和再生纖維素進(jìn)行靜電紡絲并制備功能性紡織品。

1.3 實驗方法

采用Tecnai G2F20 S-TWIN透射電子顯微鏡觀察石墨烯微觀結(jié)構(gòu)，采用S-3700N型掃描電子顯微鏡表征石墨烯復(fù)合纖維形貌。利用RFS100型拉曼光譜儀和ESCALAB 200R型X射線光電子能譜儀進(jìn)行組分復(fù)合纖維表征。采用TEADFS-100型靜電紡絲儀得制備石墨烯復(fù)合纖維。實驗中得到的紡織品切成長寬為2.0cm×0.5cm的樣品，測試溫度為15℃，濕度為70%。采用LLY－06型電子單纖維強(qiáng)力儀測試試驗樣品的機(jī)械性能，測量10次計算平均值。利用電子萬用表（UNIT UT33D）對試驗樣品進(jìn)行測試導(dǎo)電性，通過下面的公式求取電導(dǎo)率：

式中：σ為電導(dǎo)率，S/cm；R為試驗樣品的電阻，Ω；D為試驗樣品的厚度，cm。

采用KESF-TL-2C熱性測試儀對試驗樣品進(jìn)行導(dǎo)熱性能分析。結(jié)合下列公式求得導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（cm?℃）；W為熱性測試儀器的示數(shù)；A為加熱板的面積，cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合纖維的微觀形貌

石墨烯材料的透射電子顯微鏡照片如圖1所示。石墨烯納米片比較大，尺寸處于微米級別，而且片層比較薄，層數(shù)少，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能。

圖1 石墨烯的透射電鏡照片

采用靜電紡絲技術(shù)制備石墨烯和再生纖維素的復(fù)合纖維，如圖2所示。對石墨烯復(fù)合纖維的直徑進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示，直徑主要分布在100～250nm，大多數(shù)為200nm。通過掃描電子顯微鏡來觀察其形貌結(jié)構(gòu)，如圖4所示。從圖4可以看出，所制備的石墨烯復(fù)合纖維非常均勻，相互交錯，能提高相互作用力，進(jìn)而增加力學(xué)性能，在纖維的表面可以看到一些石墨烯片。

圖2 靜電紡絲制備石墨烯復(fù)合纖維的示意圖

圖3 20kV下8%-石墨烯復(fù)合纖維的直徑分布

圖4 8%-石墨烯復(fù)合纖維的掃描電鏡照片

2.2 復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)表征

再生纖維素及8%-石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維的拉曼光譜如圖5所示。兩條曲線均展示了明顯的D峰（1360cm-1）和G峰（1590cm-1），這是碳材料拉曼譜圖的典型特征信號。通常而言，D峰和G峰的強(qiáng)度比例（ID/IG）可以用來說明碳材料的質(zhì)量[13]。計算結(jié)果表明，石墨烯復(fù)合纖維素的ID/IG數(shù)值為1.03，低于再生纖維素（1.16），表明經(jīng)過石墨烯的引入使得復(fù)合纖維的缺陷減少，這能夠提升整體電學(xué)和熱學(xué)性能。X射線光電子能譜可以用來獲得樣品具體元素更精確的結(jié)構(gòu)信息，8%-石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維的C 1s譜圖，如圖6所示。可以觀察到C的成鍵形式（包括-O-C=O，-C=O，-C-O，-C-C/C=C等），主要源于石墨烯和再生纖維素自身基團(tuán)以及兩者相互作用的基團(tuán)。

圖5 8%-石墨烯復(fù)合纖維和再生纖維素的拉曼光譜圖

圖6 8%-石墨烯復(fù)合纖維和再生纖維素的X射線光電子能譜圖（C 1s）

2.3 功能性紡織品的導(dǎo)電性能分析

為探究復(fù)合纖維中石墨烯的含量對所得功能性紡織品的電學(xué)性能影響，對不同石墨烯含量（0%～10%）的樣品進(jìn)行測試獲得電導(dǎo)率信息，如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有添加石墨烯時，僅由再生纖維素制備的紡織品電導(dǎo)率幾乎為零，使導(dǎo)電性受到很大限制。隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合纖維得到的紡織品電導(dǎo)率顯著上升。當(dāng)石墨烯的含量達(dá)到8%時，電導(dǎo)率為0.34S/cm。優(yōu)異的導(dǎo)電性能讓該石墨烯復(fù)合纖維在今后的功能性紡織品領(lǐng)域得到極大的應(yīng)用。

圖7 不同石墨烯含量功能性紡織品的電導(dǎo)率

2.4 功能性紡織品的導(dǎo)熱性能分析

導(dǎo)熱性是評價功能性紡織品性能的另一個重要因素。對不同復(fù)合纖維制備而成的紡織品進(jìn)行熱學(xué)測試，探討不同含量的石墨烯與織物導(dǎo)熱性能之間的關(guān)系，計算得到的導(dǎo)熱系數(shù)如圖8所示。當(dāng)沒有加入石墨烯時，織物的導(dǎo)熱系數(shù)僅有0.002W/（cm?℃）；在逐漸增加體系的石墨烯含量之后，導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加，說明石墨烯能很好地提高紡織品的散熱速率，這也表明了石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維優(yōu)異的導(dǎo)熱性。

圖8 不同石墨烯含量功能性紡織品的導(dǎo)熱系數(shù)

2.5 功能性紡織品的機(jī)械性能分析

不同石墨烯/再生纖維素復(fù)合纖維制備的功能性紡織品斷裂強(qiáng)力與石墨烯含量的變化圖如圖9所示?？梢钥闯?，隨著石墨烯含量的提升，紡織品斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢。當(dāng)復(fù)合纖維中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)8%時，紡織品的斷裂強(qiáng)力為3.3cN/dtex，相比不含石墨烯的樣品，提高了65%。這主要得益于石墨烯上的含氧基團(tuán)與再生纖維素分子之間存在很強(qiáng)的范德華力和氫鍵，而且在一定范圍內(nèi)，作用力會隨著石墨烯含量的提高而不斷增強(qiáng)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由8%增加到10%時，紡織品的斷裂強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。此外，基于復(fù)合纖維的紡織品的斷裂伸長率會隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低，如圖10所示。這是因為紡織品的韌性和石墨烯百分含量成反比，韌性的降低會導(dǎo)致織物的斷裂伸長率下降[14]。

圖9 不同石墨烯含量功能性紡織品的斷裂強(qiáng)力

圖10 不同石墨烯含量功能性紡織品的斷裂伸長率

3 總結(jié)與展望

文章制備和表征了石墨烯與再生纖維素復(fù)合纖維，探究了石墨烯的含量對復(fù)合纖維功能性紡織品性能的影響。研究測試結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合纖維的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械性能明顯提升，最終趨于穩(wěn)定。由此可見，石墨烯基復(fù)合纖維在功能性紡織品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于石墨烯的研究正處于火熱時期，但石墨烯在功能性紡織品中的研究尚處于起步階段，距離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走。相信經(jīng)過廣大研究工作者不懈的努力，石墨烯復(fù)合纖維的制備和生產(chǎn)工藝可以在不久的將來實現(xiàn)低成本化和成熟化，石墨烯基功能性紡織品也將走進(jìn)并改變?nèi)藗兊纳睢?/p>