石墨烯复合纤维防电磁辐射性能初步研究

张丽娟

（唐山学院 时尚设计系，河北 唐山 064000）

1 石墨烯材料的特性及其在纺织领域的应用现状

石墨烯材料具有优异的力学性能，硬度、强度高且弹性模量较大；具有优良的光学特性，透明度高而且稳定性好；具有优异的导电性；具有优良的抗菌抑菌作用；是理想的储能材料。此外，石墨烯产品还有防紫外线、防电磁辐射和防静电作用，其薄膜还具有保暖和遮盖功能。石墨烯复合纤维颠覆了传统纤维单一功能的局限性，体现出集多种功能于一身的高性能纤维的跨越发展，实现了从高端到功能，再到智能纤维和纺织品的华丽转变[1-4]。

我国已把石墨烯作为重要的战略材料列入国家“十三五”规划。据调研，绍兴标点纺织科技有限公司成功研发出石墨烯纤维制成的纺织面料，该产品具有低温远红外线保暖、防静电、导热性能高、抗菌抑菌等多种特性，保暖性比纯棉、驼绒、羊毛等更好。2016年下半年，又成功研发了石墨烯纱线，并织成了石墨烯运动休闲面料、石墨烯复合弹力无纺絮片布、石墨烯保暖拉毛面料等。

中国工程院院士姚穆等专家认为，高内暖纤维具有抗菌抑菌、低温远红外、祛湿透气等优异性能，被人们称为“划时代的革命纤维”[1-2]。

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”。

SHATERI-KHALILABAD M等也采用还原氧化石墨烯的方法获得还原的石墨烯改性棉织物，经测试，改性后的棉织物不仅具有优异的导电性能，织物的疏水性能也非常显著。

李斌斌等采用喷涂法将石墨烯涂覆到碳纤维织物上，获得具有优异导电性和导热性的多功能织物。该织物的优异导电性能用于雷电的传导和消耗，有利于提高抗雷击性能。

ZHAO J M采用辐射交联法、化学交联法和直接吸附法3种不同的方法分别制备了氧化石墨烯抗菌棉织物。结果表明，3种氧化石墨烯抗菌织物的抗菌率均大于98%，且耐水洗性良好，经过100次水洗测试后，抗菌率仍保持在90%以上。

青岛大学曲丽君课题组研究了石墨烯防紫外线功能织物，他们通过优化石墨烯与聚氨酯的添加比例制备了最优石墨烯/聚氨酯水溶性复配液，并用此复配液对棉织物进行改性整理获得防紫外线织物。该织物石墨烯质量分数仅为0.4% ，使紫外线防护系数 UPF值高达356。该课题组随后还报道了具有远红外发射、导电、防紫外线等多功能的石墨烯织物。

陕西科技大学吕生华等对氧化石墨烯进行氨基化改性并用其对丝织物进行改性处理，得到具有阻燃功能的石墨烯织物。黄国波等报道了氧化石墨烯复合阻燃织物，为减少传统阻燃剂的使用量，他们利用氧化石墨烯的协同阻燃作用，将氧化石墨烯与传统阻燃剂复合制备了复合织物涂层。

YAGHOUBIDOUST F等通过原位聚合法制备了氧化石墨烯/聚吡咯改性棉织物。结果表明，该织物具有优异的储电性能，在电荷存储领域有良好的应用前景。

经国内外文献资料调研，石墨烯材料具有多种功能，而真正对其防电磁辐射功能的研究只有关于石墨烯改性织物的电磁屏蔽性能。张松林等制备了氧化石墨稀/聚二甲基二烯丙基氯化铵盐酸盐（GO/PDDA）多层整理模织物，其屏蔽效能随着模沉积层数的增加而提高，经GO/PDDA改性处理的棉织物能屏蔽52%的电磁波。目前，国内外对于石墨烯复合纤维防电磁辐射性能的研究尚为空白，这也证实了本项目进行的必要性和重要性[5]。

2 石墨烯复合纤维织物仿真模型

本研究模仿功能纱线在机织物中经纬向的排列状态，考虑到织物仿真模型最大限度地提高屏蔽效能，有较好的屏蔽效果，建立了双向垂直交叉排列而且交点相接的织物仿真基础模型。通过改变石墨烯复合纤维结构，改变纯石墨烯复合纤维的排列密度来建立多种对比织物仿真模型，以便更好地指导研发具有不同屏蔽效能的石墨烯复合纤维电磁辐射防护织物。该模型设计如图1所示。

图1 双向垂直交叉交点相接模型

3 织物仿真模型测试

根据本研究建立的织物仿真模型，构建了70 D石墨烯锦纶复合长丝不同排列密度的单根双向垂直交叉交点相接织物仿真模型，如表1所示。课题组应用研发的新型防电磁辐射性能测试仪，在30～2 430 Hz辐射频率下对6种不同网格对角线长度的织物仿真模型进行了屏蔽效能测试，不同频率下的屏蔽效能如图2所示。

表1 单根双向垂直交叉交点相接试样规格

图2 单根双向垂直交叉交点相接试样屏蔽效能

经方差分析得出：当a=0.05时，F=171.8大于Fcrit0.05=0.12，所以，功能纱线网格对角线长度对织物仿真模型的屏蔽效能有显著影响。项目验证了在相同频率下，石墨烯复合长丝网格大小不同，其屏蔽效能不同。当网络格对角线增大时，其织物仿真模型的屏蔽效能随之减小。但测试数据显示，该石墨烯复合纤维由于含量不高导致屏蔽效能不太理想。

4 测试结果分析

评价防电磁辐射织物的屏蔽性能是在特定频率下进行的，美国MEL8296A规定了电磁波频率为0.2～10 kHz、功率密度为200 w/cm2环境中，远场区工作人员应用的防护材料的屏蔽效能必须至少达到20 dB，一般基本掌握在20～40 dB。我国相关屏蔽材料的屏蔽效果评价和应用环境要求为：部分家用电器环境下屏蔽材料的屏蔽下限在10～30 dB，工业和商业用电子设备环境下屏蔽材料屏蔽效能平均值在30～60 dB。日常生活较为常见的辐射频率在30～2 430 Hz下，6种织物仿真模型屏蔽效能均在10 dB以下，需要改变材料的石墨烯含量或调整仿真模型试样。