石墨烯及其衍生材料在特种纺织品中的应用

邓盛鹏，陈玉龙，刘璐瑶，任新民

(兰州三毛实业有限公司，甘肃 兰州 730300)

纺织品在人类生活中扮演着不可或缺的角色，随着时代的发展，纺织品的应用趋于多元化。新型纺织品除满足日常应用外，还需具备导电、抗紫外线、阻燃、疏水、保健等一种或多种功能。其中，特种纺织产品是新型纺织产品中具有代表性的一种产品。传统特种纺织品存在质量大、散热能力低、透气性差、对细菌抵抗力差等问题[1]，在特种工作人员穿着该产品进行特种作业时会对工作的完成度造成一定的影响，且会对工作人员造成一定的危害。因此，新型功能性特种纺织品的研发及应用具有重要意义[2]。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的2D单层平面薄膜物质，与富勒烯(零维碳纳米材料)、碳纳米管(一维碳纳米材料)并称为21世纪三大碳材料。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的新型二维纳米材料[3]。石墨烯在光感应、导电、热效应、机械强度、电磁感应等方面具有优越的性能，其在新型复合材料、智能材料、能量储存转换装置、生物医学等相关领域拥有广阔的应用前景。

将石墨烯及其衍生物应用到纺织材料中可增强纺织材料的抗菌抑菌、抗静电、抗紫外线、远红外等功能[4]。因此，石墨烯材料在纺织产品中广泛应用，尤其在特种纺织品中具有良好的应用前景。作者介绍了石墨烯在纺织产品中的功能特性，以及石墨烯及其衍生材料在特种纺织品中的应用情况，并对今后石墨烯改性纺织品的开发与推广应用提出建议。

1 石墨烯在纺织品中的功能特性

1.1 抗菌功能

细菌、病毒等病原体附着在衣物表面对人体存在危害，纺织品的抗菌改性成为解决途径之一，石墨烯作为新型纺织品的一种改性材料具有较好的抗菌性能[5]。苑亚楠等[6]采用石墨烯改性氨纶，当添加石墨烯质量分数为1%时，改性氨纶对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的抑菌率均在98%以上。此外，相关研究表明对石墨烯进行改性后其抗菌能力可进一步提升，将壳聚糖和氧化石墨烯改性的织物对金黄色葡萄球菌的抑菌率可达99%[7-8]；将石墨烯添加纳米银复合材料改性的织物具有高抗菌活性和优异的耐用性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率可达99.99%，数10次洗涤后，抑菌率无明显变化[9]。由此可见，石墨烯的添加使织物的抗菌性能显著增加，且具有一定的稳定性。

1.2 抗紫外线功能

人体皮肤长期暴露在紫外线下，会使皮肤受到伤害甚至引发癌变，其中白化病患者等特殊群体对紫外线更为敏感，因此抗紫外线纺织品开发具有重要意义。张佳沁等[10]采用化学法改性石墨烯制备具有抗紫外线功能棉织物，该棉织物紫外光透过率小于2%。赵洪涛等[11]利用氧化石墨烯作为前驱体，采用聚乙烯亚胺(PEI)为改性剂，通过电泳沉积技术对棉织物进行表面涂层整理，处理后的棉织物紫外线防护系数(UPF)大于150，UVA 透过率小于1%，这说明石墨烯改性后的棉织物对紫外线有非常好的阻隔作用。赵洪涛等[12]还通过电泳沉积法制备功能性尼龙/石墨烯复合织物，石墨烯改性后的尼龙织物UPF大于500，UVA 透过率小于0.05%，抗紫外线效果明显。有研究者将石墨烯和金属氧化物结合添加入织物，织物紫外线阻隔结果表明，经过数10 次洗涤后仍具有良好的防紫外线能力[13]。由此可见，石墨烯的加入可使紫外线对纺织品的穿透率降低，且在低浓度下具有较高的抗紫外线功能，此外石墨烯与金属氧化物的结合可能会增强织物防紫外线的持久性。

1.3 远红外功能

目前，大部分远红外纺织品是在纤维中添加具有远红外发射功能的物质，也有部分是在织物后加工过程中将具有远红外功能的材料添加到织物中。然而，大部分远红外辐射剂存在生物安全性问题，会对人体造成伤害。石墨烯作为一种无毒无害的新型材料能吸收和辐射高达40%的远红外线，且在同等光源照射下可迅速升高物体温度，将石墨烯添加入纺织物表面，可增强织物远红外发射能力[14]。胡文兴等[15]采用生物质石墨烯聚酯母粒生产异形涤纶长丝，纤维的远红外温升和发射率分别可达 2.6 ℃和 0.87，具有较好的保温效果。于维晶等[16]采用石墨烯改性莫代尔纤维，测试其内衣的远红外性能，远红外发射率达0.94，远红外辐射温升为1.5 ℃。石墨烯可增强织物的远红外功能，可使织物能够调节温度，还具有远红外发射低温敏感性，在低温情况下可发射远红外波，可使人体温度上升。

1.4 导电功能

智能纺织品是纺织行业未来发展的趋势，其关键在于研发出导电性能优异的纱线，石墨烯具有优异的电学性能，被广泛用于导电纱线和电极材料。目前石墨烯改性物质可用于制造电极，且可使用简单且方便的方法使其应用在穿戴电子产品及其他方面[17]。孙凯凯等[18]将石墨烯溶液加入锦纶长丝中，其耐日晒老化能力和导电性能大幅度提升。蒋连意等[19]利用浸渍还原法将石墨烯和纳米银涂抹在棉纱表面，棉纱导电性能显著提高。王艺颖等[20]用牛血清白蛋白对棉纱进行表面改性处理，使氧化石墨烯更多地吸附于改性棉纱表面，再将氧化石墨烯还原，加入吡咯进行化学聚合，制得石墨烯/聚吡咯/棉纱线电极，具有良好的导电性能，可作为柔性超级电容器的电极材料。FANG M H等[21]采用石墨烯水溶胶对玻璃纤维反复浸渍涂层处理，玻璃纤维完全被还原性氧化石墨烯涂层覆盖后表现出较高的导电性，其导电率为24.9 S/cm，高于其他纳米碳素包覆纤维和商用碳纤维。然而，石墨烯改性织物在数次洗涤后，织物中石墨烯含量将会降低，会出现织物电阻增加的现象[22]。

1.5 抗静电功能

在空气湿度较低情况下，化纤织物在穿着或使用过程中因摩擦产生静电，会吸附灰尘、毛发等，从而降低织物的穿着舒适度。石墨烯因其电学性能优异，在防静电织物中得到广泛应用。凡力华等[23]将腈纶织物浸渍于氧化石墨烯溶液中，再利用紫外光对织物表面附着的氧化石墨烯进行还原，改性后的腈纶织物表现出良好的抗静电能力。姜亚琳等[24]采用石墨烯改性涤纶与羊毛制备混纺面料，面料洗涤前后都具有良好的抗静电性能，达到了耐久型抗静电纺织品B级要求。王唤霞等[25]将涤纶织物浸入带有正电荷的壳聚糖溶液和带负电荷的氧化石墨烯溶液中，改性后的涤纶织物抗静电性能大幅度提高，织物的静电半衰期由改性前的181.54 s降至2.44 s。陈小婷等[26]将石墨烯分散液和水性聚氨酯按一定比例复配，以浸轧-焙烘工艺对涤纶织物进行抗静电整理，织物表现出良好的抗静电性，当石墨烯用量为5 g/L时，织物的表面静电压为932 V，半衰期为0.54 s。因此，石墨烯的加入对于纺织品的抗静电处理具有积极作用。

1.6 其他功能

除以上功能外，石墨烯改性纺织材料还具有其他功能。王成双等[27]将石墨烯粉末和聚酯粉体通过熔融共混纺丝制备石墨烯改性涤纶短纤维，该纤维具有膨松性高、保暖性强、手感柔软滑爽、透气性好等服用性能，还具有低温远红外、抗菌等保健功能。邹梨花等[28]对棉织物进行阳离子化催化，随后依次浸入氧化石墨烯和苯胺单体溶液中，改性后的棉织物能达到较高的电磁屏蔽效能值。S.BHATTACHARJE等[29]在棉织物上涂覆氧化石墨烯之后，通过浸涂法使用 3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷作为偶联剂掺入纳米银颗粒，在二亚硫酸钠存在下还原氧化石墨烯，然后在真空、180 ℃下加热，得到的石墨烯改性棉织物比纯棉表现出更好的疏水性。石墨烯及其衍生物还具有驱蚊功效，可以防止传染病的传播等[30]。

2 石墨烯及其衍生材料在特种纺织品中的应用

2.1 消防及潜水用防护服

传统的特种纺织品具有一定的阻燃性能，但质量和体积较大，降低了工作人员的移动性和舒适性，在一定程度上降低了工作效率。S.Y.SON等[31]研究发现，质量较大和不透气的防护用具会导致消防人员汗液产生率下降，进而对工作人员造成危害。赵倩等[32]将氧化石墨烯与植酸高温反应生成的物质以浸轧烘方法负载到棉织物上，整理后的棉织物在800 ℃下残炭率为33%，而传统棉织物在800 ℃下残炭率为23%。显然，氧化石墨烯的添加可以提高棉织物的阻燃性能。据报道，Eurojersey和Directa Plus两家公司合作开发的新性能石墨烯改性织物具有良好的疏水性和阻燃性，还可帮助佩戴者通过促进散热来保持舒适的体温，在高温条件下使热量分布均匀；Vollebak公司将石墨烯纳米颗粒和聚氨酯结合，然后应用于尼龙织物，该产品同样有助于均衡体温[1]。石墨烯改性纺织品在阻燃、疏水方面具有一定的优势，可广泛用作消防服、潜水服等特种纺织品。

2.2 高机械强度防护用品

国防工作人员的工作具有一定的特殊性，所处环境相对一般人员可能会更容易遭受致命伤害，在个人防护设备准备不足的情况下，伤亡率相对较高，轻质高强度的多功能防护用品将成为新的研究方向。邵羽南等[33]研制的白石墨烯/聚甲醛复合材料的摩擦系数随着石墨烯含量的增加而逐步增加，复合材料的磨损随着白石墨烯含量增加呈现先增加再降低然后再增加的趋势，这是因为石墨烯本身的高模量和高硬度增加了材料的摩擦系数。WANG G R等[34]研究了界面键对聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯界面性质和破坏模式的影响，结果表明，通过氢键改善界面相互作用，复合材料界面趋于硬化和强化。相关研究表明，通过干喷湿纺的方式制造出的石墨烯纤维具有一定的柔性，并将其与尼龙纤维一起混纺成纱线织造成织物，具有一定的机械强度[35]；此外，将石墨烯永久涂覆在纺织材料上，制备的衣物具有防弹功能[36]。石墨烯的添加可以使织物质量减轻的同时提升织物的机械强度。

2.3 医疗卫生用品

随着社会的发展，生物及化学类的污染越来越严重，在各种病毒爆发时防护服等用品成为了防止病毒危害医护人员的第一道防线。传统的防护服透气性差，防护服中使用的纺织材料可能成为病毒生长的良好载体，可导致病毒的传播。借助石墨烯的抗菌性能，对织物进行改性，可以制备具有良好抗菌性能的防护服。石墨烯可用于制备医务人员的手套、口罩和防护服。N.NOOR等[37]通过化学溶液浸渍工艺浸渍纳米银颗粒修饰的氧化石墨烯纳米复合材料，增加了纳米银粒子在织物基材上的稳定性，从而增强了漂洗再利用能力和抗菌性能。R.M.ENINGER等[38]开发了基于石墨烯过滤的 Guardian G-Volt 面罩，可自我消毒、杀毒和可重复使用，与N95口罩相比，G-Volt对0.3 μm的病毒的有效率为99%。浙江大学常州工业技术研究院利用石墨烯涂层无纺布，研制出石墨烯抗菌防雾口罩，其PM2.5过滤效率达96.4%[1]。添加石墨烯后织物具有独特的抗菌效果，可应用于医疗卫生产品中，有效防止血液、唾液、体液飞溅进而导致的病原体污染。

2.4 智能纺织品

目前，石墨烯在智能纺织品中得到了广泛应用，并用于人类健康护理或环境监测。

S.AFROJ等[39]将石墨烯涂层纱线集成到柔性传感器中，继而通过自动射频识别技术或蓝牙将数据发送到设备，石墨烯纺织品传感器显示出优异的温度敏感性，具有良好的可洗脱性和极高的柔韧性，表明石墨烯在可穿戴电子纺织品中具有良好的应用前景。石墨烯还可以通过激光书写技术制备，应用在纺织品上，使得石墨烯电子纺织品的制造变得简单。XU X W等[40]通过丝网印刷工艺将石墨烯溶液沉积在纺织品上制成石墨烯纺织电极，用于监测心电图反应，记录心电信号，得到的心电信号表现出良好的稳定性。

石墨烯智能纺织品还可用于有害气体检测，如二氧化氮、硫化氢、氨气、甲醛、氢气或二氧化硫等的检测。然而，电子元件与可穿戴材料之间附着力差，对于开发更好的电子纺织品气体传感器一直是很大的障碍[41]。

综上所述，石墨烯智能纺织品具有良好的导电性能，且能根据其性质制作各种智能设备。智能设备能对人体的各项生理指标进行监测，具有良好的应用性。

3 结语

石墨烯是一种新型环保材料，其与织物结合后可使织物具有抗菌、抗紫外线、远红外、导电、抗静电等功能。由于其优异的特性，将其应用于特种纺织品中成为了新的方向。石墨烯及其衍生物应用于消防及潜水用防护服、高机械强度防护用品、医疗卫生用品、智能纺织品等领域具有独特优势，其中智能纺织品将成为纺织品未来发展的趋势之一，石墨烯独特的导电性及轻质性成为了实现智能化的希望。然而，目前石墨烯大规模应用于纺织品仍具有一定的差距。石墨烯由于其自身生产成本较高，即使与其他物质混合加入织物中，仍需较高成本，且均会因织物的洗涤或弯折次数增加而使其功能稳定性和持久性效果降低。此外，部分织物因加入石墨烯而出现难以染色等问题。因此，在未来石墨烯改性织物的研究及应用中，如何平衡石墨烯含量与产品成本还需进一步研究，如何避免织物洗涤及弯曲带来产品性能的下降成为石墨烯纺织品推广应用的难题。