石墨烯改性锦纶的结构与性能研究

刘 杰 赵中楠

（河南工程学院，河南郑州，450007）

石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道组成的二维六边形蜂巢晶格材料［1］，石墨烯具有良好的电学、热学以及力学性能［2⁃3］。石墨烯改性锦纶的制备是将锦纶切片与石墨烯粉体高速预混，再经混炼机混合、双螺杆挤出机造粒，制得石墨烯锦纶母粒，经熔融纺丝制得。本研究通过对石墨烯改性锦纶的微观结构和物理性能进行测试分析，以期对纺织企业研究开发石墨烯纤维产品提供理论依据和设计思路。

1 试验

1.1 试验材料

石墨烯改性锦纶（石墨烯质量分数3.5%），普通锦纶。规格1.67 dtex×38 mm，购买于强生石墨烯科技有限公司。

保暖性测试所用织物试样均在江阴通源SGA 59型全自动剑杆打样机上生产并经过煮练处理。

1.2 测试仪器及方法

1.2.1 纤维形态结构

试样的形态结构采用JSM⁃5600LV型电子扫描显微镜，放大倍数18万倍～30万倍，分辨率在高真空下为3.5 nm，低真空下为4.5 nm。试样红外光谱图采用Nexus 670型傅里叶红外⁃拉曼光谱仪，制取粉末试样，KBr压片，波数4 000 cm-1～500 cm-1。结晶结构采用德国D8 Discover GADDS型X射线衍射仪，Cr靶，Ni滤波，管压25 k V，管流30 mA，积分时间100 s。纤维热学性能采用德国Netzsch的STA（DSC/DTA⁃TG）409 PC型同步热分析仪，N2气氛，升温范围30℃～700℃，升温速率10℃/min。

1.2.2 纤维性能测试

纤维拉伸性能测试采用XQ 2型单纤维强力仪，强力仪的夹持距离20 mm，拉伸速度20 mm/min。吸湿性测试采用YG747型通风式八篮烘箱。纤维导电性测试采用YG321型纤维比电阻仪。纤维织物的保暖性采用FLIRT 250型红外热成像仪进行测试，热敏度为0.08℃，红外图 像 分 辨 率 为240 pixel×180 pixel，温 度 范围-20℃～+350℃，试验环境温度（20±1）℃，相对湿度（65±2）%。

2 结果与分析

2.1 纤维结构

图1、图2为石墨烯改性锦纶和普通锦纶的纵向图。从图1、图2可见，两种纤维的纵向形态基本一致，为圆柱形。普通锦纶表面光滑，而石墨烯改性锦纶表面粗糙，并分布有小颗粒，为石墨烯粉体集聚后形成较大尺寸，伸出纤维表面形成。

图1 石墨烯改性锦纶

图2 普通锦纶

2.2 纤维成分

图3 为石墨烯改性锦纶和普通锦纶的红外光谱图。从图3中可见，两种纤维的红外光谱图基本吻合，石墨烯与聚酰氨大分子之间通过非共价作用力结合在一起，没有形成新的化学键。吸收峰的波数位置基本一样。在3 299 cm-1附近吸收峰为—NH基团及—OH的伸缩振动耦合峰。2 935 cm-1和2 861 cm-1附近的两个吸收峰对应饱和碳上的C—H的反对称和对称伸缩振动峰。1 633 cm-1和1 532 cm-1附近的两个窄并强度大的吸收峰为锦纶的主要特征峰，为酰胺I伸缩振动峰和酰胺II的耦合峰［4］。石墨烯改性锦纶在3 300 cm-1附近的—OH吸收峰的峰形发生变化，峰值变大，这是由于石墨烯表面含氧基团—OH与锦纶基体结合形成氢键［5］，使峰变形。

图3 石墨烯改性锦纶和普通锦纶的红外光谱图

2.3 纤维晶态结构

图4 为石墨烯改性锦纶和普通锦纶的X射线衍射图谱。

图4 石墨烯改性锦纶和锦纶X射线衍射强度曲线图

从图4中可见，两者X射线衍射图谱特征相似，在20.23°和23.78°附近都出现了衍射峰，为α晶型的两种特征衍射峰，分别对应纤维的（200）晶面和（002）/（202）晶面［6］。但两种纤维的衍射强度有所不同，石墨烯改性锦纶的衍射峰较尖锐，衍射峰高。使用jade软件分峰计算得：石墨烯改性锦纶结晶度55.98%，取向度0.98；普通锦纶结晶度51.40%，取向度0.97。石墨烯结晶度高，原子空间排列非常整齐，纤维中加入石墨烯，大分子作用力变大，大分子链排列更加规律整齐。因此石墨烯改性锦纶的X射线衍射特征峰强度大，结晶度和取向度增加。

2.4 纤维热学性能

图5为石墨烯改性锦纶和普通锦纶的热重分析（TG⁃DSC）曲线图。从图5中的TG曲线可见，两种纤维的热失重曲线趋势基本一致，温度在380℃以下，两种纤维的热重曲线重合，质量基本不变。普通锦纶在440℃左右已基本分解完成，残炭量10%。而石墨烯改性锦纶分解温度在470℃时，残炭量13%。表明石墨烯改性锦纶的热稳定性较普通锦纶好。这主要是由于石墨烯具有优良的热稳定性，可以形成屏障作用，阻碍降解产物渗透到主体分子结构内部，从而延缓降解过程。

图5 石墨烯改性锦纶和普通锦纶TG⁃DSC曲线

DSC曲线显示，两种纤维在75℃左右出现了一个吸热峰，为纤维中水分挥发吸热，但TG曲线数据变化很小，说明纤维中水分含量少，与锦纶回潮率低有关。在温度220℃左右出现吸热峰，为熔融吸收峰，两种纤维的熔点没有太大变化。普通锦纶在435℃左右出现了热裂解吸收峰，石墨烯改性锦纶的热裂解吸收峰向高温区移动，在442℃左右出现，表明石墨烯的改性增加了锦纶的结晶度；同时两种纤维的热焓发生了变化。可见，石墨烯的改性对锦纶的DSC曲线有一定的影响。

2.5 纤维拉伸性能

由以上数据可以看出，与普通锦纶相比，石墨烯改性锦纶的断裂伸长率减小，但断裂强度和断裂比功增大。这是由于石墨烯改性锦纶的结晶度和取向度较普通锦纶大所致。

2.6 纤维回潮率

采用YG747型通风式八篮烘箱测得石墨烯改性锦纶的回潮率为5.9%，普通锦纶的回潮率为4.6%，说明普通锦纶改性后对其吸湿性产生了影响。石墨烯表面含有含氧基团—OH，且石墨烯比表面积大，纤维吸湿性能增强。

2.7 纤维质量比电阻

采用YG321型纤维比电阻仪测得石墨烯改性锦纶的质量比电阻为0.46×1012Ω·g/cm2，普通锦纶的质量比电阻为0.67×1012Ω·g/cm2，石墨烯改性锦纶的质量比电阻比对应的普通锦纶小，表明石墨烯改性锦纶的导电性能优于普通锦纶。因此加入石墨烯材料后对普通锦纶的导电性能有一定的改善，使其易于生产加工，也非常适合生产防静电织物，用于特殊用途。

2.8 含石墨烯改性锦纶织物的保暖性能

保暖性测试织物规格：石墨烯改性锦纶/棉50/50 28×28 460×320双 层 组 织；锦 纶/棉50/50 28×28 460×320双层组织。

通过红外热成像测试评价含石墨烯改性锦纶织物的保暖性。采用红外热成像仪拍摄紧贴皮肤表面的温度图像，试样紧密包覆在手臂上，不留空气层，用夹子夹住布面两端的边缘处，排除试样与皮肤表面中空气层对本试验的影响［7］。测试前，受试者裸露胳膊在静止状态下15 min，在距受试者约30 cm，拍摄红外热成像图作为原始对比试验值。此后将试样包覆于受试者手臂上，20 min后，距受试者包覆手臂约30 cm处拍摄红外热成像图，结果见图6。

由图6可见，裸臂红外热像的等温范围在23.9℃～35.5℃，等温线中心温度29.9℃；包裹含石墨烯改性锦纶织物的手臂表面红外热像的等温范围在22.5℃～34.7℃，等温线中心温度28.6℃；包裹含普通锦纶织物的手臂表面红外热像的等温范围在23.6℃～34.8℃，等温线中心温度29.2℃。随温度的升高，图中颜色由蓝色逐渐过渡到红色。由于人体的热量在包裹织物后只能透过织物向外散发，评判被测试样保暖性优劣标准是根据红外热成像图所拍摄到的待测试样表面温度，越低说明待测试样的隔热作用越好，试样的保暖性能越好［8］。由图6可见，裸臂身体体表温度最高，含石墨烯改性锦纶织物包裹手臂后测试温度低于含普通锦纶织物的测试温度，保暖性最好，说明加入石墨烯材料后对普通锦纶的保暖性能有一定的提高。石墨烯材料可以利用自身的远红外持续循环，吸收手臂释放的辐射热，并进行相应的转换释放出热量，在手臂与织物之间进行温度相循环，最终在织物表层到达一个相对稳定的温度，起到保暖的作用。

图6 红外热成像图

3 结论

通过对石墨烯改性锦纶和普通锦纶的微观结构和性能测试与分析，得出如下结论。

（1）两种纤维的纵向形态基本一致，为圆柱形，普通锦纶表面光滑，石墨烯改性锦纶表面较粗糙，有许多不规则的凸起；石墨烯改性锦纶与普通锦纶的红外吸收峰基本相同，表明石墨烯与聚酰胺大分子之间通过非共价作用力结合在一起，两者之间并没有形成新的化学键；石墨烯改性锦纶的结晶度、取向度较普通锦纶高，热稳定性能好。

（2）石墨烯改性锦纶的断裂强度比普通锦纶高；石墨烯改性锦纶的质量比电阻与普通锦纶相比明显降低，导电能力增强；石墨烯改性锦纶的回潮率大于普通锦纶。

（3）含石墨烯改性锦纶织物的保暖性较含普通锦纶织物有所提高。