石墨烯复合纤维及其功能性纺织品性能研究*

黄晓茵

泉州纺织服装职业学院，福建 泉州 362700

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维层状材料，通过sp2杂化的碳原子形成的六元环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共轭体系，从结构上可以认为石墨烯是零位富勒烯（包覆）、一维碳纳米管（卷曲）和三维石墨（堆垛）的基本组成单元[2]。独特的结构赋予石墨烯极大的比表面积和优异的理化性能，从而成为诸多领域的前沿研究热点[3]。据报道，石墨烯材料近年来在能源、催化、分离、环境以及生物医药等方面获得了广泛的研究和应用[4-8]。

功能性纺织品是一类拥有一种或多种性能的纺织品材料，包括导电织物、储电织物、保暖织物、导热织物、阻燃织物、抗菌织物、远红外发射织物、紫外线防护织物等[9-10]。凭借出色的电学、热学、力学和光学性能，石墨烯材料在功能性纺织品领域的应用备受关注[11-12]。中国中央电视台曾在2017年春晚的哈尔滨会场特别展示了石墨烯新材料保暖衣。科学家指出，未来石墨烯功能性纺织品将全面改变和应用于民众的生活。

再生纤维素是纺织品的传统材料，将石墨烯和溶解的再生纤维素进行复合制备石墨烯纤维素复合纤维，具有优异的导电、导热和机械性能，显著提升了再生纤维素的各方面性能，使得石墨烯复合纤维在功能性纺织品领域具有广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 实验材料

再生纤维素固体浆粕，石墨烯固体浆料（质量分数为10%），无水氯化锂（LiCl，分析纯），N,N-二甲基乙酰胺（DMAC，分析纯），去离子水。

1.2 实验步骤

称取再生纤维素固体6组（每组3g）于160mL DMAC中，然后分别称取6g LiCl加入搅拌。转移至反应釜中静置于烘箱，在160℃下加热3h。

称取石墨烯固体浆料于上述体系，使得石墨烯占复合纤维质量百分比分别为0%、2%、4%、6%、8%、10%，对获得的石墨烯和再生纤维素进行静电纺丝并制备功能性纺织品。

1.3 实验方法

采用Tecnai G2F20 S-TWIN透射电子显微镜观察石墨烯微观结构，采用S-3700N型扫描电子显微镜表征石墨烯复合纤维形貌。利用RFS100型拉曼光谱仪和ESCALAB 200R型X射线光电子能谱仪进行组分复合纤维表征。采用TEADFS-100型静电纺丝仪得制备石墨烯复合纤维。实验中得到的纺织品切成长宽为2.0cm×0.5cm的样品，测试温度为15℃，湿度为70%。采用LLY－06型电子单纤维强力仪测试试验样品的机械性能，测量10次计算平均值。利用电子万用表（UNIT UT33D）对试验样品进行测试导电性，通过下面的公式求取电导率：

式中：σ为电导率，S/cm；R为试验样品的电阻，Ω；D为试验样品的厚度，cm。

采用KESF-TL-2C热性测试仪对试验样品进行导热性能分析。结合下列公式求得导热系数：

式中：k为导热系数，W/（cm•℃）；W为热性测试仪器的示数；A为加热板的面积，cm2。

2 结果与讨论

2.1 复合纤维的微观形貌

石墨烯材料的透射电子显微镜照片如图1所示。石墨烯纳米片比较大，尺寸处于微米级别，而且片层比较薄，层数少，具有良好的导电、导热和力学性能。

图1 石墨烯的透射电镜照片

采用静电纺丝技术制备石墨烯和再生纤维素的复合纤维，如图2所示。对石墨烯复合纤维的直径进行统计，如图3所示，直径主要分布在100～250nm，大多数为200nm。通过扫描电子显微镜来观察其形貌结构，如图4所示。从图4可以看出，所制备的石墨烯复合纤维非常均匀，相互交错，能提高相互作用力，进而增加力学性能，在纤维的表面可以看到一些石墨烯片。

图2 静电纺丝制备石墨烯复合纤维的示意图

图3 20kV下8%-石墨烯复合纤维的直径分布

图4 8%-石墨烯复合纤维的扫描电镜照片

2.2 复合纤维的结构表征

再生纤维素及8%-石墨烯/再生纤维素复合纤维的拉曼光谱如图5所示。两条曲线均展示了明显的D峰（1360cm-1）和G峰（1590cm-1），这是碳材料拉曼谱图的典型特征信号。通常而言，D峰和G峰的强度比例（ID/IG）可以用来说明碳材料的质量[13]。计算结果表明，石墨烯复合纤维素的ID/IG数值为1.03，低于再生纤维素（1.16），表明经过石墨烯的引入使得复合纤维的缺陷减少，这能够提升整体电学和热学性能。X射线光电子能谱可以用来获得样品具体元素更精确的结构信息，8%-石墨烯/再生纤维素复合纤维的C 1s谱图，如图6所示。可以观察到C的成键形式（包括-O-C=O，-C=O，-C-O，-C-C/C=C等），主要源于石墨烯和再生纤维素自身基团以及两者相互作用的基团。

图5 8%-石墨烯复合纤维和再生纤维素的拉曼光谱图

图6 8%-石墨烯复合纤维和再生纤维素的X射线光电子能谱图（C 1s）

2.3 功能性纺织品的导电性能分析

为探究复合纤维中石墨烯的含量对所得功能性纺织品的电学性能影响，对不同石墨烯含量（0%～10%）的样品进行测试获得电导率信息，如图7所示。从图7可以发现，当没有添加石墨烯时，仅由再生纤维素制备的纺织品电导率几乎为零，使导电性受到很大限制。随着石墨烯含量的增加，复合纤维得到的纺织品电导率显著上升。当石墨烯的含量达到8%时，电导率为0.34S/cm。优异的导电性能让该石墨烯复合纤维在今后的功能性纺织品领域得到极大的应用。

图7 不同石墨烯含量功能性纺织品的电导率

2.4 功能性纺织品的导热性能分析

导热性是评价功能性纺织品性能的另一个重要因素。对不同复合纤维制备而成的纺织品进行热学测试，探讨不同含量的石墨烯与织物导热性能之间的关系，计算得到的导热系数如图8所示。当没有加入石墨烯时，织物的导热系数仅有0.002W/（cm•℃）；在逐渐增加体系的石墨烯含量之后，导热系数不断增加，说明石墨烯能很好地提高纺织品的散热速率，这也表明了石墨烯/再生纤维素复合纤维优异的导热性。

图8 不同石墨烯含量功能性纺织品的导热系数

2.5 功能性纺织品的机械性能分析

不同石墨烯/再生纤维素复合纤维制备的功能性纺织品断裂强力与石墨烯含量的变化图如图9所示。可以看出，随着石墨烯含量的提升，纺织品断裂强度呈现增强的趋势。当复合纤维中石墨烯的质量分数达8%时，纺织品的断裂强力为3.3cN/dtex，相比不含石墨烯的样品，提高了65%。这主要得益于石墨烯上的含氧基团与再生纤维素分子之间存在很强的范德华力和氢键，而且在一定范围内，作用力会随着石墨烯含量的提高而不断增强，当质量分数由8%增加到10%时，纺织品的断裂强度趋于稳定。此外，基于复合纤维的纺织品的断裂伸长率会随着石墨烯质量分数的增加而逐渐降低，如图10所示。这是因为纺织品的韧性和石墨烯百分含量成反比，韧性的降低会导致织物的断裂伸长率下降[14]。

图9 不同石墨烯含量功能性纺织品的断裂强力

图10 不同石墨烯含量功能性纺织品的断裂伸长率

3 总结与展望

文章制备和表征了石墨烯与再生纤维素复合纤维，探究了石墨烯的含量对复合纤维功能性纺织品性能的影响。研究测试结果表明，在一定范围内，随着石墨烯含量的增加，复合纤维的导电、导热和机械性能明显提升，最终趋于稳定。由此可见，石墨烯基复合纤维在功能性纺织品领域具有广阔的应用前景。当前，国内外关于石墨烯的研究正处于火热时期，但石墨烯在功能性纺织品中的研究尚处于起步阶段，距离真正的产业化应用还有很长的路要走。相信经过广大研究工作者不懈的努力，石墨烯复合纤维的制备和生产工艺可以在不久的将来实现低成本化和成熟化，石墨烯基功能性纺织品也将走进并改变人们的生活。