遲淑麗，田明偉,2,3，曲麗君,2,3

(1.青島大學紡織服裝學院,山東青島 266071； 2.纖維新材料與現(xiàn)代紡織國家重點實驗室培育基地,山東青島 266071； 3.青島大學海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心,山東青島 266071)

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石墨烯纖維素復合纖維制備及導電導熱性能研究

遲淑麗1，田明偉1,2,3，曲麗君1,2,3

(1.青島大學紡織服裝學院,山東青島 266071； 2.纖維新材料與現(xiàn)代紡織國家重點實驗室培育基地,山東青島 266071； 3.青島大學海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心,山東青島 266071)

介紹纖維素漿粕的溶解工藝以及石墨烯與再生纖維素復合纖維的制備工藝，并對石墨烯的含量對復合纖維的性能影響進行分析。結(jié)果表明：隨著石墨烯含量的增加，復合纖維表面的褶皺增多，說明更多量的石墨烯與纖維素纖維復合。隨著石墨烯含量增加，復合纖維的機械性能呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；導電性增加，最終趨于穩(wěn)定；導熱性能隨著石墨烯含量的增加而增加。認為： 石墨烯纖維素復合纖維具有良好的導電、導熱性能，提高了普通纖維素纖維的附加值，使其在功能性防護紡織品領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

石墨烯 石墨烯纖維素復合纖維 導電 導熱

0 前言

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體,其具有完美的大π共軛體系和最薄的單層原子厚度的結(jié)構(gòu)，它是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元，石墨烯的很多奇異的電子及機械性能，引起了諸多領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。據(jù)報道，石墨烯在化學修飾電極[1]、新型儲能材料[2]、生物傳感器[3]、催化劑[4]、生物醫(yī)學[5]等領(lǐng)域受到研究者的廣泛研究及應(yīng)用。近年來，石墨烯由于其獨特的力學、電學、熱學性能也受到了紡織領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注，逐漸成為紡織新材料領(lǐng)域的研究熱點，在功能紡織品的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用[6-8]。再生纖維素纖維在紡織領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，將石墨烯混入溶解的纖維素溶液制得的石墨烯纖維素復合纖維，具有良好的導電、導熱性能，提高了傳統(tǒng)再生纖維素纖維的附加值，石墨烯復合纖維具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

石墨烯漿料(固體的質(zhì)量分數(shù)為10%)，纖維素漿粕(濟南圣泉集團)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAC，分析純，含量≥99.5%)，無水氯化鋰(分析純，AR,含量≥95.0%)，蒸餾水。

1.2 紡絲液配制

稱取纖維素漿粕六組，每組4g，分別溶解于N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)，置于160℃烘箱，加熱1小時，取出，分別加入12g無水氯化鋰，在通風櫥里用玻璃棒充分攪拌使得無水氯化鋰溶解，然后放在110℃烘箱中加熱3小時，取出后靜置48小時，直至纖維溶解[9]。取50g固體的質(zhì)量分數(shù)為10%的石墨烯漿料，冷凍干燥，石墨烯占纖維素的比例分別為10%、15%、20%、25%、30%，用電子天平稱取干燥后的石墨烯，質(zhì)量分別為0.4g、 0.6g、 0.8g、1.0g、1.2g。分別將0.4g,0.6g,0.8g，1.0g,1.2g石墨烯加入上述溶解好的纖維素溶液二至六組，一組為對照組，在電動攪拌器中對混合后的溶液攪拌一小時，然后超聲1小時，靜置，待無氣泡后，將水作為凝固浴，采用實驗室微型濕法紡絲機進行紡絲，卷繞，干燥后測試其性能。

2 實驗方法

采用JSM-5600LV 型掃描電子顯微鏡觀察石墨烯復合纖維微觀結(jié)構(gòu)。

將紡絲得到的纖維素纖維和石墨烯纖維素復合纖維60℃干燥處理2h，用傅里葉紅外光譜儀(FT-IR，Nicolet 5700型)進行紅外光譜測試，分析纖維素纖維和石墨烯纖維素復合纖維的官能團的振動情況。

將實驗中紡制的直徑約為60μm的純纖維素纖維和纖維素石墨烯復合纖維切成長為2cm的試驗樣品，測試環(huán)境溫度為20℃，濕度為65%，采用LLY-06型電子單纖維強力儀對其機械性能進行測試，設(shè)置預(yù)加張力為0.6cN，隔距為10 mm，拉伸速度為20mm/min，測試10次，求得平均值。

在溫度為25℃、濕度為65%的環(huán)境下，通過厚度儀測試纖維素纖維和石墨烯纖維素纖維的直徑；選取測試纖維長度為1cm,采用數(shù)字萬用表(UNIT UT33D)測試該長度內(nèi)纖維的導電性，測試電壓范圍為-10V ～ +10V，間隔電壓為0.5V。利用下列公式計算其電導率：

式中σ——電導率，S/cm；R——納米纖維膜的方阻，Ω；d——納米纖維膜的厚度，cm。

當測試室溫為25℃、測試濕度為65%時，通過KESF-TL-2C織物熱性測試儀測試纖維素纖維模擬織物和石墨烯纖維素復合纖維模擬織物的導熱性能。加熱板溫度為35℃，電流值為3A。利用以下公式計算其導熱系數(shù)：

其中，K—為導熱系數(shù)，單位是w/cm·℃； D—為測試的模擬織物厚度； W—為織物熱性測試儀器上示數(shù)； A—為加熱板的面積；ΔT—為加熱板與室溫之差。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 復合纖維的微觀形態(tài)

圖1是石墨烯含量為0、10%、15%、20%、25%、30%的復合纖維的掃描電鏡圖，由圖1可以看出，當石墨烯含量為10%時，復合纖維的電鏡圖中褶皺較原樣明顯，并且隨著石墨烯含量的增加，纖維表面褶皺增多，褶皺為石墨烯在纖維內(nèi)的存在狀態(tài)，這也說明了石墨烯在復合纖維中含量比重的增加。

圖1 不同石墨烯含量的復合纖維的掃描電鏡圖

3.2 結(jié)構(gòu)分析

纖維素纖維及石墨烯纖維素復合纖維的紅外光譜如圖2所示，3434cm-1處的強吸收峰為-OH伸縮振動峰，該吸收峰是纖維素的特征吸收峰；C-H的伸縮振動在2900cm-1處形成強度較弱的吸收峰。在石墨烯復合纖維中，隨著石墨烯含量的增加，位于1637cm-1處的C=C的伸縮振動強度越大，說明石墨烯含量增加。在3434cm-1處吸收峰的強度的不斷增加也說明石墨烯在復合纖維中的含量逐漸增加。

圖2 不同石墨烯含量的復合纖維的紅外分析圖

3.3 機械性能分析

下表1是不同含量石墨烯對應(yīng)的復合纖維的斷裂強力和斷裂伸長率。由表可以看出，隨著石墨烯含量的增加，纖維的斷裂強力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于石墨烯與纖維素內(nèi)大分子之間形成的氫鍵，并且隨著石墨烯含量的增加，氫鍵作用力越來越大。隨著纖維中摻雜的石墨烯含量增多，復合纖維的韌性減弱，從而導致斷裂伸長率降低[10]。

表1 不同石墨烯含量的復合纖維的斷裂強力和斷裂伸長率

3.4 導電性能分析

為討論不同石墨烯含量對石墨烯纖維素復合纖維導電性能的影響，設(shè)置石墨烯濃度梯度為10%、15%、20%、25%、30%，由下圖3可知，當石墨烯含量為10%的時候，復合纖維的電導率為1.41×10-3S/cm；隨著石墨烯含量的增加，石墨烯纖維素復合纖維的電導率呈上升趨勢。當石墨烯濃度為25%時，復合纖維的電導率為1.77×10-2S/cm，當石墨烯含量繼續(xù)增加時，電導率趨于穩(wěn)定。這為后續(xù)該復合纖維在石墨烯纖維素纖維在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，因此，當石墨烯濃度為25% 或是30%時復合纖維導電性最佳。

圖3 不同石墨烯含量的復合纖維的電導率

3.5 導熱性能分析

為探討不同濃度的石墨烯纖維素復合纖維模擬織物的導熱性能，將模擬織物進行導熱性能測試，每組測試三次，分別記錄熱量值，取平均值并計算導熱系數(shù)，結(jié)果如圖4所示，由圖4可以看出，隨著石墨烯含量的增加，導熱系數(shù)增加，說明織物散熱快。由此可得，石墨烯有助于增加織物的散熱性能，這也間接反映出石墨烯纖維素復合纖維的良好導熱性。

圖4 不同石墨烯含量的纖維的導熱系數(shù)

4 結(jié)論

本文介紹纖維素漿粕的溶解工藝以及石墨烯與再生纖維素復合纖維的制備工藝，并對石墨烯的含量對復合纖維的性能影響進行分析。實驗結(jié)果表明：隨著石墨烯含量的增加，復合纖維表面的褶皺增多，說明更多量的石墨烯與纖維素纖維復合。石墨烯含量增加，復合纖維的導電性增加，最終趨于穩(wěn)定，提高了普通纖維素纖維的附加值，在功能性防護型紡織品上具有良好的應(yīng)用前景，石墨烯優(yōu)異的導電性能為功能紡織品的研發(fā)開辟了新的路徑，將石墨烯與紡織材料相結(jié)合，可制備性能優(yōu)異的抗靜電或者導電紡織品[7]。后續(xù)我們的團隊將根據(jù)石墨烯復合纖維良好的導電性、導熱性探究其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

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2017-02-27

國家自然科學基金項目( 51273097，51306095)；中國博士后科學基金面上項目( 2014M561887) ; 山東省泰山學者建設(shè)工程專項經(jīng)費資助。

遲淑麗( 1990-) ，女，碩士研究生，研究方向: 石墨烯以及新型復合紡織材料的研究。

曲麗君( 1964-) ，女，博士，教授，博士生導師。

TS101.92+3.9

A

1008-5580(2017)02-0022-04