西安工程大學紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048

當材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸縮小到1.000～100.000 nm時，其量子效應(yīng)和界面效應(yīng)會使得材料的力學、熱學、電學和光學等性能發(fā)生改變。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道按蜂巢晶格排列形成的單層二維碳納米材料，其厚度僅0.335 nm[1]。自由狀態(tài)下幾乎零缺陷的石墨烯是英國曼切斯特大學的GEIM和NOVOSELOV利用簡單的膠帶粘揭方法獲得的[2]。石墨烯以其前所未有的電學性能(如令人驚嘆的載流子遷移率)，以及巨大的比表面積、極高的熱導率等[3-4]，在眾多研究領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值[5-7]。

1 石墨烯的性能

1.1 電學性能

石墨烯是零帶隙半導體，其電子的移動速度可達到光速的1/300。有試驗表明，石墨烯的電子遷移率最高可達200 000 cm2/(V·s)，室溫下也可達15 000 cm2/(V·s)，電阻率僅為10-6Ω·cm[8]。相比之下，現(xiàn)代晶體管的主要材料——硅的電子遷移率僅為1 400 cm2/(V·s)，比室溫下的石墨烯低一個數(shù)量級。因此，鑒于硅材料加工受物理原理的制約，以及石墨烯中電子優(yōu)異的運輸性能，后者極有望成為下一代半導體元器件的核心材料。

1.2 熱傳導性能

在石墨烯結(jié)構(gòu)中，由晶格振動引起的高效傳熱與sp2雜化軌道有關(guān)。試驗證實，室溫下單層石墨烯的面內(nèi)熱導率約為5 200 W/(m·K)[9]，已超越塊體石墨[2 000 W/(m·K)]、碳納米管[3 500 W/(m·K)]和金剛石等同素異形體，遠超銀[429 W/(m·K)]和銅[401 W/(m·K)]等金屬材料。極高的熱傳導性能、良好的熱穩(wěn)定性及優(yōu)良的電荷傳輸效率使得石墨烯在許多微電子領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景。

1.3 力學性能

目前，石墨烯被認為是已知材料中強度和硬度最高的晶體材料，其抗拉強度和彈性模量分別高達125和1 100 GPa[10]。石墨烯中各碳原子之間化學鍵連接柔韌，當其受到外部機械力作用時，碳原子沒有重新排列，而只是內(nèi)部化學鍵發(fā)生了彎曲變形，故而具有優(yōu)異的力學性能。石墨烯的單原子層結(jié)構(gòu)使得石墨烯片上最弱的碳碳鍵決定著其斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變，因此，石墨烯的力學性能對空位缺陷很敏感。

2 石墨烯基功能紡織品的制備方法

石墨烯因具有超疏水性而與紡織品間無親和力，故無法直接牢固地吸附在紡織品表面。氧化石墨烯表面富含羥基、羧基等含氧官能團。這些含氧官能團使得氧化石墨烯在水中具有良好的分散性和穩(wěn)定性，并為氧化石墨烯的接枝改性提供了有利條件，它們能與紡織品中的某些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而與之牢固地結(jié)合在一起[11]。有研究表明，石墨烯和氧化石墨烯均能表現(xiàn)出優(yōu)異的功能性[12]。因此，大多數(shù)研究者先在紡織品表面通過適宜的方法負載氧化石墨烯，隨后將該紡織品還原處理，得到石墨烯基功能紡織品[13]。石墨烯在紡織品表面的含量決定著該產(chǎn)品的功能性。因此，可通過選擇相應(yīng)的整理方法改變石墨烯在紡織品表面的吸附量，獲得不同的石墨烯基功能紡織品。

2.1 直接浸軋法

直接浸軋法簡單、易操作，且對紡織品的各項性能損傷小，適宜大批量工業(yè)化生產(chǎn)。但是，石墨烯疏水、易團聚，故選擇先將待整理的紡織品浸漬于氧化石墨烯的分散液中，再選擇氧化還原介質(zhì)進一步還原處理，制得不同的石墨烯基功能紡織品。此過程可通過控制浸漬次數(shù)來改變氧化石墨烯在紡織品表面的吸附量。

此外，還可配置交聯(lián)劑與石墨烯的混合整理液，通過“軋-烘-焙”工藝，使混合整理液與紡織品發(fā)生鍵合反應(yīng)，并牢固地吸附在紡織品表面。杜敏芝等[14]將石墨烯作為防靜電劑、水溶性聚氨酯作為黏合劑，對滌棉紡織品進行了軋-烘-焙整理，發(fā)現(xiàn)：當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，紡織品具有優(yōu)異的防靜電性能，可用于制作防靜電服裝或精密儀器的靜電防護套等。

2.2 復配液整理法

復配液整理法通過物理或化學的方法，將含有兩種或兩種以上成分的整理液整理到紡織品上。影響石墨烯復配液分散性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是石墨烯與有機物基體之間的相容性。因此，無機納米材料與有機物基體之間的結(jié)合是目前研究的重點。胡希麗等[15]利用含水溶性聚氨酯黏合劑的石墨烯對棉紡織品進行涂層整理，獲得了遠紅外發(fā)射率高達0.911的石墨烯基遠紅外功能棉紡織品，保健效果優(yōu)于市售的遠紅外發(fā)射保健產(chǎn)品(發(fā)射率一般約為0.800)。

2.3 層層自組裝法

層層自組裝法是利用分子間的靜電力使層與層之間自發(fā)連接，逐層沉積形成組裝膜的。這種方法不僅可提高氧化石墨烯在紡織品表面的吸附量，還能利用帶正電荷的各種功能整理劑為紡織品帶來更多的功能。杜敏芝等[16]采用聚(4-苯乙烯磺酸鈉)作為聚陰離子、殼聚糖作為聚陽離子，將石墨烯納米片均勻摻雜在殼聚糖溶液中，利用靜電吸附層層自組裝法對針織物進行涂層整理，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為7.2%時，該針織物的電磁屏蔽(SE)值高達31 dB，高出商業(yè)應(yīng)用所需的SE值(20 dB)。

2.4 其他

隨著石墨烯在紡織領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展，新的制備方法層出不窮。ZHONG等[17]采用化學沉積法制備出石墨烯/碳納米管復合纖維，其紗線的力學強度可達300 MPa，導電率為105 S/m。REN等[18]將氧化石墨烯分散液通過真空過濾法整理到棉織物上，隨后180 ℃熱壓還原(此過程無還原劑參與)，得到單面石墨烯基棉織物。Li等[19]通過化學氣相沉積法，在銅絲編織的模板上生長石墨烯，隨后去除銅網(wǎng)制得石墨烯基織物。該織物強度高，柔韌性和尺寸穩(wěn)定性良好，可廣泛應(yīng)用于復合材料、應(yīng)變傳感器和太陽能電池等領(lǐng)域。

3 石墨烯基功能紡織品的作用機理

石墨烯優(yōu)異的力學、電學及熱學等性能引起了各行各業(yè)研究人員的極大關(guān)注，紡織業(yè)界也逐漸將其應(yīng)用于新材料領(lǐng)域，其在紡織品的功能改性應(yīng)用中正大放異彩[20-22]。

3.1 石墨烯基阻燃材料

質(zhì)輕、強度高、化學穩(wěn)定性好的聚合物復合材料已成為建筑、電子、能源等行業(yè)的首選材料，但聚合物復合材料易燃燒，且劇烈燃燒時伴有熔融物滴落，火災隱患較大，這限制了其在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用[23]。具有阻燃性能的聚合物復合材料一般通過添加阻燃劑或接枝復合阻燃元素基團等方式來實現(xiàn)，但這些阻燃劑存在易析出、污染環(huán)境甚至會影響聚合物本身力學性能等缺陷[24]。石墨烯比表面積巨大(約為2 630 m2/g)、熱傳導性能優(yōu)異[熱導率約為5 200 W/(m·K)]、氣體隔絕性能良好，其作為添加劑用于阻燃材料已成為新的發(fā)展趨勢。HU[25]等利用超支化阻燃劑先對氧化石墨烯進行功能化處理，隨后將其摻入交聯(lián)聚乙烯(XLPE)中以增強基質(zhì)的阻燃性和熱穩(wěn)定性，同時改善聚合物材料的力學性能和抗氧化性能。NINE等[26]利用還原氧化石墨烯(RGO)/水合偏硼酸鈉復合懸浮液對纖維素材料進行一步處理，利用二者各自的特性及相互的協(xié)同作用，賦予纖維素材料多重作用模式的高效的阻燃防護。WANG等[27]以石墨烯為增效劑制備的膨脹型阻燃聚丁二酸丁二醇酯(IFRPBS)復合材料，不僅抗滴落性能優(yōu)異，同時抗撕裂性能良好。

石墨烯作為阻燃劑使用是基于其獨特的二維碳原子片層結(jié)構(gòu)。當含石墨烯的聚合物材料遇到高溫或明火時，石墨烯所形成的致密保護性碳層可在阻止氧氣進入材料深處的同時，防止內(nèi)部可燃性氣體溢出，從而對聚合物材料進行阻燃；再者，石墨烯擁有巨大的比表面積使其更易吸附燃燒過程中產(chǎn)生的有機揮發(fā)物，阻止揮發(fā)物的擴散。此外，石墨烯導熱性非常好，熱量分散快，火勢不易傳播擴散。近來，也有研究者通過在石墨烯表面引入含磷阻燃劑等功能單體對其進行功能化改性，利用兩者的協(xié)同效應(yīng)獲得優(yōu)異的阻燃紡織品。

3.2 石墨烯基抗菌材料

生活品質(zhì)的提升促使紡織品朝著健康、保健的方向發(fā)展。紡織品在穿著中會因皮屑、汗?jié)n等形成微環(huán)境而滋生微生物，更有甚者會造成疾病的傳播，故紡織領(lǐng)域中抗菌材料必不可少。無機系抗菌劑以納米抗菌劑為代表，它們因抗菌性強、持效性好、無毒無污染等特點而廣受關(guān)注[28]。石墨烯的發(fā)現(xiàn)令納米抗菌劑的發(fā)展有了新方向。石墨烯及其衍生物具有良好的抗菌性和生物相容性，其巨大的比表面也是抗菌活性物質(zhì)的理想載體。

馬君志等[29]采用濕法紡絲技術(shù)制得了石墨烯/黏膠纖維，發(fā)現(xiàn)：當石墨烯質(zhì)量分數(shù)達到3.0%時，該纖維對大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌及白色念珠菌的抗菌效果最佳，抑菌率分別達到99.2%、 99.6%、 99.3%。張麗等[30]在堿性環(huán)境下采用原位還原法制備AgNP/G納米復合材料，發(fā)現(xiàn)當AgNP/G的質(zhì)量濃度為20 μg/mL時，AgNP/G納米復合材料的抗菌率達98.7%。

抗菌是石墨烯的基本性能之一，其抗菌機理涉及：石墨烯鋒利的片層邊緣直接刺穿細菌的細胞膜致菌體死亡；石墨烯插入磷脂雙分子層中，并將磷脂分子抽離，破壞細胞膜的完整結(jié)構(gòu)，胞內(nèi)基質(zhì)大量流失，細菌死亡；細菌的細胞表面被石墨烯及其衍生物吸附，甚至完全吞沒，細菌與其生存環(huán)境相隔離，細菌因缺少營養(yǎng)物質(zhì)的供給而死亡；石墨烯及其衍生物通過氧化應(yīng)激作用將脂肪酸氧化刺激自由基反應(yīng)，生物膜遭到破壞后細菌裂解死亡。

3.3 石墨烯基抗靜電材料

靜電會對人的健康及生產(chǎn)帶來不可忽視的危害[31]。在紡織材料中，滌棉面料因挺括、耐穿、尺寸穩(wěn)定、易洗快干等優(yōu)點而被應(yīng)用于各種服用及產(chǎn)業(yè)用紡織品中，但滌綸屬疏水性纖維，易產(chǎn)生靜電，會嚴重影響產(chǎn)品的服用性能。石墨烯電學性能優(yōu)異，其在防靜電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與研究。

杜敏芝等[14]32-35以石墨烯為防靜電劑、水溶性聚氨酯為黏合劑，通過軋-烘-焙方法對滌棉織物進行涂層整理，發(fā)現(xiàn)：當石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為0.5%，滌棉織物表面的電阻率為3.98×10-4Ω·m，防靜電性能優(yōu)異。葛方青等[32]以石墨烯為導電填料制備出功能涂料，并用于棉織物的涂層，研究結(jié)果表明：當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.8%且涂覆6次時，棉織物電阻率僅為46.8 Ω·cm，導電性能良好。

石墨烯出色的電學性能，與石墨烯中每個碳原子貢獻的未成鍵的π電子可沿垂直于平面的π軌道自由移動有關(guān)。因此，將石墨烯整理到織物表面可改善織物的靜電現(xiàn)象。隨著石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加，織物表面石墨烯片層的排列變得緊湊，織物的導電性顯著提升；但當石墨烯的質(zhì)量分數(shù)超過一定量時，石墨烯會在織物表面發(fā)生團聚而有效面積減小，織物的導電性有所減弱。此外，石墨烯在織物表面的分布情況也會影響其導電性。

4 結(jié)語與展望

石墨烯應(yīng)用于紡織品，不僅可擴大傳統(tǒng)紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域，還能提升紡織品的開發(fā)價值。例如：將紡織材料作為基底與石墨烯相結(jié)合，可制成微小、柔性的電子元件，用于智能可穿戴服裝中，既具備傳統(tǒng)紡織品所具有的柔韌、透氣等服用性能，又能實現(xiàn)部分電子產(chǎn)品所具有的功能。這些智能紡織品將紡織技術(shù)與電子信息技術(shù)相融合，在醫(yī)療保健、可穿戴電子產(chǎn)品及軍用服裝設(shè)備等方面具有巨大的應(yīng)用前景。石墨烯基功能紡織品的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用將推動我國化纖紡織行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，有助于打造出高端智能紡織品。