石墨烯改性纤维在水刺非织造布的应用现状与趋势

郭 奇，郭守才，苏怀平，艾现国，田明伟

(1.山东盛和纺织股份有限公司，山东 临沂 276200；2.青岛大学，山东 青岛 266071)

石墨烯是仅有一层碳原子厚度的片状纳米材料[1]， 是目前世界上最薄的材料，其独特的蜂窝状晶格结构赋予其优异的电学、光学、力学和热学性能。氧化石墨烯是天然石墨通过氧化反应，再经超声分散形成的，其微观结构与石墨烯相似(如图1所示)，但表面富含有羟基、 羧基等极性基团，这些极性基团对氧原子、 氧自由基吸附能力很强，因此氧化石墨烯可以微生物对发生作用，通过包裹、缠绕或片层的边缘切割等使细菌失活，从而表现优异的抗菌性[2，3]。

图1 氧化石墨烯的化学结构图[1]

石墨烯改性纤维一般是指将一定量的石墨烯或氧化石墨烯与纺丝液共混纺丝或将其涂覆在纤维表面形成的一种新型改性纤维[4]。石墨烯改性纤维除了具有基体材料的特性外，还具有石墨烯或氧化石墨烯的远红外发射功能、防紫外线性、高吸附性、抗菌抑菌性和抗静电性等优异功能。

水刺非织造材料是利用高速水针的穿透力对纤维进行取向、相互缠结和黏连，因此具有强力高、吸湿透气性好、手感柔软、无化学粘合剂等优点，在医疗卫生方面，如手术衣、纱布、防护服、尿片、湿面巾、一次性卫生用布等应用特别广泛。受新冠疫情的影响，防护用品需求快速增长，医用非织造材料的创新至关重要。因此将石墨烯改性纤维应用于水刺非织造材料的研发，使其具有抗菌抑菌、远红外发射和抗静电性等功能，对新冠疫情防控具有积极意义。

1 石墨烯改性纤维

1.1 石墨烯改性粘胶纤维

粘胶纤维是一种再生纤维素纤维，具有吸湿性好、光滑凉爽、抗静电、防紫外线、染色牢度较好、色彩绚丽等优点。李昌垒等人[5]利用湿法纺丝工艺制备了石墨烯含量不同的再生纤维素纤维，并对该纤维形态结构及功能特性进行了研究，发现石墨烯再生纤维素复合纤维的形态与常规粘胶纤维形态相似，横截面呈锯齿状结构，纵向有沟槽，石墨烯在纤维中分散较均匀；当石墨烯含量达到3%以上时，石墨烯再生纤维素复合纤维的UPF值经达到50+，且T(UVA)小于5%，满足GB/T18830-2002中的“防紫外线产品”要求；热重分析发现，普通纤维素纤维的最大失重速率约在327℃，而复合纤维约在346℃，说明复合纤维的热分解温度升高，石墨烯复合纤维具有更好的热稳定性。同时指出，石墨烯再生纤维素复合纤维可纺性好，适用不同类型产品，市场前景广阔。

1.2 石墨烯改性锦纶

锦纶是常用服装面料之一，其耐磨性好、强度高、化学稳定性较好。王双成等人[6]以石墨烯作为微纳米填充材料与聚酰胺-6共混，通过混料机预混合和双螺杆挤出机熔融挤出造粒制得石墨烯改性聚酰胺功能母粒。研究发现石墨烯均匀分布在聚酰胺-6中，石墨烯改性聚酰胺功能母粒的含水率、相对粘度、熔融指数等均达到纺丝要求，指出石墨烯改性聚酰胺功能母粒纺制纤维具有抗紫外线、远红外和抗菌抑菌等功能。孙凯凯等人[7]将石墨烯作为耐日晒老化功能材料与水溶性聚氨酯共混得到功能性涂层助剂，并将其涂覆于锦纶长丝表面，测试发现在实验室紫外灯模拟辐照下，功能助剂改性后的锦纶长丝的强力损失率低于50%，较常规锦纶长丝改善明显，且具有较好的导电性。

1.3 石墨烯改性涤纶

涤纶合成工艺简单，具有化学性质稳定、挺括、易洗快干等优点，在纺织服装领域应用广泛。王双成等人[7]将生物质石墨烯作为功能材料与分散剂及聚酯粉体通过熔融共混的方式制备母粒，再经过熔融纺丝工艺制备出石墨烯改性涤纶短纤维。研究发现，该纤维除具有强度高、耐腐蚀、膨松性高、保暖性强、手感柔软滑爽、透气性好等优点外，还具有抗菌抑菌、抗静电、远红外等功能，产品附加值高，市场前景好。

1.4 石墨烯改性腈纶

腈纶是一种理想的代替羊毛的合成纤维，其保暖性、弹性、蓬松性较好。施其权等人[8]将氧化石墨烯添加到溶剂N，N-二甲基乙酰胺中制备了不同氧化石墨烯含量的纺丝液，利用湿法纺丝技术制备了聚丙烯腈/氧化石墨烯纤维，研究发现：制备的聚丙烯腈/氧化石墨烯纤维平均拉伸断裂强度大于2.0 cN/dtex，可满足纺织工艺要求，同时，与纯腈纶织物相比，聚丙烯腈/氧化石墨烯纤维织物抗紫外性能达到50+级别，对紫外线屏蔽效果较好，因此其在功能材料、服装领域具有一定的应用前景。

1.5 石墨烯改性聚乙烯醇纤维

聚乙烯醇(PVA)成膜性和成纤性较好，常规的PVA纤维是聚乙烯醇缩甲醛纤维(维尼纶)。维尼纶曾大量应用于服装行业，但其存在易褶皱、不易染色等缺点而逐渐被其他合成纤维所代替。王雪新等人[9]采用凝胶纺丝制备了氧化石墨烯改性高强聚乙烯醇纤维，研究了氧化石墨烯的含量及纺丝工艺对氧化石墨烯改性高强聚乙烯醇纤维性能的影响。发现氧化石墨烯PVA溶液分散性好，当喷头负拉伸为0.2时，初生纤维拉伸性能最好；当氧化石墨烯质量分数为0.1%时，氧化石墨烯改性高强聚乙烯醇纤维具有最好的拉伸性能，其最大拉伸倍数、强度和模量分别为41倍、15.6 cN/dtex和185 cN/dtex，比纯聚乙烯醇纤维提高了36.7%、16.4%和79.6%。

2 石墨烯改性纤维在水刺非织造布的应用

现阶段，石墨烯改性纤维在水刺非织造布的应用研究较少，主要集中在纯石墨烯改性纤维水刺非织造布和石墨烯改性纤维/其他纤维混合水刺非织造布。

2.1 纯石墨烯改性纤维水刺非织造布

纯石墨烯改性纤维水刺非织造布为黑色，具有良好的力学性能及抗菌抑菌性、远红外、抗静电等功能。韩素青等人[10]将石墨烯添加到粘胶纤维、莫代尔纤维、聚乳酸纤维中，研发了石墨烯改性粘胶纤维、石墨烯改性莫代尔纤维及石墨烯改性聚乳酸纤维，进而制备了石墨烯改性纤维水刺非织造布，并对水刺非织造布的断裂强力、透气性、负离子性、抑菌性和远红外等指标进行了测试，研究发现石墨烯改性聚乳酸纤维水刺非织造布的强力最高，各水刺非织造布的负离子发生量> 550个/cm3，符合国家标准规定，均具有良好的抗菌性，各水刺非织造布的远红外发射率均大于0.88。任强，田慧[11]将石墨烯材料粘胶纤维作为原料，通过优化梳理水刺工艺，开发了石墨烯材料粘胶纤维水刺非织造布。研究发现，该水刺非织造布对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率均≥98%，抗菌性好，氨吸附率为43.6%，吸附效果好，并提出可将透射电子显微镜-能谱仪联用法用于石墨烯材料粘胶纤维的鉴定。

2.2 石墨烯改性纤维/其他纤维混合水刺非织造布

由于石墨烯改性纤维价格较高，石墨烯改性纤维/其他纤维混合水刺非织造布既可降低生产成本，又能使产品具有石墨烯改性纤维的优点，市场前景较好。王华，王华[12]为改善文胸模杯的舒适性及功能性，开发了一种文胸模杯复合织物，其使用聚丙烯酸酯类黏合剂在3D棉表层黏合一层石墨烯纤维素纤维/相变纤维水刺非织造材料，石墨烯纤维素纤维/相变纤维的混合比分别为0∶100、20∶80、50∶50、80∶20、100∶0。研究发现，复合织物具有抗静电性，其舒适性、保型性、防紫外线性能均有所提高，当其中的石墨烯纤维素纤维含量为50%～80%、克质量为60～80 g/m2时，具有远红外功能。

3 石墨烯改性纤维在水刺非织造布的发展趋势

3.1 拓展应用领域

现阶段，石墨烯改性纤维水刺非织造布在医疗卫生方面有一定程度的应用，开发了面膜、医用敷料等产品，但鲜有在家庭装饰方面，如贴墙布、台布、床单、床罩等；服装方面，如粘合衬、絮片、定型棉、合成革底布方面的应用。石墨烯改性纤维是石墨烯材料和基体材料的功能复合型纤维，除具有基体材料的常规物化性能之外，还具有防紫外线、高吸附、抗菌抑菌、远红外和抗静电性等多种功能，因此不断开发石墨烯改性纤维水刺非织造布新产品，满足消费者的个性化需求，不断拓展石墨烯改性纤维水刺非织造布的应用领域，是其今后发展的重要趋势之一。

3.2 降低生产成本

石墨烯改性纤维价格较高，是常规纤维价格的几倍甚至十几倍，虽可通过与其他纤维混合以达到降低成本的目的，但在保证质量与功能的前提下，成本幅度有限，导致厂家及客户使用意愿低。因此，通过优化水刺工艺，如多层不同纤网复合；研发织物新结构，如局部设置石墨烯改性纤维材料；开发多层复合材料，如复合单层或多层石墨烯改性纤维材料等方式降低石墨烯改性纤维水刺非织造布的生产成本是推动其进一步发展的重要方式。

4 结语

石墨烯材料作为现阶段最具发展潜力的新材料之一，可明显提高纺织品的附加值，其中石墨烯改性纤维已经实现规模化生产，其具有常规纺织纤维所不具备的复合功能，在纱线、面料及服装应用较多，但受成本、市场认可度等因素制约，石墨烯改性纤维在水刺非织造布领域研发和应用较少。拓展石墨烯改性纤维水刺非织造布的应用领域和降低生产成本是提高其市场占有率，增加经济效益的有效方式，也是其今后的重要发展趋势。