石墨烯改性面料在纺织领域的应用与开发

石墨烯改性面料在纺织领域的应用与开发

目前，合理应用石墨烯，研发功能性纺织已成为研究的重点。石墨烯在实现纺织的红外加热、抗菌、去污、抗紫外等功能方面具有广阔的应用前景。正确掌握石墨复合纤维的功能特性，并将其应用于不同的纺织类别。它可以扩大金石烯材料在纺织领域的应用范围，为新材料的发展提供指导意见。1石墨烯广泛应用于纺织行业1.1石墨烯功能性整理的应用现有技术大多是通过对面料进行后整理的方式实现石墨烯在纺织品上的应用,这种方式在近几年功能性纺织品研发制备中应用相对广泛石墨烯功能性整理主要有4种应用类型。一是石墨烯抗菌织物。石墨烯、氧化石墨烯具有优异的抗菌性能,细胞毒性为0级,可与人体皮肤直接接触,采用吸附、交联等方式,将其整理到织物上,即可制备耐水洗性能良好的抗菌织物1.2石墨烯材质的变化随着对石墨烯材料在纺织品应用领域研究的深入,新的处理方法也在不断出现。石墨烯改性纤维主要有石墨烯改性合成纤维和石墨烯改性再生纤维素纤维两大类。石墨烯改性合成纤维是采用预制母粒工艺,将石墨烯材质均匀分散在聚酰胺切片中,喷丝成形制得。石墨烯改性再生纤维素纤维是将石墨烯材质均匀分散在粘胶、莫代尔等再生纤维素纺丝液中,喷丝成形制得。石墨烯与传统纺织纤维材料复合改性的结合方式显著拓展了石墨烯在纺织领域的应用空间,石墨烯改性纤维可纺性良好,可与各类纤维混纺或交织,同时保留了石墨烯的低温远红外、抑菌、防静电等功能,更广泛、更方便地应用于服饰、家纺等领域。其中,生物质石墨烯改性纤维是以生物质秸秆中的纤维素为原料,采用“基因配位组装”法制造出生物质石墨烯纤维,并与各类纤维复合而成的一种多功能纤维,具备能被人体体温激活的远红外功能。2石墨烯功能性产品应用石墨烯改性纤维开发纺织面料,要准确把握其特性,与纺织技术创新及产品设计创新相结合,在保持纺织品各项基本性能的同时,使其具有石墨烯某一种或几种功能特质,有针对性地开发高品质功能性产品。所开发产品要具备并保留石墨烯的独特功能性,并且不降低纺织品的服用舒适性,同时结合企业优势产品类型,以合理的市场定位做好产品设计开发,拓宽市场接受面。2.1改性聚酯短纤维材料采用石墨烯改性聚酯短纤维和石墨烯改性锦纶长丝两类改性纤维,其中石墨烯改性聚酯短纤维单纤维线密度1.3dtex,纤维长度38mm,石墨烯在纤维内占比1%,纤维色泽为深灰色;石墨烯改性锦纶长丝规格为7.78tex/24F,石墨烯在纤维内占比2%,纤维色泽为深灰色。2.2石墨烯面料的选择主要符合功能性的原则单一性石墨烯改性面料的产品设计主要受到纤维的两个因素影响。一是纤维颜色,石墨烯改性纤维本身呈现深灰色,无法通过前处理来漂去颜色,因而限定了成品面料的最终呈现效果。二是舒适性,石墨烯改性合成纤维化纤感强,对最终成品面料手感有一定影响,同时考虑其功能性的实现要求,石墨烯纤维尽量贴肤,以便于消费者直观感受功能效果。因此,研发石墨烯面料主要以深色为主,以覆盖石墨烯本身色泽为前提,或将石墨烯纤维本色作为面料的点缀色;织物组织结构以经纬纱异面分布的组织或双面组织为主,织物里层主要为石墨烯纤维,织物外层主要为棉纱或其他纤维,既有利于突破纤维颜色的限定,增加成品面料的颜色选择性,又在不影响服用功能性的前提下降低了成本。前期通过测试分析多种成分配比的石墨烯改性混纺纱线及面料,其中石墨烯改性纤维在面料中含量达到50%以上时具有鲜明的功能性指标,同时考虑石墨烯改性纤维含量过高会影响面料的服用舒适性,也使得面料颜色受到更多限制。综合考虑以上因素,确定面料中石墨烯改性纤维的占比为50%～60%。2.3石墨烯改性涤纶短纤纱机织印染服装面料主要应用石墨烯改性涤纶开发两个产品类型:一是纬纱采用石墨烯改性涤纶短纤与棉纤维混纺纱开发的机织衬衣面料和裤装面料;二是纬纱采用石墨烯改性涤纶短纤与棉纤维混纺氨纶包芯纱开发的弹力裤装面料,这两类面料均具有良好的抗皱性和保形性。石墨烯机织面料开发品种:品种1采用JC18.4tex经纱,石墨烯改性涤纶短纤与精梳棉混纺纬纱,混纺比50/50,纬纱细度16.4tex,经密为524根/10cm,纬密为283根/10cm,幅宽160cm,二上一下斜纹,染色工艺为涤棉双染,成品用途为衬衣、裤装;品种2采用JC14.8tex经纱,石墨烯改性涤纶短纤与精梳棉混纺纬纱,混纺比50/50,纬纱细度14.8tex,经密为524根/10cm,纬密为315根/10cm,幅宽160cm,府绸,染色工艺为涤棉双染,成品用途为衬衣、裤装;品种3采用C18.4tex经纱,石墨烯改性涤纶短纤与精梳棉混纺纬纱,混纺比50/50,纬纱细度18.4tex(Pu44dtex),经密为512根/10cm,纬密为307根/10cm,幅宽208cm,四上一下斜纹,染色工艺为涤棉双染,成品用途为裤装。2.4涤纶包芯纱针织服装面料主要应用了石墨烯改性涤纶,采用石墨烯改性涤纶短纤与棉纤维混纺纱,以及石墨烯改性涤纶短纤与棉纤维混纺氨纶包芯纱,主要开发针织内衣面料和针织运动装面料,结合石墨烯改性纤维的染色特性,成品面料分别采用了原色、单染、双染等染色加工方式,实现不同色彩风格或双色风格。石墨烯针织面料开发品种:品种4为氨纶汗布,采用精梳棉与石墨烯改性涤纶短纤混纺纱,混纺比50/50,纱线细度14.8tex(Pu22dtex),单位面积质量190g/m2.5家纺面料开发品种家纺面料的设计开发主要应用石墨烯改性锦纶长丝,采用宽幅大提花双层结构与多组纬纱按比例选色设计及织造技术,或小比例使用石墨烯改性锦纶长丝点缀交织,充分利用石墨烯纤维本身的深灰色,结合单染、双染技术或色织酶退浆无染工艺,开发风格新颖且生态环保的功能性家纺面料。石墨烯家纺面料开发品种:品种7采用C7.4tex经纱,石墨烯改性锦纶纬纱,纬纱细度5.6tex,经密为906根/10cm,纬密为720根/10cm,幅宽267cm,四上一下贡缎,染色工艺为原色,成品用途为家纺套件;品种8采用C9.8tex经纱,竹浆纤维长丝8.3tex和石墨烯改性锦纶7.8tex纬纱,两种纬纱比例为9∶1,经密为681根/10cm,纬密为650根/10cm,幅宽300cm,大提花组织,单染工艺,成品用途为家纺套件;品种9采用C9.8tex经纱,C14.8tex浅咖色纱、C9.8tex本色纱和石墨烯改性锦纶7.8tex纬纱,三种纬纱比例为6∶5∶1,经密为681根/10cm,纬密为614根/10cm,幅宽300cm,色织大提花组织,无需染色,成品用途为家纺套件。2.6牛仔面料的结构石墨烯改性牛仔面料设计开发品种:品种10采用石墨烯改性涤纶短纤与棉纤维混纺纬纱,混纺比为50/50,纱线细度16.4tex,经纱采用精梳纯棉18.4tex,二上一下右斜纹,靛蓝牛仔布,经密为472根/10cm,纬密为299根/10cm,幅宽为150cm。单染棉纤维靛蓝上色,由于牛仔布的斜纹组织结构使织物表面为经支持面,皮肤接触面主要是纬纱,因此面料在保持经典牛仔面料风格的同时兼具石墨烯功能性。因石墨烯材料导电性能好,所开发石墨烯牛仔也可作为防静电面料。3石墨烯改性材料的性能测试3.1微生物测试3.1.1让人口学性能测试以人体PU值(血流灌注量)和人体皮肤表面温度为指标,采用激光多普勒血流仪对比测试普通面料与石墨烯改性面料对受测手臂微循环的影响情况。所测试的石墨烯改性面料产品为品种1、品种2、品种3、品种4、品种5、品种6和品种10。3.1.2人体pu值和皮肤表面温度测试结果通过测试对比样与石墨烯改性面料对人体微循环的影响情况,试验结果表明,佩戴石墨烯面料产品后,受测者人体PU值和皮肤表面温度都高于普通面料,测试结果见表1。从表1可以看出,相比于普通面料,石墨烯改性面料使得受测者的人体PU值(血液灌注量)提升明显,皮肤表面温度有略微提升,说明石墨烯改性面料具有改善人体微循环的功能。3.2红外试验3.2.1远红外线对纺织品的辐射远红外纺织品是具有远红外辐射功能的一类功能性纺织品的统称。远红外纺织品可在很宽的波长范围内吸收环境或人体发射出的电磁波并辐射波长范围在2.5μm～30μm的远红外线。这是由于纺织品在吸收了外界的电磁辐射能量后其分子的能态,从低能级向高能级跃迁,而后又从不稳态的高能级回复到较低的稳态能级而辐射出远红外线。在远红外纺织品所辐射出的电磁波中,4μm～14μm波长范围内的远红外线与人体细胞中水分子的振动频率相同,当人体表面受到这种远红外线的辐射时,会引起人体表面细胞分子的共振,产生热效应,并激活人体表面细胞,促进人体皮下组织血液的微循环,达到保暖、保健、促进新陈代谢、提高人体免疫力的功效。对石墨烯改性面料的远红外性能的检测依照国家标准GB/T330127—2013《纺织品远红外性能的检测和评价》。3.2.2远红外发射性能对品种4进行远红外法向全发射率和远红外辐射温升值的测试,其结果见表2。从表2可以看出,石墨烯改性面料的远红外发射率为0.90,大于标准值0.80。石墨烯改性面料的远红外辐射温升值为1.5℃,大于标准值1.4℃,石墨烯织物发射的远红外线具有一定的渗透力,能够深入人体皮下组织,使人体毛细血管扩张,进而促进人体血液循环,产生热效应。3.3抗起毛起球性能石墨烯改性面料其他物理指标检测结果见表3。对于品种1～品种10的其他物理性能测试按照GB18401—2003《国家纺织产品基本安全技术规范》,GB/T5713—2013《纺织品色牢度试验耐水色牢度》、GB/T3922—2013《纺织品色牢度试验耐汗渍色牢度》、GB/T3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》、GB/T4802.1—2008《织物起毛起球性能的测定第1部分:圆轨迹法》执行。由表3可知,石墨烯面料具备较好的耐水洗色牢度、耐汗渍牢度、耐湿摩擦牢度,具有较好的抗起毛起球性能。所测定的石墨烯改性面料的各项物理指标符合GB18401—2003中关于A类纺织品的要求。4石墨烯改性面料的测试针对产品色泽特点及舒适性要求应用石墨烯改性纤维在机织印染服装面料、针织服装面料、家纺面料和牛仔面料等领域开发了共10个品种产品。对所开发的产品进行功能性检测,通过对品种1、品种2、品种3、品种4、品种5、品种6和品种10进行微循环测试,得出石墨烯改