第9期纺织科技新见解学术沙龙简介
石墨烯作为一种纳米级新材料，具有非同寻常的透光性、导热性、导电性和超高强度、超轻薄等特性，能在诸多应用领域取代(或增强) 原有材料发挥其优势，尤其在生物医药、能源、通信、复合材料、光电、水处理等领域已经得到了广泛的研究，成为可能入选十三五规划的热门新型材料之一；但石墨烯的研究还主要停留在实验室阶段，因其成本偏高、应用领域亟待拓宽，是目前产业界和学术界热烈争论的话题。为此《纺织学报》编辑委员会、中国科学院重庆绿色智能技术研究院、北京碳世纪科技有限公司于2016年4月8日在北京共同承办了主题为“石墨烯与纺织”的第9期纺织科技新见解学术沙龙。
本期沙龙邀请了来自智能纺织材料、纺织复合材料、纳米材料与技术、高分子材料与工程、服装设计与工程、新能源科学与工程、非织造材料与工程、先进功能材料、材料物理等领域的专家和青年学者，针对石墨烯纤维的来源及结构性能、石墨烯功能纤维、石墨烯膜材料、石墨烯在纺织上的潜在应用及前景等方面展开前沿跨界交流，期望将具备特殊性能的石墨烯材料引入纺织领域，尤其是智能纺织品与高性能纤维方面的应用，加强多个学科交叉合作，促进优势互补，制备出具有高附件值的产品。石墨烯与纺织的结合，是传统支柱产业和新兴高科技领域的融合，能否带来革命性的创新产品，非常值得多领域科技工作者共同探讨。中国工程院姚穆院士、中央军委后勤保障部军需装备研究所施楣梧教授级高工、中国科学院重庆绿色智能技术研究院史浩飞研究员共同担任本期沙龙领衔科学家。
1 石墨烯发展概况
石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，以其特有性能被誉为“超级材料”。目前石墨烯的应用在学术领域、资本领域成为追逐热点。石墨烯相关领域的研究成果呈指数增长，尤其在过去的几年中发展迅速，我国申请的专利数量已经超过4 000 项，但是能应用在产业界的相对较少，媒体的热与产业领域的冷显得尤为不均衡。《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》于2015 年由工信部、发改委和科技部三部委联合发布，该文件指出在2020 年要完善石墨烯产业体系，并逐步实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化，在多领域实现规模化应用。
从施楣梧教授级高工总结的国内外石墨烯研究整体状况，可以了解到当前石墨烯的制备方法主要分为液相法和固相法，其中液相法主要包括氧化还原法、超声分离法、有机合成法、溶剂热法，固相法主要包括解离法和碳化硅热解法; 而常用的调控技术主要有自组装、共组装和复合分散技术。石墨烯在防冲击材料、防熔滴材料、抗静电材料和电磁波防护领域的应用有较好前景，石墨烯在纤维染色、抗菌材料、石墨烯气凝胶等方面也有较好的应用，但也存在不少问题。
2 石墨烯应用研究的新思路
石墨烯是一种由碳原子以sp2 杂化连接形成的单原子层二维结构纳米材料，碳原子规整排列于蜂窝状点阵结构单元中，独特的结构使石墨烯具有很高的强度、韧性和弹性模量，可以作为纳米增强体，加入到聚合物中，制备性能更优的纳米增强复合材料，为纺织材料的研发提供新思路。
2. 1 石墨烯在吸油与分离材料中的应用
目前，全国重点监控含油( 不溶或难溶于水的油性低分子有机物，如苯类、卤代烃、煤油、柴油、汽油及油脂类) 废水污染企业超3 万家；全世界每年200~ 300 Mt含油废水排入水体，含大量有毒难降解有机物。天津工业大学肖长发教授指出，含油废水、废弃液排放、油品泄漏等对海洋、河流及水上生态系统造成灾难性危害，如何快速去除水上浮油，减少含油废水污染和实现废油资源化等，受极大关注。其课题组发现石墨烯的单原子层二维结构在吸附与分离材料方面表现出独特的优势，高比表面积使其吸附表面远高于传统吸附剂，可快速吸附各种污染物。在合成吸油纤维和高性能中空纤维膜研究基础上，以石墨烯微片构筑表面吸附层，以中空纤维多孔膜为基体，研制具有连续吸附与分离功能中空纤维膜材料，在吸附与分离领域的研究取得较大突破。所制备的石墨烯系复合纤维分离效率可达97%左右，并且具有较好的重复使用性能。他认为，现在对石墨烯系吸附与分离功能材料研究主要集中于基础层面，亟待进一步的深入研究，同时还需要尽快解决石墨烯的高效回收与再利用等难题。
2. 2 石墨烯在抗菌材料中的应用
北京碳世纪科技有限公司的闫立群董事长从产业化角度对石墨烯产品发展及其市场需求做了简单介绍，分析了石墨烯在抗菌领域中的应用。他指出目前与石墨烯相关的抗菌性研究主要有氧化石墨烯负载银的抗菌活性研究以及氧化石墨烯与其他材料复合后的抗菌性研究。已有科技工作者研究了氧化石墨烯(GO) 和还原氧化石墨烯(rGO) 对大肠杆菌活力的影响，发现氧化石墨烯的抗菌能力高于还原氧化石墨烯，尺寸大的氧化石墨烯比尺寸小的拥有更好的抗菌性，氧化石墨烯悬液在2 h内对大肠杆菌孵育抑制率达到90%以上。其抗菌性来源于氧化石墨烯对大肠杆菌细胞膜的机械切割破坏。更重要的是GO 对哺乳动物产生的细胞毒性很小，而氧化石墨烯和还原氧化石墨烯都可以氧化细菌体内的还原型谷胱甘肽。因此，认为材料的抗菌性除了来自对细胞膜的破坏外，还可能来自材料引发的氧自由基进而诱发的氧化损伤，但石墨烯在复合织物中牢度差，易析出，且存在织物难染色等问题。
2. 3 石墨烯复合纤维的制备
石墨烯是至今测量过的强度最高的材料之一，比结构钢的强度高200倍。在纤维中加入微量的石墨烯，即对纤维的力学性能有明显的增强作用。中国科学院重庆绿色智能技术研究院史浩飞研究员用氧化石墨烯和聚乙烯醇(PVA) 共混纺丝，制备了具有高强高模的PVA/GO复合纤维，同时简化了当前高强高模PVA纤维的生产工艺，降低生产过程中的污染。在PVA 纤维加入微量GO后，GO可发挥成核剂的作用，在热拉伸过程中提高纤维的结晶度；其还可以发挥模板剂的作用，使得复合纤维的非晶区取向进一步提高。当添加质量分数为0.1% 的GO时，断裂强度提高了43%，初始模量提高了81%。采用传统一步法湿法纺丝工艺可制备PVA/GO复合纤维，断裂强度达到11. 8 cN /dtex; 初始模量达到200 cN /dtex。苏州大学戴礼兴教授指出，PVA/GO复合纤维中如果添加过多GO，会引起GO在纤维内部团聚，从而使得复合纤维的力学性能下降。东华大学张清华教授还对石墨烯改性聚酰胺6、聚酰亚胺、聚丙烯腈纤维等方面的研究做了介绍和分析。为石墨烯增强复合材料力学性能的提升提供参考。
2. 4 功能性石墨烯复合纤维的制备
将石墨烯添加到聚合物中，有利于改善纤维的耐热性、耐候性、抗静电等诸多性能，增强纤维材料整体性能，提供了规模化生产的可能性。天津工业大学的张兴祥教授通过原位聚合工艺制备了基于石墨烯、碳纳米管增强聚酰胺( PA6) 复合纤维。将氨基功能化碳纳米管、功能化石墨烯加入复合纤维，使其强度较单组分纳米填充时提高更大，当添加质量分数为0. 1% 功能化石墨烯，质量分数为0. 3% 功能化多壁碳纳米管时，复合纤维断裂强度为674 MPa，断裂伸长率为20.2% ，弹性模量达到5.57 GPa，二者的同时加入，起到协同增强效果。苯乙烯-g-马来酸酐功能化石墨烯与功能化碳纳米管原位聚合法制备得到的PA6/石墨烯/碳纳米管复合纤维力学性能有所改善，力学性能与增强体的总添加量和配比有关，随着总添加量的增加呈现先提高后下降的趋势，当总添加质量分数为0.5% ，即石墨烯与碳纳米管质量比为0.2：0.3时，其力学性能达到最佳值，拉伸断裂强度为668 MPa，弹性模量为3.06 GPa。
国内外关于石墨烯应用于纺织领域的研究处于起步阶段，在导电织物、阻燃织物、导热织物、紫外线防护织物、抗菌织物等一元或多元功能的纺织品应用已经取得一定的进展。青岛大学的曲丽君教授指出，随着人类对自然环境的破坏，臭氧空洞变大，皮肤癌发病率正在逐年攀升，紫外线辐射已经成为人类健康的巨大威胁之一，而以石墨烯作为紫外线屏蔽剂( 对棉织物进行浸轧-烘干-焙烘的方法进行处理)，将其涂覆到棉织物表面，该织物具有可良好的防紫外线效果；以再生纤维素纺丝原液为基体，制备的石墨烯/再生纤维素复合纺织品，其力学性能和热稳定性能得到提高，阻燃性能得到改善，并有良好的防紫外线辐射和远红外发射功能。
石墨烯作为一种高强度高导电率的纤维材料，可用于制备柔性电子织物及储能元件，苏州大学张克勤教授研究发现，石墨烯复合纤维表现出了较高的拉伸强度，但是并不够稳定，因纤维柔性差，达不到柔性电子织物的纺织要求，而且纤维的导电性和持久性仍需提高。用其制备可穿戴的柔性电子织物及储能元件还有待深入研究。
3 结束语
与会其他专家针对自己的研究进展和难点问题展开了热烈的讨论，并提出了自己的见解，为石墨烯在纺织领域的应用提供了新思路、新方法。中国工程院姚穆院士在本期沙龙总结发言中指出：通过邀请石墨烯纤维、石墨烯功能材料、石墨烯复合织物等领域的专家到会交流，有利于促进石墨烯在纺织领域的应用和学科间的跨界融合。同时姚院士对此次沙龙的内容给予了肯定。
石墨烯材料与纺织材料的结合，是新兴产业和传统支柱产业的融合，对推动传统产业改造升级、培育壮大新兴产业具有重要意义。而且国防军工、航空航天、新能源及高科技产业等领域对高性能材料与织物的需求越来越多，要求也越来越高，石墨烯复合纤维及织物有望成为行业科技创新的主引擎。
《纺织学报》编辑部
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