石墨烯粘胶复合纤维的性能研究

第４３卷第６期　２０１５年６月　

择　雠技　

Ｃｏｔｔｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　【１５　１　

石墨烯粘胶复合纤维的性能研究　张宪胜　曲文广　田明伟　曲丽君　（１．青岛大学，山东青岛，２６６０７１；２．威海市文登区行业管理办公室，山东威海，２６４４００）　摘要：　探讨石墨烯复合纤维的性能。制备出不同比例的石墨烯粘胶复合纤维。通过扫描电子显微镜、　红外光谱仪、ｘ射线衍射仪等对纤维的微观形态和内部结构进行了表征；进一步研究了该纤维的强伸性能、阻燃　性能和防紫外线性能。结果表明：石墨烯粘胶复合纤维较普通粘胶纤维具有更优异的机械性能；石墨烯的加入　可明显改善纤维的阻燃性能；石墨烯粘胶复合纤维具有良好的防紫外线性能（ＵＰＦ＞５０）。认为：石墨烯粘胶复　合纤维提高了普通粘胶纤维的附加值，使其在功能性防护纺织品领域具有较好的应用前景。　关键词：　石墨烯；复合纤维；纤维结构；强伸性能；阻燃性能；防紫外线性能　中图分类号：ＴＳ　１０１．９２＋１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—７４１５（２０１５）０６—００１５—０５　

Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｇｒａｐｈｅｎｅ　Ｖｉｓｃｏｓｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｆｉｂｅｒ　Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｎｓｈｅｎｇ　Ｑｕ　Ｗｅｎｇｕａｎｇ。Ｔｉａｎ　Ｍｉｎｇｗｅｉ　Ｑｕ　Ｌｉｊｕｎ　（１．Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｑｉｎｇｄａｏ，２６６０７１；　２．Ｗｅｉｈａｉ　Ｃｉｔｙ　Ｗｅｎｄｅｎｇ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｏｆｆｉｃｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｗｅｉｈａｉ，２６４４００）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒａｔｉｏｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｂｅｒ　ｍｉｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｗｉｔｈｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｅ—　ｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，Ｘ－ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ＆ｅｎｌｏｎｇａｔｉｏｎ，ｆｌａｍ—　ｍａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ—ｐｒｏｏｆ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｗｅｒｅ　ｉｎ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｆｉｂｅｒ．Ｔｈｅ　ａｄｄｉｎｇ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｃａｎ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ．Ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ｕｌｔｒａｖｉ０Ｉｅ０ｐｒｏｏｆ　ｐｒｏｐ—　ｅｒｔｙ　ａｎｄ　ＵＰＦ　ｉｓ　ａｂｏｖｅ　５０．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｈａｔ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｖｉｓｃｏｓｅ　ｆｉｂｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｔｅｘｔｉｌｅｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｇｒａｐｈｅｎｅ，Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｆｉｂｅｒ，Ｆｉｂｅｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＆Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ，Ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ，Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ—　ｐｒｏｏｆ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　

石墨烯又名单层石墨，是指由碳原子六角结　构（蜂窝格子状）紧密排列而成的只有一个碳原子　厚的二维片状晶体材料。与其他碳材料相比，石　墨烯具有完美的大丌共轭体系和最薄的单层原子　厚度的结构，这使得石墨烯拥有非常优异和独特　的光、电ｌ＿１］、热＿２］、机械　３　等物理性能和化学性质；　同时这些性质特性也使得石墨烯材料在高性能复　合材料［４　］、智能材料＿６。］、电子器件Ｉ８　］、太阳能电　池、能量储存装置和药物载体Ｅｌ０］等领域具有极其　巨大的应用前景。再生纤维素纤维在纺织面料中　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７３０９７）；泰山学者建　设工程专项经费资助　作者简介：张宪胜（１９８７一），男，硕士研究生；曲丽君，通信作者，教　授，Ｉｉｊｕｎｑｕ＠ｌ２６．ｃｏｒｎ　收稿日期：２Ｏｌ４—１２—２４　应用比较普遍，将石墨烯和粘胶纺丝液共混制备　出的石墨烯粘胶复合纤维（以下简称石墨烯复合　纤维），具有优异的机械、阻燃、防紫外线等性能，　提高了粘胶纤维的附加值，扩大了其应用前景。　１　实验部分　１．１实验原料　鳞片石墨（青岛伟杰石墨有限公司，纯度＞　９９　），浓硫酸（９８％），浓盐酸（３７　），高锰酸钾，　过硫酸铵，五氧化二磷，双氧水，氢氧化钠，聚乙烯　吡咯烷酮，溴化钾等均为分析纯，粘胶纺丝原液　（ａ一纤维素含量为８．３　，恒天海龙股份有限公司　提供）。　第４３卷第６期　２０１５年６月　

择噍饵技术　

Ｃｏｔｔｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　【１７】　

峰为Ｃ—Ｈ弯曲振动；１　０７６　ｃｍ　处的峰主要产　生于Ｃ—Ｏ—Ｃ的伸缩振动；８９０　Ｃｍ　处为一ＣＨｚ　弯曲振动特征吸收带。在石墨烯复合纤维中，随　着石墨烯含量的不断增加，特征峰发生变化：　１　６２０　ｃｍ　附近吸收峰强度逐渐增强，此特征峰　对应着石墨烯中Ｃ：：＝Ｃ的伸缩振动峰，说明在复　合纤维中存在石墨烯，且不断增加；３　４００　ｃｍ　附　近吸收峰的强度不断增加。从红外谱图可以看　出，随着复合纤维中石墨烯含量的不断增加，石墨　烯的特征峰不断增强，说明石墨烯在纤维中的含　量不断增加。　波数／ｅｒａ　图３石墨烯复合纤维的红外光谱图　石墨烯复合纤维的Ｘ射线衍射曲线见图４。　普通粘胶纤维的特征衍射峰分别位于１２．１。、　２０．１。、２１．７。，且为纤维素ＩＩ结晶形态［１　；石墨烯　复合纤维的特征衍射峰也对应于上述特征峰，并　且随着石墨烯含量的不断增加，特征峰增强，说明　复合纤维的结晶程度提高。其中，１２．１。特征峰强　度增加明显，此峰与氧化石墨烯ｌ１．６。衍射峰相　重合，说明石墨烯中仍残留部分未还原的氧化石　墨烯。　１０　２Ｏ　３０　４０　５０　２０１（　）　图４石墨烯复合纤维的ｘ射线衍射曲线图　２．４强伸性能分析　各纤维断裂强度和断裂伸长率测试结果见图　５。由图５可知，随着纤维中石墨烯含量的不断增　加，纤维的断裂强度逐渐增大，当石墨烯含量达到　３　时，石墨烯复合纤维的断裂强度增加３０　９／６。　这是由于石墨烯与纤维素磺酸酯大分子之间形成　了氢键，并且随着石墨烯含量的不断增加，石墨烯　在再生纤维素中的分散越来越好，氢键作用力越　来越大。随着在纤维中石墨烯含量的不断增加，　纤维的断裂伸长率逐渐降低，这是由于随着石墨　烯含量的不断增加，石墨烯复合纤维的韧性降低，　导致断裂伸长率降低。　

３．０　

２．５　Ｚ　

强２．０　豁　

薄　豁　

石墨烯含量／％　

石墨烯含量／％　图５　石墨烯复合纤维的断裂强度和断裂伸长率　

２．５阻燃性能分析　２．５．１热释放速率　热释放速率是指当材料被点燃后，测试样品　在单位时间内释放热量的速率。当对测试样品燃　烧时，样品受到辐射热源的照射，由于初期样品处　于吸热阶段，这个阶段的热释放速率增加缓慢，基　本上是一条比较平缓的线形曲线。当纤维吸收的　热量足够多时，纤维表面的温度迅速升高，纤维会　发生裂解、液化和气化等现象，产生大量的可燃性　气体，这些气体迅速燃烧，并释放出大量的热量，　导致这个阶段的曲线迅速升高。随着纤维的继续　燃烧以及辐射热的继续增加，更多的热量释放出　来，线形呈现出继续升高的现象，只是升高的速　度、幅度相对时间而言，较上个阶段（突发性燃烧）　平缓；当热释放速率曲线上升到某一高度后，就会　出现更加平缓或下降的现象。由图６可知，普通　粘胶纤维的最大热释放速率明显大于石墨烯复合　【１８　１　择　织技　Ｃｏｔｔｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第４３卷第６期　

２０１５年６月　

纤维的最大热释放速率，这说明石墨烯复合纤维　在加热条件下以相对平稳、缓慢的速率降解，从而　降低了火灾的危险性。　

薄　辎　漤　

时Ｉ司Ｉｓ　图６纤维热释放速率　

２．５．２有效燃烧热　有效燃烧热是被测样品在受热燃烧过程中，　分解形成的挥发物中可燃烧成分燃烧释放的热。　有效燃烧热反映的是可燃性挥发气体在气相火焰　中的燃烧程度。由图７曲线可知，普通粘胶纤维　的最大有效燃烧热大于石墨烯复合纤维的最大有　效燃烧热。这与热释放速率是一致的，说明石墨　烯复合纤维具有更好的阻燃性能。　

最　枢　

时Ｉ司，ｓ　图８纤维总释放热　

２．６防紫外线性能分析　石墨烯复合纤维的防紫外线性能见图９。根　据下面的Ｔ（ＵＶＡ）公式（３）和ＵＰＦ公式（４）计算　得出不同纤维膜的Ｔ（ＵＶＡ）和ＵＰＦ值，见表１。　从图９中可知，当石墨烯含量达到３　９／５时，石墨烯　复合纤维的ｕＰＦ值已经达到了５Ｏ＋，且丁　（ＵＶＡ）小于５　，已达到了国家标准ＧＢ／Ｔ　１８８３０－－２００２｛纺织品防紫外线性能的评定》中　“防紫外线产品”要求。这说明石墨烯复合纤维具　有很好的防紫外线性能，在防紫外线服装及涂层　领域具有广阔应用前景。　１　４００　Ｔ（ＵＶＡ）一　∑Ｔ　（Ｚ）　（３）　

７　一３１５　

一４００　∑Ｅ（Ｘ）×￡（　）×△（　）　

ＵＰＦ一　型　———————一（４）　

∑Ｅ（　）×Ｔ（　）Ｘ￡（　）Ｘ△（　）　＝２９０　式中：　为３１５　ｎｍ～４００　ｎｍ之间的测试次　

数，Ｅ（　）为日光光谱辐照度［ｗ／（ＩＴＩ　・ｎｍ）］，￡　（　）为相对的红斑效应，Ｔ（Ａ）为试样在波长为Ａ　时的光谱透射比，ＡＧＯ为波长间隔（ｎｍ）。　

蝌　波长Ｉｎｔｏ　图９不同试样的紫外透过率　

表１　不同试祥的Ｔ（ＶＶＡ）和ＵＰＦ　

∞加∞∞∞如加加Ｏ