摘要：

随着纳米材料的快速发展，石墨烯作为一种新型二维材料，因其优异的力学、电学和热学性能，在纺织领域展现出巨大的应用潜力。本论文综述了石墨烯改性聚酯纤维的研究进展，分析了石墨烯改性聚酯纤维的制备方法、性能表征以及应用领域，为石墨烯多功能改性聚酯纤维的进一步研究和产业化提供参考。

关键词：石墨烯；聚酯纤维；改性；多功能

中国分类号： TB34         文献标志码： C

Graphene-Functionalized Modified Polyester Fibers

Zhang XiYu1

(1 School of Textile Science and Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin 300387， China)

Abstract: With the rapid development of nanomaterials, graphene, a new type of two-dimensional material, has shown great potential for application in the textile industry due to its excellent mechanical, electrical, and thermal properties. This thesis reviews the research progress of graphene-modified polyester fibers, including the preparation methods, performance characterization, and application fields of graphene-modified polyester fibers. It provides reference for further research and industrialization of multi-functional graphene-modified polyester fibers.

Key words:  graphene; polyester fiber; modification; multi-functional

引言

近年来，随着科学技术的进步，人们对纺织品的需求不仅仅满足于衣着服饰的基础应用，对纺织品功能性的提升也提出了更高的要求。而随着纳米材料的兴起，石墨烯材料因其优异的导电 . 抗紫外﹑阻燃﹑疏水﹑保健 [1] 等性能受到人们的广泛关注。

与此同时，聚酯纤维（涤纶）因制造工艺简单，具有弹性好、化学稳定性好、耐磨性高、耐腐蚀性强、绝缘、挺括、易洗快干等优点，在服装及工艺领域得到广泛应用。但是，随着生活水平的提高，消费者对服装的要求不再仅限于耐用、舒适等功能，更加注重服装的功能及保健效果。因此，将石墨烯用于对涤纶纤维进行改性，赋予涤纶纤维独特的功能特性。

本文综述了石墨烯对聚酯纤维的改性的制备方法、多种功能表征以及应用领域。为石墨烯改性聚酯纤维在专业性和产业化中实现更多可能，具有更广泛的应用前景。

1. 石墨烯的基本性质

1.1 石墨烯的结构特征

石墨烯是由 1 层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成的。与石墨材料相同，构成石墨烯的每个碳原子与其他 3 个碳原子通过 σ 键相连接。碳原子的排列也与石墨单原子层一样，形成如图 1 所示的结构 。

2.2 石墨烯的力学性能

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定 [2] 。科学家已经证实了石墨烯是目前世界上已知的强度最高的材料，达 130GPa ，突破了理论的极限数值，比钻石还坚硬，是世界上最好的钢铁强度的 100 多倍。

2.3 石墨烯的电学性能

石墨烯稳定的晶格结构使其拥有优良的导电性，显示出金属性，为零带隙半导体，电子在石墨烯中的传导速率可达 106m/s ，达到了光速的 1/300 ，远远大于电子在一般半导体中的传导速率是目前已知材料中电子传导速率最快的。即使被切为 lnm 宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯还具有异常的量子霍尔效应和分子霍尔效应以及极高的载流迁移率。

2.4 石墨烯的热学性能

石墨烯具有很强的热稳定性，其性质不随温度而改变，这是由它的特殊结构决定的。石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况﹐即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生移位。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优良的导热性，其导热系数为 3000W/(m·K) ，是金刚石的 3 倍。

2.5 石墨烯的光学性能

从光学角度来说，石墨烯是一种 “ 透明 ” 的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料。

2.6 石墨烯的其他性能

由于石墨烯的特殊结构，石墨烯还具有很多的特殊性质，例如石墨烯是世界上最薄的二维材料﹔具有非常大的比表面积，高达 2600m2/g ﹔具有独特的电子性质﹔可以吸附和解吸各种原子和分子 ; 具有很多特殊的效应 ( 如双极性电场效应，衬底效应等 ) ﹔具有高度的柔韧性 ( 折皱较为常见）和脆性（在高压下会像玻璃一样破裂 ) ﹔尽管仅有一个原子层的厚度，但包括氦气在内的气体都不能透过﹔弹性延展率可达 20% ，高于其他晶体﹔具有良好的生物相容性等。

2. 石墨烯改性聚酯纤维的制备方法

2.1 原位聚合法

原位聚合法是一种在聚合过程中直接将石墨烯纳米片分散到聚酯基体中的方法。这种方法的优点在于可以在聚酯纤维的合成过程中直接引入石墨烯，避免了后续处理步骤。具体步骤如下：

预处理石墨烯：首先，通过化学气相沉积（ CVD ）或机械剥离法制备石墨烯，并对其进行表面改性，以增强其在水中的分散性。

聚合反应：将预处理后的石墨烯分散在聚酯单体中，如对苯二甲酸（ PTA ）和乙二醇（ EG ）的混合物中。然后，通过催化剂引发聚合反应，形成聚酯 - 石墨烯复合纤维。

纺丝：将得到的聚酯 - 石墨烯复合溶液通过湿法纺丝或熔融纺丝技术制成纤维。

2.2 溶液混合法

溶液混合法涉及将石墨烯与聚酯溶液混合，然后通过纺丝工艺制备复合纤维。这种方法的关键步骤包括：

石墨烯分散：将石墨烯通过超声、高剪切力等手段分散在合适的溶剂中，如 N- 甲基吡咯烷酮（ NMP ）。

混合：将分散好的石墨烯溶液与聚酯溶液混合，确保均匀分布。

纺丝：将混合溶液通过湿法纺丝或干法纺丝技术制成纤维，然后进行后续的拉伸和热处理以改善纤维性能。

2.3 熔融共混法

熔融共混法是一种在高温下将石墨烯与聚酯熔体混合的方法，适用于大规模生产。步骤如下：

石墨烯预处理：将石墨烯进行表面改性，以提高其与聚酯的相容性。

熔融混合：在高温下将改性后的石墨烯与聚酯熔体混合，可以使用双螺杆挤出机等设备来实现均匀混合。

纺丝：将混合熔体通过纺丝机纺成纤维，并进行后续的冷却、拉伸和热处理。

2.4 静电纺丝法

静电纺丝法是一种利用静电场力将溶液喷射成纤维的方法，适用于制备纳米级复合纤维。具体步骤包括：

溶液制备：将石墨烯分散在聚酯溶液中，形成均匀的前驱体溶液。

静电纺丝：通过施加高电压使溶液喷射，形成纤维，并在收集器上形成非织造布。

后处理：对收集到的纤维进行热处理或化学交联，以提高其稳定性和性能。

2.5 其他方法

除了上述方法外，还有其他一些方法，如层压法、浸渍法等，也可以用于石墨烯改性聚酯纤维的制备。这些方法各有优缺点，选择合适的方法取决于最终产品的应用需求和生产规模。

3. 性能表征

3.1 力学性能

王双成等 [3] 研究利用熔融纺丝技术，成功制得石墨烯改性涤纶短纤维，该纤维在强度、弹性、耐磨性等力学方面均有小幅度提高。

3.2 抗菌性能

李婉迪 [4] 研究了用涂层法将纳米 TiO₂/SiO₂/ 氧化石墨烯混合物涂覆在涤棉织物上，从而改善其光催化降解、自清洁和抗菌性能。改性后的涤棉织物在 12h 的可见光照射下，对亚甲基蓝的降解率为 92% ，经过 30 次皂洗后，降解率依然能达到 91.5% ，表现出优异的光催化降解和自清洁能力；抗菌方面，洗涤 15 次后，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率均能保持在 98.5% 以上，抗菌效果明显。

3.3 抗静电性能

陈小婷等 [5] 利用浸轧—焙烘工艺，以水性聚氨酯为黏合剂对涤纶织物进行抗静电整理。当石墨烯和水性聚氨酯的质量浓度分别为 5g/L 和 2.5g/L 时，织物表面静电压为 932V ，半衰期为 0.54s ，经过 20 次皂洗后，表面静电压和半衰期仍能达到 952V 和 0.62s ，表现出良好的抗静电和耐水洗能力。

3.4 环保性能

宋长远等 [6] 研究利用浸渍—还原法，将还原氧化石墨烯成功负载于涤纶纤维表面，改性后的涤纶纤维具有较好的吸附效果，能有效去除印染废水中的结晶紫染料。

4. 石墨烯改性聚酯纤维的应用领域

4.1 功能性纺织品

石墨烯改性聚酯纤维能够赋予纺织品远红外发射、抗菌、抗紫外、负离子发生等性能，实现多功能健康升级。例如，济南圣泉集团股份有限公司通过研究发现，利用石墨烯改性的纺织纤维具有抗菌，抗螨虫，低温远红外发热等功能，并成功将石墨烯改性纤维应用于各类服装及床上用品，并实现了商业化运作。

4.2 智能纺织品

石墨烯改性聚酯纤维在智能纺织品领域有着广阔的应用前景，如用于制作具有抗静电、防紫外、抗菌抑菌、电磁屏蔽、耐热、耐磨等性能的智能纺织品。例如，特拉华大学邹祖炜教授等 [7] 人利用湿法纺丝将碳纳米管薄膜包覆在还原氧化石墨烯的外层，得到石墨烯 /CNTs 复合纤维。 CNTs 的加入使石墨烯纤维的强度和导电率分别增加了 22% 和 49% 。

4.3 力学领域

石墨烯改性聚酯纤维在力学性能上有所增强，如断裂强力、断裂强度、断裂功等，可以用于提高纱线的力学性能。石煜等 [8] 研究制备了氧化石墨烯 / 聚氨酯和石墨烯 / 聚氨酯整理剂，利用涂层整理对棉基和涤棉基纱线进行力学改性。当氧化石墨烯和石墨烯的质量浓度均为 10mg/mL 时，经过两种整理剂处理后的棉基纱线，断裂强力、断裂强度、断裂功的增大幅度分别为 48% 、 46% 、 44% 和 39% 、 33% 、 51% 。

4.4 能源和环境

石墨烯改性聚酯纤维因其高导电性和高导热性能，在能源和环境领域也有应用，如用于制备高性能的导电材料和热管理材料。例如，徐斌等 [9] 研究利用氧化石墨烯和棉纤维素组成三维网状复合材料，由于其表面具有大量空隙，吸附能力大幅度加强，对煤油、丙三醇、乙二醇和氯仿均具备良好的吸附能力。在进行 5 次重复试验后，单位质量复合材料的吸油量仍然可达 21.9g/g ，衰减率为 41.76% ，可满足循环利用的需求。

5.结论

将石墨烯这种21世纪的纳米材料与聚酯纤维相结合，打造出了新型的功能纺织品，这不仅拓宽了石墨烯的应用范围，也为聚酯纤维注入了全新的特性，使其能够集多种功能于一身。伴随着学者们在石墨烯纤维的制造技术上不断探索与进步，以及对石墨烯增强织物生产工艺的持续改进,市场上将逐渐推出种类繁多、功能独特的石墨烯纺织产品，最终，石墨烯这一材料将不可避免地融入我们的日常生活。

参考文献

[1]梁小玲. 高性能石墨烯材料在纺织领域的应用进展[J]. 纺织科技进展, 2020, (07): 26-29.

[2]熊言林, 曹玉宁. 神奇的石墨烯[J]. 化学教育, 2011, 32(11): 3-5+36.

[3]王双成, 马军强, 吕冬生, 等. 石墨烯改性涤纶短纤维制备及特性表征[J]. 山东纺织科技, 2017,58(04): 18-21.

[4]李婉迪. 纳米TiO2/SiO2/氧化石墨烯复合涂层涤棉织物的制备及性能研究[D]. 东华大学, 2016.

[5]陈小婷, 吴诗雯, 任豪, 等. 石墨烯在抗静电涤纶织物上的应用[J]. 印染, 2019,45(03): 10-13.

[6]宋长远. 石墨烯导电复合纤维的制备及结构性能分析[D]. 西安工程大学, 2018.

[7]何婷婷, 赵小龙. 石墨烯纤维及其改性纺织品的研究进展[J]. 广州化工, 2024, 52(10): 20-22.

[8]郑云龙, 王进美, 石煜, 等. 石墨烯防辐射织物的制备与性能[J]. 印染, 2019, 45(16): 8-13.

[9]何婷婷, 赵小龙. 石墨烯纤维及其改性纺织品的研究进展[J]. 广州化工, 2024, 52(10): 20-22.