有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维的性能研究

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对纺织品的需求不仅仅在于保暖、耐用和舒适等传统要求，而是更加追求功能化。石墨烯是从石墨上剥离出来的，是目前发现的可以稳定存在的最薄的、厚度只有一个原子的二维纳米材料。其特殊的结构使其具有优异的物理和化学性能，在材料、生物医药等方面都有重要的应用市场。以当前的工艺，纯石墨烯纤维无法实现量产化，因此需将石墨烯与其他化学纤维相结合，制备出石墨烯复合纤维。由于石墨烯的存在，复合纤维具有抗菌、防螨、远红外发热和抗紫外等功能。本试验主要研究了一种有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维的制备方法，通过“石墨—石墨烯—氧化石墨烯—有机改性氧化石墨烯”的制备技术，将改性后的氧化石墨烯原料与尼龙树脂通过熔融纺丝工艺制备出具有良好抗菌、防螨、远红外发热、抗紫外等功能的纤维产品。

从图中可以看出，石墨烯呈现的三维结构为片状多层结构，片层之间没有发生回叠，且有一定的间距。这一间距保证了石墨烯在溶剂体系或高分子黏性介质等较弱的外力作用下就可以发生剥离而呈现出单分散的状态。

3、FTIR

下图为石墨烯、氧化石墨烯和有机改性氧化石墨烯的FTIR谱图。

图(a)为氧化石墨烯的FTIR谱图，其中3423cm-1附近为O—H的特征峰，2921、2850cm-1附近为—CH3和—CH2的特征峰，1735cm-1附近为C=O的特征峰，1624cm-1附近为氧化石墨烯苯环骨架振动，1414cm-1附近为C=C的特征峰，1375cm-1附近为O—H的变形振动峰，1227cm-1附近为C—OH拉伸峰，1087、1054cm-1附近为C—O的特征峰，这是因为石墨烯被氧化后，形成一定含氧基团。

对比图(b)的石墨烯FTIR谱图，对氧化石墨烯进行还原以后可以看到石墨烯O—H所在的特征峰强度降低很多，1741cm-1和1625cm-1处的C=O振动峰和苯环骨架的振动峰强度基本消失，说明氧化石墨烯片层上的大部分含氧基团已经被还原，从官能团分析，还原后的石墨烯结构缺陷明显减少。

图(c)为有机改性氧化石墨烯的FTIR谱图，与氧化石墨烯的谱图相比较，经过有机改性后，石墨烯—CH3和—CH2所在的特征峰强度增强很多，在1467cm-1出现了C—H的特征峰，在1280 cm-1出现了C—N的特征峰。这说明有机改性剂小分子成功修饰在氧化石墨烯的片层上，使改性后的氧化石墨烯的表面性质发生了改变，表面呈现疏水性的结构与特点，非常有利于与各种聚合物的相容和复合。

4、XPS

图中氧化石墨烯C1s精细谱图中分别有C=C(284.0 eV)、C—OH(285.9 eV)、C—O(286.6 eV)、C=O(284.0 eV)以及HO—C=O(284.0 eV)的特征峰，说明氧化石墨烯表面含有大量的含氧基团，如羟基、羧基等。

图中有机改性氧化石墨烯XPS谱图的C1s精细谱图中除了有氧化石墨烯的特征峰外，还分别在284.7、285.6 eV出现了C—C sp3和C—N的特征峰，说明经有机改性后，改性剂小分子成功地接枝在氧化石墨烯的功能性基团上，该结论与红外所得出的结论一致。

5、分散性

图中是氧化石墨烯在去离子水及二甲苯(非极性有机溶剂)中分散不同时间的对比图。由图可知，氧化石墨烯在去离子水中分散性较好，但是在二甲苯中分散性较差。这是因为氧化石墨烯表面含有很多的亲水性基团，如羧基、羟基等，易溶于水，难溶于有机溶剂中。

下图是有机改性氧化石墨烯在去离子水及二甲苯中分散不同时间的对比图。由图可知：氧化石墨烯经过有机改性，表现出明显的疏水性，在水中溶解性差；但是其在二甲苯中表现出非常好的分散性，24h后依然保持优异的溶解分散性。

6、有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维的物理指标

经过多次优化纺丝方案，制得75 dtex/36f有机改性氧化石墨烯/尼龙全拉伸丝(DTY)，物理指标如下表所示。

7、有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维的功能性测试

（1）抗菌测试

由表可知，有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维对白念珠菌、大肠埃希菌和金黄葡萄球菌的抑菌率均大于99%，抗菌效果优异。

（2）远红外检测

如下表所示，有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维的远红外发射率达到0.91，远红外温升可达4.3℃，远高于标准要求，说明有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维具有优异的远红外发热功能，可应用到冬季服装中。

（3）防螨测试 

GB/T24253—2009中螨虫驱避率≥60%的才具有防螨效果。由下表可知，24h后有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维对螨虫的驱避率达到94.9%，符合防螨测试要求，说明该纤维具有优异的防螨效果。

（4）抗紫外测试

如下表所示，有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维织物的抗紫外线防护系数(UPF)达到107，远高于普通石墨烯/尼龙纤维织物，说明有机改性氧化石墨烯/尼龙纤维具有很好的抗紫外性能。