石墨烯纤维简介

石墨烯作为最薄、最硬、导电性最强的新型纳米碳材料，被业界誉为 “黑金 “和 “新材料之王”。石墨烯不仅具有优异的电学性能（室温下电子迁移率高达 200,000 cm2/Vs）、重量轻、导热性好（5000 W/mK）、比表面积大（2630 m2/g）、杨氏模量大（1100 GPa）、断裂强度大（125 GPa）等特点，还具有量子霍尔效应、量子隧道效应等独特性能。自 2004 年曼彻斯特大学 Geim 教授的研究小组通过机械剥离法成功获得石墨烯以来，石墨烯引起了全世界的关注，吸引了无数研究人员追寻新材料的梦想。石墨烯可广泛应用于锂离子电池电极材料、超级电容器、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、透明显示触摸屏和透明电极等领域（如图 1 所示）。石墨烯与普通纤维结合，具有抗菌、防螨、防热、防切割、防静电、防紫外线、远红外加热和传导冷却等特殊功能。

图 1 石墨烯应用概述

化学纤维的主要品种

聚酯及其生产技术

1 制造技术

聚酯纤维是聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的商品名称，英国称为 triton，美国称为 dacron。优点：是一种发展较晚的合成纤维，但因其机械强度高、耐磨、耐酸碱、不易霉变和腐烂、化学性质稳定等特点，近半个世纪来发展迅速，产量已居合成纤维之首。聚酯可制成长丝或短纤维，产量几乎占一半。

聚酯是由对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）合成的。合成的聚对苯二甲酸乙二醇酯被浇铸成条状，再切割成颗粒状，形成无色透明的固体颗粒，通常称为聚酯树脂或聚酯切片，干燥后即可纺丝。聚酯在 285~290℃ 的温度下熔融。聚酯熔体从喷丝板上的孔中挤出，形成一股粘液，在空气中冷却后形成原纤维。涤纶的加工工艺因生产质量而异。生产涤纶长丝时，需要经过牵伸、热定型、卷绕和包装等工序进行加捻。涤纶短纤维的加工一般包括集束、牵伸、上油、卷曲、热定型、切割、包装等工序。

2 聚酯的特性

2.1 物理特性

2.1.1.颜色：通常为丝光乳白色。对于哑光产品，可在纺丝前加入 TiO2；对于纯白产品，应加入增白剂；对于有色丝，应在纺丝熔体中加入颜料或染料。

2.1.2.表面和横截面形状：常规聚酯表面光滑，横截面近似圆形，若喷丝板孔相反可制成各种特殊横截面形状的纤维。

2.1.3.密度：聚酯完全无定形时，密度为 1.333g/cm3；完全结晶时，密度为 1.455g/cm3。聚酯通常具有较高的结晶度，密度为 1.38-1.40g /cm3，与羊毛（1.32g /cm3）相近。

2.1.4.2.1.4. 回潮率：在标准状态下，涤纶的回潮率为 0.4%，低于腈纶（1%-2%）和睛纶（4%）。但加工和穿着时静电现象严重，织物透气性和吸湿性较差。涤纶的结晶度通常较高，密度为 1.38-1.40g /cm3，与羊毛（1.32g /cm3）相近。

2.1.5.热性能：涤纶的软化点 Ts 为 230-240°，熔点 Tm 为 255-265°，分解点 Td 约为 300°，涤纶在火中能燃烧、卷曲、熔化成珠状，冒黑烟和香气。在染整时，温度应控制在玻璃化温度以上，软化点温度以下。印染厂的热定型温度一般为 180 ～ 220℃，染整和熨烫服装的温度应低于热定型温度，否则会因分子链活动加剧而破坏定型效果。由于涤纶吸湿性低，湿强力下降较小，织物耐洗耐磨性好。但加工和穿着时静电现象严重，织物透气性和吸湿性较差。 聚酯的结晶度通常较高，密度为 1.38-1.40 克/立方厘米，与羊毛（1.32 克/立方厘米）相似。

2.1.6.耐光性：聚酯的耐光性仅次于腈纶纤维。涤纶只有在 315nm 的光波区域有较强的吸收带，因此在日光下曝晒 600 小时后，其强度只损失 60%，与棉纤维相近。

2.1.7.电性能：聚酯的吸湿性较低，因此导电性较差。在 -100~160° 范围内，其介电常数为 3.0-3.8，是一种优良的绝缘体。

2.2 机械性能

2.2.1 强度高：干态强度为 4~7 dN/Tex，湿态强度不降低。在适当的热处理条件下，聚酯在纺丝过程中的拉伸度越高，纤维的取向度就越高，纤维的断裂强度就越高，断裂伸长率就越低。反之，则有可能获得强度低而伸长率高的纤维。换句话说，通过改变拉伸和热处理条件，可以制成高强度、低伸长率或低强度、高伸长率的不同纤维。

2.2.2 伸长率：适中，伸长率一般为 20%-50%。

2.2.3 高模量：在众多合成纤维品种中，涤纶的初始模量最高，其值可高达 14-17 GPa。因此，聚酯织物的尺寸稳定、不变形、不走样。

2.2.4 回弹性：非常好，涤纶的回弹性接近羊毛，当伸长率为 5%时，去掉负荷后伸长率几乎可以完全恢复，因此涤纶织物比其他合成纤维织物更抗皱。

2.2.5 耐磨性：涤纶的耐磨性仅次于锦纶，超过其他合成纤维。

2.3 化学稳定性

2.3.1 耐酸性：聚酯对酸稳定。在 100°的 5%盐酸溶液中浸泡 24 小时或在 40°的 70%硫酸溶液中浸泡 72 小时后，其强度没有损失，但不能抵抗室温下浓硝酸或浓硫酸的长期作用。

2.3.2 耐碱性：聚酯酯上的大分子受碱的作用发生水解，在常温或高温稀碱中，都能破坏纤维，只有低温稀碱才比较稳定。

2.3.3 耐溶剂性：一般对非极性有机溶剂有较强的耐性，对极性溶剂在常温下也有较强的耐性。

尼龙及其生产技术

1、生产技术

锦纶纤维是合成纤维的主要品种之一，全称为聚酰胺纤维。国外名称有尼龙、锦纶、卡普龙等。锦纶是最早实现工业化生产的合成纤维品种。锦纶的生产主要是长丝，锦纶长丝经拉伸加捻后，可制成弹力丝。拉伸丝的生产采用加捻法，尼龙长丝在一台机器上一次完成加捻、热定型、退捻三道工序，生产出拉伸丝。用弹力丝制成的弹力纱具有高弹性和耐磨性。它主要用于针织品，如手套、袜子、运动服和弹力衬衫。

2 尼龙的特性

2.1 物理特性

2.1.1 密度：聚酰胺纤维的密度相对较低。在所有纤维中，其密度仅高于聚丙烯和聚乙烯纤维。

2.1.2 光学特性：聚酰胺纤维具有光学各向异性，双折射数随拉伸比变化很大。拉伸后，聚酰胺 66 的纵向折射率为 1.582，横向折射率约为 1.519。聚酰胺纤维 6 的纵向折射率为 1.580，横向折射率约为 1.530。聚酰胺纤维的表面光泽度较高，通常需要在纺丝前添加消光剂 TiO2 进行消光。

2.1.3 耐光性：锦纶纤维的耐光性较差，在长时间的阳光和紫外线照射下，强度下降，颜色发黄，通常在纤维中添加耐光剂，可提高耐光性。

2.1.4 耐热性：锦纶纤维的耐热性不够好。在 150°温度下放置 5 小时后，纤维会变黄，强度和伸长率也会下降。聚酰胺 66 的热稳定性优于聚酰胺 6。聚酰胺纤维具有良好的耐低温性，即使在零下 70 度，其弹性变化也很小。

2.1.5 电性能：聚酰胺纤维直流电导率低，在使用过程中易产生静电。

2.1.6 吸湿性：锦纶纤维的吸湿性低于天然纤维和人造纤维。尼龙 6 的吸湿性略高于尼龙 66。

2. 2 机械性能

2.2.1 断裂强力：聚酰胺纤维的结晶度、取向度和分子间作用力都很高，因此具有很高的强力。一般来说，纺织用聚酰胺纤维长丝的断裂强度为 4.4~5.7 cn/dtex。聚酰胺纤维的吸湿率低，其湿强度约为干纤维的 85-90%。

2.2.2 断裂伸长率：聚酰胺纤维的断裂伸长率因品种而异，强力丝约为 20-30%，普通丝为 25-40%。

2.2.3 初始模量：聚酰胺纤维的初始模量低于大多数其他纤维，因此在使用过程中容易变形。在相同条件下，聚酰胺 66 纤维的初始模量略高于聚酰胺 6 纤维，接近羊毛和聚丙烯酰胺纤维的初始模量。

2.2.4 弹性：聚酰胺纤维具有优异的弹性：聚酰胺 6 长丝在 10%伸长率下的弹性恢复率为 99%，而涤纶长丝在相同伸长率下的弹性恢复率为 67%，粘胶长丝的弹性恢复率仅为 32%。

2.2.5 耐磨性：聚酰胺纤维是所有纺织纤维中耐磨性最好的纤维。其耐磨性是棉的 10 倍，羊毛的 20 倍，粘胶纤维的 50 倍。

2.2.6 抗多次变形或疲劳：由于锦纶纤维具有良好的弹性，因此其打结强度和抗多次变形性能非常好。普通聚酰胺长丝的打结强度为断裂强度的 80-90%，高于其他纤维。聚酰胺纤维的变形量几乎与聚酯相同，但高于所有其他化学纤维和天然纤维。在相同的实验条件下，聚酰胺纤维的抗变形能力是棉纤维的 7-8 倍，是粘胶纤维的几十倍。

2.3 化学特性

2.3.1 染色性：聚酰胺纤维比天然纤维和合成纤维更易染色，但染色性不如合成纤维。

2.3.2 耐酸碱性：聚酰胺纤维具有耐碱性，但耐酸性和耐氧化性较差，耐还原性较好。

一、石墨烯纤维的主要质量控制指标

1、线密度：石墨烯纤维的厚度又称纤维尺寸，分为旦尼尔（D）、特克斯（Tex）和迪特克斯（Dtex）三个单位。三者的换算关系如下：

1 Tex = 10 Dtex

1 tex = 9 D

1 D =Dtex ≈ 1.1 Dtex

注：(1) 石墨烯尼龙 DTY 的线性密度为 70D ≈ 77 Dtex = 7.7 Tex。

(2）纤维的一般描述：70D/24F 表示纤维的厚度为 70D，每根纱线有 24 股。

2、断裂强度：指单位细度的拉伸断裂强度，单位为 cn/tex，读作每厘米。计算公式如下

注：（1）石墨烯尼龙的 DTY 强度约为 4cn/tex，高强度石墨烯尼龙的强度约为 8cn/tex。

(2）一般来说，在纤维中加入有色母料后得到的复合纤维强度会比原纤维降低，而在尼龙或聚酯中加入石墨烯母料后，复合纤维强度不会降低，反而会提高或保持不变。

3.断裂伸长率：指纤维被拉伸至断裂时伸长长度与原始长度之比，用百分数表示，指纤维的弹性大小。

二、石墨烯纤维的功能指标：

1.抗菌性能：主要表现为杀菌率（指瞬间杀死细菌的能力）或杀菌率（指长时间抑制细菌生长的能力）。纤维的抗菌性能主要针对金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌和白色念珠菌三种细菌进行测试。这是因为细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，金黄色葡萄球菌是革兰氏阳性菌的代表，大肠埃希氏菌是革兰氏阴性菌的代表，白色念珠菌是真菌的代表。

评估标准如下

杀菌率大于 95%，抗菌效果显著。

50%<杀菌率<95%，样品抗菌效果明显；

杀菌率小于 50%，样品抗菌效果不明显。

注：我公司石墨烯纤维的杀菌率或抑菌率可达到 99.9%，说明其抗菌效果极佳。另一个表现形式是抗菌活性值。抗菌活性值大于 3，表明其具有极佳的抗菌效果。

2 . 防螨性能：螨虫有很多种，我们主要测试纤维对尘螨的抗性。因为尘螨的生活环境与人类相似，日常生活中存在大量的尘螨，如床垫、毛毯、毛绒玩具、棉被等，而尘螨对人体有明显的危害，会引起哮喘、过敏性鼻炎、湿疹等疾病。

国家标准对螨虫控制性能的评价标准是

抑螨率≥95%时，样品具有较强的防螨效果。

抑螨率≥80%时，样品具有较强的防螨效果。

抑制率≥60%时，样品具有抗螨效果。

注：我公司的石墨烯纤维抑菌率达到 94.90%，表明其具有良好的防螨效果。

3.抗紫外线：主要表现为紫外线防护系数 UPF、uv-a 阻隔率和 uv-b 阻隔率。

美标紫外线性能评价标准如下：

当 UPF≥40 时，样品具有优异的防紫外线性能。

当 25≤UPF≤39 时，样品具有良好的防紫外线性能。

当 15≤UPF≤24 时，样品具有良好的紫外线防护性能。

注：我们的石墨烯纤维的 UPF 值达到了 107.5，uv-a 阻隔率达到了 98.85，uv-b 阻隔率达到了 99.18，表明其具有优异的紫外线防护性能。

4.4.远红外特性：具有远红外特性的纤维具有保暖保健的效果，因为石墨烯纤维能发射出6-14英尺接近人体波长的远红外线，能有效激活体表生物大分子，改善血液循环，达到保暖保健的效果，主要评价指标为远红外发射率和远红外辐射温升。

国家标准中的评价标准为远红外辐射率≥0.88

远红外辐射温升≥1.4℃。

注：我公司石墨烯纤维的远红外发射率为 0.89，辐射温升为 2.8℃。

5.食品级：共七项，指石墨烯纤维在不同溶剂中溶解后可溶解的有害物质浓度是否达标。

注：我公司生产的石墨烯尼龙可达到食品级标准。

国家标准中的评价标准为

6.抗静电性能：石墨烯纤维的抗静电性能处于研发阶段，实验结果已达标，但数据不够稳定。

聚酰胺（PA）-石墨烯复合纤维

（PET）- 石墨烯复合纤维

石墨烯抗菌机理

石墨烯是一种二维碳纳米材料，由具有 sp2 杂化轨道的碳原子构成六角蜂窝晶格。石墨烯及其衍生物，如石墨烯（G）、GO（GO）和还原GO（rGO），具有独特的二维表面化学结构和锐利的物理边缘结构，其中GO是研究最多的一类抗菌抗病毒石墨烯材料[1,2]。据报道，石墨烯材料的抗菌抗病毒能力主要基于以下几种机制的混合协同作用：1）物理切割，纳米刀（Nano- Knives）又称石墨烯材料物理锐边，可有效切割细菌、病毒表面，破坏细胞壁和膜结构，引起细胞内物质泄漏和代谢紊乱，最终杀死细菌、病毒，是石墨烯材料主要的抗菌抗病毒机制之一[3,4]；2）膜表面成分的插入和提取。石墨烯材料具有较大的比表面积和疏水性，可以通过接触或插入的方式有效吸附细菌和病毒表面的磷脂分子，从而破坏其细胞膜结构，使细菌病毒死亡[5]；3）物理捕获（Wrapping）。石墨烯材料通过包裹作用将细菌从周围介质中隔离出来，从而阻断细菌的增殖，发挥抑菌作用[6]。在与细菌接触的过程中，石墨烯的表面缺陷和锐边结构都会诱导细菌产生活性氧，从而导致细菌正常的生理代谢紊乱和死亡[7,8]（图 1）。除了上述主要的抗菌抗病毒机制外，电荷传导也是石墨烯的重要抗菌机制，它通过石墨烯传导细菌表面电荷，破坏细胞膜的生理活动和功能，导致细菌代谢紊乱，从而促进细菌死亡[9]。

自 2010 年以来，基于石墨烯良好的抗菌性能，大量关于石墨烯及其复合抗菌材料的研究被报道，进一步证实了石墨烯材料在抗菌应用方面的巨大潜力。与此同时，作为一个新的应用方向，石墨烯材料的抗病毒作用也逐渐受到重视，并显示出良好的抗病毒应用能力[10]。根据相关报道和 enhope 自己的抗菌实验结果，一些石墨烯材料的抗菌性能对不同类型或种类的细菌或病毒表现出一定的选择性，表现为对某些细菌的抗性高，对某些细菌的抗性低，甚至会促进其增殖[12].这可能与所使用的石墨烯材料的物理、化学性质和细菌本身的特性有关。此外，目前实验室和市场上的石墨烯种类繁多，质量和性能参数差异很大，这极大地阻碍了石墨烯材料抗菌抗病毒应用的发展。因此，要进一步完善和明确石墨烯材料的具体应用技术，还需要做大量的研究工作。

图 1.石墨烯的主要抗菌机理

图 2.影响石墨烯材料抗菌性能的物理和化学因素

石墨烯材料的抗菌抗病毒性能受石墨烯材料的物理化学性质、生物因素和非生物因素的影响。石墨烯材料的理化性质主要受石墨烯层数、横向尺寸和化学成分（碳氧比）的影响[13]（图 2）。结果表明，石墨烯层数越少，抗菌能力越强，这可能与石墨烯比表面积增大、缺陷增加、边缘切割效应增强有关[14]。陈元等通过将不同横向尺寸的石墨烯与大肠埃希氏菌混合，发现石墨烯对大肠埃希氏菌的抗菌效果随着石墨烯横向尺寸的增大而增强，这与大尺寸石墨烯能更有效地捕获细菌有关[15]。然而，石墨烯材料横向尺寸的增大有可能进一步削弱石墨烯边缘对细菌和病毒的切割作用，从而影响实际的杀灭效果。范丽珍等研究了不同表面碳氧比的石墨烯材料对大肠杆菌的抗菌效果，结果表明氧含量越高，抗菌能力越强[16]。细菌和病毒本身的结构和生理条件也会影响石墨烯材料的抗菌能力。研究表明，石墨烯材料对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌性能优于革兰氏阴性大肠杆菌，这可能与革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的外膜结构特点有关[17]。分散介质、高分子材料和表面电荷等外部条件都会影响石墨烯材料的抗菌和抗病毒能力。在介质分散介质中，生物大分子会结合并包覆在石墨烯表面，从而在一定程度上阻断石墨烯与细菌接触的抗菌作用，从而削弱石墨烯材料的抗菌性能[18]。

强生石墨烯科技股份有限公司拥有自主知识产权的石墨烯制备技术，可制备各种横向尺寸、层数和表面化学成分不同的石墨烯及其衍生物，包括石墨烯、go、改性go等。同时，在现有石墨烯材料的基础上，公司进一步开发了一系列石墨烯复合纤维产品。基于上述石墨烯原料和复合纤维技术，参照国家/国际抗菌检测标准，该产品具有良好的抗菌性能。

参考文献

1. 绍文尧，闫梦文，谢全灵。氧化石墨烯抗菌机理研究进展。化工技术与开发。2016，10：32-39.
2. H.E. Karahan, Y. Wang, W. Li, F. Liu, L. Wang, X. Sui, M.A. Riaz, Y. Chen., Antimicrobial graphene materials: the interplay of complex materials characteristics and competing mechanisms. Biomaterials Science. 2018, 6:766-773.
3. S. Ye, K.Shao, Z. li, N. Guo, Y. Zuo, Q. Li, Z. Lu, L. Chen, Q. He, H. Han., Antiviral Activity of graphene Oxide: How Sharp Edged Structure and Charge Matter. ACS Applied Materials & Interfaces. 2015, 7:21571-21579.
4. V. Palmieri, M. Papi, C. Conti, G. Ciasca, G. Maulucci, M.D. Spirito., The future development of bacteria fighting medical devices: the role of graphene oxides. Expert Review of Medical Devices. 2016, 11: 1013-1019.
5. V.T.H. Pham,V.K. Truong, M.D.J. Quinn, S.M. Notley, Y. Guo, V.A. Baulin, M.A. Kobaisi, R.J. Crawford, F.P. Ivanova., Graphene Induces Formation of Pores that Kill Spherical and Rod-Shaped Bacteria. ACS Nano. 2015, 8: 8458-8467.
6. F. Perreault, A.F.D. Faria, S. Najati, M. Elimelech., Antimicrobial Properties of Graphene Oxide nanosheets: Why Size Matters. ACS Nano. 2015, 7: 7226-7236.
7. S. Liu, T.H.Zeng, M. Hofmann, E. Burcombe, J. Wei, R. Jiang, J. Kong, Y. Chen., Antibacterial Activity of Graphite, Graphite Oxide, Graphene Oxide, and Reduced Graphene Oxide: Membrane and Oxidative Stress. ACS Nano. 2011, 9: 6971-6980.
8. S.Gurunathan, J.W. Han, A.A. Dayem, V. Eppakayala, M.R. Park, D.N. Kwon, J.H.Kim., Antibacterial activity of dithiothreitol reduced graphene oxide. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2013, 19: 1280-1288.
9. J. Li, G. Wang, H. Zhu, M. Zhang, X. Zheng, Z. Di, X. Liu, X. Wang., Antibacterial activity of large-area monolayer graphene film manipulated by charge transfer. Scientific Reports. 2014, 4: 4359.
10. A.R. Deokar, A.P. Nagvenkar, I. Kalt, L. Shani, Y. Yeshurum, A. Gedanken, R. Sarid.,Graphene-Based “Hot Plate” for the Capture and Destruction of the Herpes Simplex Virus Type 1. Bioconjugate Chemistry. 2017, 28: 1115-1122.
11. H.M. Hegab, A. ElMekawy, L. Zou, D. Mulcahy, C.P. Saint, M.G. markovic., The controversial antibacterial activity of graphene –based materials. Carbon. 2016, 105: 362-376.
12. O.N. Ruiz, K.A.S. Fernando, B. Wang, N.A. Brown, P.G. Luo, N.D. Mcnamara, M. Vansness, Y.P. Sun, C.E. Bunker., Graphene Oxide: A Nonspecific Enhancer of Cellular Growth. ACS Nano. 2011, 10: 8100-8107.
13. H.E. Karahan,C. Wiraja, C. Xu, J. Wei, Y. Wang, L. Wang, F. liu, Y. Chen., Graphene Materials in Antimicrobial Nanomedicine: Current status and Future Perspectives. Advanced Healthcare Materials. 2018, 7: 1701406.
14. J. Qiu, H.Geng, D. Wang, S. Qian, H. Zhu, Y. Qiao, W. Qian, X. Liu., Layer-Number Dependent Antibacterial and Osteogenic Behaviors of graphene Oxide Electrophoretic Deposited on Titanium. ACS Applied Materials & Interfaces.2017, 9: 12253-12263.
15. S. Liu, M. Hu, T.H. Zeng, R. Wu, R. Jiang, J. Wei, L. Wang, J. Kong, Y. Chen., Lateral Dimension-Dependent Antibacterial Activity of Graphene Oxides Sheets. Langmuir.2012, 28: 12364-12372.
16. M.H. Wang, Q. li, X. Li, Y. Liu, L.Z. Fan.,Effect of oxygen-containing functional groups in epoxy/reduced graphene oxide composite coatings on corrosion protection and antimicrobial properties. Applies Surface Science. 2018, 448: 351-361.
17. O. Akhavan, E. Ghaderi., Toxicity of Graphene and Graphene Oxide Nanowalls Against Bacteria. ACS Nano. 2010, 10: 5731-5736.
18. L. Hui, J.G. Piao, J. Auletta, K. Hu, Y. Zhu, T. Meyer, H. Liu, L. Yang., Availability of the Basal Planes of graphene Oxide Determines Whether It Is Antibacterial. ACS Applied Materials & Interfaces. 2014, 6: 13183-13190.