曼彻斯特大学《AFM》：综述！石墨烯衍生材料的智能纺织品的研究进展

成果简介

纺织品温度调节和热保护对人类健康和安全至关重要。传统服装缺乏个人热生理舒适性控制和阻燃性。新型纳米材料创新解决了这些局限性，并促进了下一代智能纺织品的发展。基于石墨烯和石墨烯衍生物材料的智能纺织品因其优异的导电性、高导热性和柔韧性而受到广泛关注。本文，曼彻斯特大学Boyang Mao、Zheling Li、Kostya S. Novoselov等研究人员在《Advanced Functional Materials》期刊发表名为“Graphene-Based Textiles for Thermal Management and Flame Retardancy”的综述，研究综述了目前使用石墨烯和石墨烯衍生材料的智能纺织品的研究进展，重点关注个人热管理和阻燃性。它涵盖了机械、材料开发、织物设计和身体应用，提供了整个领域的全面知识和范围。全球合作的化学和材料创新将推动基于石墨烯的智能纺织品的前沿，促进市场上真正商品的发展。

图文导读

图1.a）复合纤维方法由石墨烯或其衍生物增强的丝纤维示意图，b） 纤维/纺织品涂层方法

2.1  个人热管理

人们通常在20-27°C的温度和35%-60%的相对湿度之间感到舒适。[46]但是，在环境条件下，这一条件并不总是得到满足，因此，这凸显了个人热管理的重要性。个人热管理包括人体的加热和冷却，换句话说，作为对环境温度变化的响应，在人体、衣服和环境之间交换（消散、保持或产生）热量。例如，如果环境温度明显高于人体温度，则需要有效散热以防止热应激。热传导、对流和辐射，以及汗液蒸发是主要的传热机制，其中，多孔纺织品的热传导非常重要。在个人热管理方面，Peng及其同事演示了六种机制，以指导设备和服装的设计和制造，如图2所示

图2、示意图显示了用于开发基于服装的热管理设备的加热和冷却机制。在寒冷的天气里：a）阻挡人体的热传导，b）尽量减少对流，c）反射体温;在炎热的天气里：d）阻止来自环境的热传输，e）产生强烈的热对流，f）反射热辐射

2.2 阻燃性

纺织品，包括天然纺织品和合成纺织品，在我们的日常生活中发挥着重要作用。然而，它们具有广泛的可燃性，从高度易燃的纤维素（如棉和人造丝）、常见的合成纤维（如聚酰胺、聚酯等）到高阻燃性纤维，如对位芳纶纤维、无机玻璃和碳纤维。火灾造成的损失每年都会造成重大损失。燃烧是复杂的物理和化学过程，涉及四个必要元素：燃料、氧气、热量和链式反应。一般对于纺织材料，燃烧从纺织品的热解开始，存在火焰，释放出挥发物，可以与周围的氧气发生反应，导致一系列放热链式反应。如果在此过程中产生持续的热量并传递到下面的纺织品上，则上述过程将作为自我维持的燃烧循环发生。因此，常见的阻燃策略是在燃烧过程中阻止上述四个要素中的任何一个。一般可以处理：1）在气相中捕获高能OH∙和H∙自由基，活性较低的自由基阻止链式反应，或使用不易燃气体（即 N2、 CO2和 H2O)[106]或 2） 在冷凝相中，通过形成热稳定的炭层作为物理屏障，减少纺织品与周围环境之间的燃料、氧气和热量交换。

石墨烯在阻燃应用中发现了巨大的潜力，其中大长径比、优异的热稳定性和机械性能都有助于提高纺织品的阻燃性，主要是在凝聚相。由于其 2D 几何形状，它可以通过多种方法轻松融入纺织品中。这不仅适用于石墨烯，也适用于其衍生物的大家族，例如GO。虽然GO可能比石墨烯具有更好的加工性能，但氧官能团的存在会降低热稳定性，增加PHRR，并削弱膨胀能力。因此，GO在与纺织品结合后通常会减少。GO与其他阻燃官能团的功能化是提供更好的阻燃性的替代方案。性能可以通过许多典型测试来表征，例如TGA，极限氧指数测试，垂直火焰测试和锥形量热法。需要注意的是，这些属性通常不是独立的，有时可以对其中一些属性实现协同改进，或者改进一个属性可能会以牺牲其他属性为代价。

图3、a）整齐的真丝织物的破损长度，经VFT测试后，真丝织物涂有b）3.9wt.%rGO和c）19.5wt.%rGO。d）不同rGO浓度的纯丝织物和rGO涂层丝绸织物的烟密度。经许可转载。[42]版权所有 2017，爱思唯尔。在VFT后，e）PET织物和f）PET织物在VFT后被GO化合物涂层的残留物。g） 由石墨烯组成的火灾报警系统，用于应对火灾。

小结

本文综述了石墨烯在下一代智能纺织品热管理中的应用。石墨烯的“最高级”实现了这些交互式和多功能应用——高导热性、导电性、阻隔性，否则单一的传统纺织材料将非常困难。这可能会彻底改变我们对纺织品或服装实际作用的理解。其中一些应用需要相对较好的石墨烯分散水平，这既可以在纤维中作为填料，也可以在表面上作为涂层实现。在石墨烯及其衍生物成本不断下降的推动下，这些应用现在正在扩大规模。鉴于此，仍有一些需要改进的地方，例如耐磨性和可洗性等。在短期内，重点可能是如何将石墨烯技术应用到现有的纺织技术中，以补充石墨烯的“附加值”。一些现有的纺织技术非常成熟，完全更换的成本可能非常高。因此，当务之急是让纺织行业投入更多，将智能纺织技术推向市场。本综述中讨论的当前进展显然可以帮助社区开发更多可能的应用，并为其他具有不同特性的 2D 材料开辟新的机会。

虽然本文主要关注石墨烯及其衍生物在智能纺织品中的应用。也许更重要的是，它率先展示了如何将其他新型 2D 材料用于智能纺织品应用。石墨烯只是 2D 材料家族的一员，该家族包括石墨烯、氮化硼 （hBN）、TMD、MXene 和新型 2D 聚合物。目前，石墨烯和hBNe是热管理和阻燃应用的两种主要2D材料，但可以设想，通过选择不同的2D材料及其组合，可以精确调整下一代智能纺织品的性能。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202205934