石墨烯和氧化石墨烯在纺织印染中的应用

报道了石墨烯在纺织印染领域中的应用， 如石墨烯纤维的制 备、 石墨烯抗菌织物、 石墨烯抗静电织物和染料吸附等 。 本文 对这些文献作综述如下 。
1
结构单元为碳六元环， 是一种只有单层碳原子厚度的二维材 料。石墨烯是构成碳基材料的基本机构单元 。 它可以包裹形 卷 成 一 维 的 碳 纳 米 管 （ carbon 成零维 的 富 勒 烯 （ Fullerenes ） ， nanotube） ， 层层堆积成三维石墨（ graphite） 。 氧化石墨烯（ GO ） 是石墨烯的派生物， 与石墨烯的结构大 体相同， 但是氧化石墨烯基面及边缘含有羟基 —OH、 羧 基— COOH、 羰基 C 结构示意图。
［32wk.baidu.com］
。石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纤维［40］ 、 氧化石墨烯
［41 ］
改性 PAN 碳纤维原丝 2． 3 石墨烯织物
、 静电纺氧化石墨烯 / 尼龙 6 纳米纤维
等也被成功制备。
［43 ］
清华大学朱宏伟课题组
首先采用铜网作为模板， 通过化
在铜网上生长石墨烯， 去除铜网后 学气相沉积（ CVD ） 的方法， 即成功制备了石墨烯织物（ GWF ） 。 制备过程如图 4 所示。 相 对于化学气相沉积方法生长的石墨烯薄膜， 石墨烯织物拥有更 好的柔韧性和强度。
［29 ］
， 揭示了石墨烯破坏细菌细胞膜的机制 。石墨烯可以与
细菌细胞膜上的磷脂分子发生很强的色散相互作用， 因而能够 大规模直接抽取细胞膜上的磷脂分子， 将细菌杀死。 图 2 揭示 了石墨烯破坏细菌细胞膜的过程 。
图3 Fig． 3
石墨烯纤维打结图
The knot plot of graphene fiber
介绍石墨烯和氧化石墨烯在纺织印染领域中的应用， 包括石墨烯纤维、 石墨烯抗菌织物、 石墨烯抗静电织物、 染料吸附等。石墨烯在纺织印染领域的应用前景广阔， 值得深入研究。 关键词： 染整； 石墨烯； 氧化石墨烯； 抗微生物性； 导电性 中图分类号： TS190. 5 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 4017 （ 2014 ） 05 － 0049 － 04
电性能的宏观石墨烯纤维 。 2． 2 石墨烯共混纤维 相对于纺制宏观石墨烯纤维的难度， 石墨烯共混纤维简单 容易得多。中国发明专利 CN201210549357． 6 介绍， 利用氧化 石墨烯（ GO） 溶液与再生纤维素溶液混合， 通过粘胶湿法纺丝
图2 Fig． 2 graphene 石墨烯破坏细菌细胞膜过程的计算机模拟图
前言
2004 年， 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈 · 海姆和康斯 ， 两人也因此获得 2010 年的
［1819 ］ ［20 ］ ［21 ］ 、 、 复合材料 生物支架材料 、 生物成像 和
［22 ］
等领域有广泛的应用。近两三年来， 已有不少文献
Fig． 1
图1
石墨烯、 氧化石墨烯的结构示意图
［2325 ］
The structure of graphene and graphene oxide
石墨烯具有优异的机械 、 电学和热学性能
。 石墨烯是
它只有单层原子的厚度， 约为 0． 335 nm。 世界上最薄的材料， 石墨烯几乎是完全透明的， 只吸收 2． 3% 的光， 透光率可高达 97． 7% 。电阻率为 10 － 6 Ω / cm， 比铜或银更低， 为目前世界上电 阻率最小的材料。石墨烯具有极大的比表面积， 其理论值可高
［36 ］
烯、 氧化石墨烯（ GO ） 整理到织物上， 即可制备抗菌织物， 相对 于传统的无机、 有机抗菌剂， 石墨烯基本没有细胞毒性， 更适合 与人体皮肤直接接触。但是， 由于石墨烯、 氧化石墨烯（ GO ） 与 纺织品之间缺乏亲和力， 因此很难通过传统工艺将石墨烯 、 氧 化石墨烯（ GO） 处理到纺织品上。 Zhao J M［44］ 采用直接吸附、 辐射引发交联、 化学交联等方 法制备了三种氧化石墨烯基抗菌棉织物， 反应原理如图 5 所 示。研究结果表明， 三种氧化石墨烯基抗菌棉织物的抗菌率均
。将银纳米线添加到石墨烯液晶中， 制备了高导电的银掺
［33 ］
图4
石墨烯织物（ GWF） 制备过程示意图 Preparation process of GWF
杂石墨烯纤维
。 2． 4
［34 ］
Fig． 4
此后， 其它的几个课题组采用不同的方法制备了石墨烯纤 维。北京理工大学曲良体课题组 学朱宏伟课题组
［35 ］
抗菌织物 石墨烯、 氧化石墨烯 （ GO ） 具有优异的抗菌性能， 将石墨
采用毛细管同轴纺丝技术，
制备了中空石墨烯纤维和珍珠状的中空石墨烯纤维 。 清华大 首先采用化学气相沉积生长石墨烯薄膜， 然 多孔、 单片的石墨烯 后在石墨烯薄膜表面直接抽取出自组装 、 纤维。汉城国立大学 Kim YH 课题组使用电泳自组装的方法， 制备了还原氧化石墨烯纳米带纤维
石墨烯和氧化石墨烯在纺织印染中的应用 印 染（ 2014 No． 5 ）
欍氥 欍欍欍欍氥 述 评 欍氥
石墨烯和氧化石墨烯在纺织印染中的应用
赵
1， 2 兵 ，祁
Abstract ： Graphene and graphene oxide have excellent mechanical，electrical，thermal and antibacterial properties． Structure and performance of graphene are briefly introduced． Applications of graphene and graphene oxide in textiles，dyeing and printing are highlighted，including fibers，anti bacterial fabric，antistatic fabric of graphene，dye adsorption and so on． The application of graphene in textiles printing and dyeing fields has good prospects and it is worth to study in depth． Key words： dyeing and finishing； graphene； graphene oxide； antimicrobial property； electric conducitivity
收稿日期： 2013 － 10 － 15 作者简介： 赵兵（ 1984 － ） ， 男， 江苏淮安人， 馆员， 博士研究生， 主要从事 mail： sudazhaobing@ qq． com。 纳米材料的制备与应用。E-
欍欍欍欍氥
宁
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( 1． 苏州大学纺织与服装工程学院， 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215000 ; 2． 苏州大学图书馆， 江苏 苏州 215000 ) 摘 要： 石墨烯及其氧化物具有优异的机械 、 电学、 热学和抗菌性能。文中阐述了石墨烯的结构 、 性能； 重点
了石墨（ GT） 、 氧化石墨（ GTO ） 、 氧化石墨烯（ GO ） 、 还原氧化石
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印
染（ 2014 No． 5 ）
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墨烯（ ＲGO） 的抗菌性能。 结果表明， 氧化石墨烯（ GO ） 的抗菌 性能最好， 后面依次为还原氧化石墨烯 ＲGO、 石墨 GT 和氧化石 墨 GTO。2013 年 Tu Yusong 等人在 Nature Nanotechnology 发表 文章
再经水合肼、 硼氢化钠以及对苯二胺还原， 制备了 工艺成型后， 其导电、 热学、 抗菌性能与常规再 石墨烯共混再生纤维素纤维， 生纤维素相比均有提高
［38 ］
Simulation of destruction of bacterial cell membrane by
。
中国发明专利 CN201110052809． 5 介绍， 采用两种方法制 备石墨烯 / 海藻酸钠纺丝液。第一种方法是直接将石墨烯加入 海藻酸钠溶液中， 得到石墨烯 / 海藻酸钠纺丝液； 第二种方法是 先将石墨烯氨基化， 然后通过共价反应与海藻酸钠结合， 形成 石墨烯 / 海藻酸钠纺丝液， 最后通过纺丝得到石墨烯功能化海 藻纤维 毡
2 达 2 630 m / g。导热系数高达 5 300 W / m·K， 常温下电子迁移 2 率超过 15 000 cm / V·s， 比碳纳米管和单晶硅高 。杨氏模量为
石墨烯和氧化石墨烯的结构与性能
石墨烯由碳原子以 sp 杂化轨道组成六角型蜂巢晶格， 其
2
1． 1 TPa， 断裂强度高达 130 GPa。 石墨烯由于分子间的极强作 用力， 难溶于水和有机溶剂。 氧化石墨烯（ GO ） 的水溶性优于石墨烯。 GO 含有活性基 团， 可以与其它化学基团进行共价反应 。 但是由于石墨烯的完 GO 是绝缘体。 美六元环结构遭到破坏， 近期的研究表明， 石墨烯和氧化石墨烯（ GO ） 具有良好的 抗菌性能
Application of graphene and graphene oxide in textiles，dyeing and printing industry
2 ZHAO Bing1， ，QI Ning1
． College of Textile and Clothing Engineering of Soochow University，National Engineering Laboratory ( 1for Modern Silk，Suzhou 215000 ，China； 2 ． Library of Soochow University，Suzhou 215000 ，China )
［26 ］
O 等官能团。 图 1 为石墨烯和氧化石墨烯的
。2010 年中国科学院上海应用物理研究所 Hu W
［27 ］ 等人在 ACS Nano 发表文章 ， 首次研究了氧化石墨烯（ GO ） 、
ＲGO 能够有效地抑 还原氧化石墨烯（ ＲGO ） 的抗菌性能。 GO、
［28 ］ 制大肠埃希菌的生长， 并且细胞毒性很小。 Liu S 等人 比较
［42 ］ ［39 ］
2
2． 1
石墨烯在纺织领域中的应用
石墨烯纤维 石墨烯难溶于一般的溶剂， 加上缺少有效的组装方法， 如
何将石墨烯组装成宏观的纤维一直是一个巨大的挑战 。2011 年， 浙江大学高 分 子 系 高 超 教 授 课 题 组 在 Nature Communications 发表文章［30］ ， 首次成功纺制出长达数米的宏观石墨烯纤 维。他们采用湿法纺丝技术， 将氧化石墨烯（ GO ） 纺制成宏观 然后再进行化学还原， 得到石墨烯纤维。 其主要原理是， 纤维， 高浓度的氧化石墨烯在水溶液中能够形成自发取向排列的氧 化石墨烯液晶。 该文章中的石墨烯纤维打结图 （ 图 3 ） ， 入选 Nature 杂志评选出的 2011 年度 11 幅经典图片。 为进一步增强 石墨烯纤维的力学性能， 该课题组随后成功制备了超强石墨烯 纤维， 通过引入铜离子、 钙离子等二价金属离子交联结构， 将石 墨烯纤维强度提升至 0． 5 GPa， 文章发表在 2013 年的 Advanced Materials 上［31］ 。此外， 他们还将氧化石墨烯和含多羟基的超支 化聚合物 混 合 形 成 液 晶， 采用湿法纺丝技术制得仿贝壳纤 维
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坦丁·诺沃肖洛夫， 利用撕透明胶带的方法， 成功地从石墨中 分离出单层原子排列的石墨烯
［12 ］
诺贝尔物理学奖。从石墨烯发现的那一天起， 它就已经成为研 究的热点和焦点， 在超级电容器 发光二极管 剂载体 药物输送
［7 ］ ［1617 ］ ［3 ］ ［45 ］ ［6 ］ 、 、 透明电极 海水淡化 、 ［810 ］ ［1112 ］ ［1315 ］ 、 、 、 、 传感器 储氢 太阳能电池 催化