石墨烯改性纤维与功能性薄膜复合材料的研究
引言
石墨烯作为一种新型二维碳纳米材料，因其独特的物理和化学性质，在多个领域展现出广阔的应用前景。近年来，石墨烯在纺织和材料科学领域的应用研究逐渐增多，尤其是在纤维改性和功能性薄膜的制备方面取得了显著进展。通过将石墨烯引入纤维或薄膜材料中，可以有效提升其导电性、热导率、力学性能以及抗菌能力等关键特性，使其在智能纺织品、柔性电子器件、防护服及生物医学材料等领域具有重要价值。目前，国内外学者围绕石墨烯改性纤维和功能性薄膜复合材料进行了大量研究，并开发出多种制备工艺和优化方法。本文将系统介绍石墨烯的基本性质及其在纤维和薄膜复合材料中的应用，分析不同制备方法对材料性能的影响，并结合国内外研究成果探讨该领域的发展趋势。
石墨烯的基本性质
石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化轨道组成的六边形晶格结构，是目前已知最薄且最强韧的纳米材料之一。其独特的二维结构赋予了石墨烯优异的物理和化学性质，包括极高的机械强度（理论抗拉强度约为130 GPa）、卓越的导电性（载流子迁移率可达10⁶ S/m）和热导率（约5000 W/(m·K)），以及良好的光学透明度（单层石墨烯仅吸收2.3%的可见光）。此外，石墨烯还具有较大的比表面积（理论值为2630 m²/g），并表现出优异的化学稳定性和生物相容性。这些特性使得石墨烯成为功能材料研究的重要基础，尤其在高性能复合材料的开发中发挥着关键作用。例如，研究表明，石墨烯可以通过增强界面相互作用来提高聚合物基复合材料的力学性能，同时改善其导电性和热传导性能（Geim & Novoselov, 2007；Stankovich et al., 2006）。
石墨烯改性纤维的制备方法
石墨烯改性纤维的制备通常采用溶液纺丝法、熔融纺丝法或涂层技术，其中溶液纺丝法是最常用的方法之一。该方法通过将石墨烯或其衍生物（如氧化石墨烯）分散于聚合物溶液中，再经过湿法或干法纺丝形成复合纤维。例如，研究人员利用聚丙烯腈（PAN）与氧化石墨烯（GO）共混纺丝，获得了具有良好导电性和机械强度的复合纤维（Li et al., 2015）。此外，熔融纺丝法适用于热塑性聚合物，如聚酯（PET）或聚酰胺（PA），通过高温熔融混合石墨烯粉末后进行纺丝。然而，由于石墨烯在高温下容易团聚，因此需要优化加工参数以确保均匀分散（Wang et al., 2018）。另一种常见的方法是表面涂层技术，即将石墨烯悬浮液涂覆在现有纤维表面，从而赋予其导电、抗菌或红外辐射等功能。例如，Zhang 等人（2019）通过层层自组装（Layer-by-Layer, LbL）技术在棉织物上沉积石墨烯/聚电解质复合膜，提高了材料的导电性和抗紫外线性能。
| 制备方法 | 适用材料 | 主要特点 | 参考文献 |
|---|---|---|---|
| 溶液纺丝法 | PAN、PEO、PLA 等 | 分散均匀，可调控石墨烯含量 | Li et al., 2015 |
| 熔融纺丝法 | PET、PA、PP 等 | 工艺简单，适合大规模生产 | Wang et al., 2018 |
| 表面涂层法 | 棉、涤纶、尼龙等 | 改性灵活，不影响基材性能 | Zhang et al., 2019 |
石墨烯功能性薄膜的制备与性能
石墨烯功能性薄膜的制备方法主要包括化学气相沉积（CVD）、溶液浇铸法、真空过滤法以及喷雾涂层法等。其中，CVD 是合成高质量石墨烯薄膜的标准方法，能够获得大面积、连续且缺陷较少的单层或多层石墨烯薄膜（Reina et al., 2009）。然而，该方法通常需要高温条件（800–1000°C）和昂贵的金属催化剂（如铜箔或镍箔），限制了其在柔性材料中的直接应用。相比之下，溶液浇铸法和真空过滤法则适用于基于氧化石墨烯（GO）或还原氧化石墨烯（rGO）的薄膜制备，能够在较低温度下实现大规模生产。例如，研究人员利用 GO 悬浮液通过真空过滤法制备了具有高导电性和柔性的 rGO 薄膜，并将其应用于柔性超级电容器和传感器领域（Park et al., 2010）。此外，喷雾涂层法可用于在复杂形状的基底上沉积石墨烯薄膜，提高其适应性。例如，Chen 等人（2017）通过喷雾沉积技术在 PET 基底上制备了透明导电薄膜，其透光率为 85%，方阻低于 100 Ω/sq，显示出良好的光电性能。
| 制备方法 | 材料类型 | 特点 | 典型应用 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| 化学气相沉积（CVD） | 单层/多层石墨烯 | 高质量、连续性好 | 柔性电子器件 | Reina et al., 2009 |
| 溶液浇铸法 | rGO、GO 复合薄膜 | 成本低、易加工 | 传感器、电池电极 | Park et al., 2010 |
| 真空过滤法 | rGO、GO 薄膜 | 结构可控、孔隙率高 | 超级电容器、过滤膜 | Li et al., 2014 |
| 喷雾涂层法 | rGO/PET、AgNW/rGO | 透明导电性好 | 触控屏、太阳能电池 | Chen et al., 2017 |
石墨烯复合材料的性能优化策略
为了进一步提升石墨烯复合材料的综合性能，研究人员提出了多种优化策略，包括石墨烯的功能化处理、与其他纳米填料的协同增强效应以及界面工程调控等。首先，石墨烯的功能化处理可以有效提高其在基体中的分散性，减少团聚现象。例如，通过共价或非共价修饰，可以在石墨烯表面引入特定官能团，增强其与聚合物基体之间的界面结合力（Li et al., 2013）。其次，将石墨烯与其他纳米材料（如碳纳米管、纳米银线、二氧化钛等）复合使用，可以实现性能互补，提高材料的导电性、热稳定性或抗菌能力。例如，研究表明，石墨烯/银纳米线（AgNW）复合薄膜不仅具有优异的导电性，还能提供更强的抗电磁干扰能力（Liu et al., 2016）。此外，通过界面工程调控，如引入偶联剂或构建多尺度结构，可以进一步优化石墨烯与基体之间的应力传递效率，从而提高复合材料的整体力学性能（Sun et al., 2018）。
| 优化策略 | 方法 | 效果 | 应用示例 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| 功能化处理 | 共价/非共价修饰 | 提高分散性、增强界面结合 | 导电纤维、传感器 | Li et al., 2013 |
| 协同增强 | 石墨烯+碳纳米管、AgNW | 性能互补、提升导电性 | 透明导电薄膜 | Liu et al., 2016 |
| 界面工程 | 偶联剂、多尺度结构 | 优化应力传递、增强力学性能 | 结构复合材料 | Sun et al., 2018 |
国内外研究进展与产业化应用
近年来，国内外众多科研机构和企业纷纷投入资源开展石墨烯改性纤维与功能性薄膜复合材料的研究，并推动相关技术的产业化应用。在国内，中国科学院宁波材料技术与工程研究所成功开发出石墨烯增强聚酯纤维，其断裂强度达到 6.5 cN/dtex，远超传统聚酯纤维（4.5–5.5 cN/dtex），并在抗静电和抗菌性能方面表现出色（Zhang et al., 2020）。此外，东华大学联合企业研制出石墨烯导电织物，其表面电阻可低至 10 Ω/sq，已应用于智能穿戴设备和加热服。在国际方面，美国麻省理工学院（MIT）研究团队利用石墨烯-聚合物复合薄膜开发出高效柔性太阳能电池，其能量转换效率超过 15%（Kong et al., 2019）。韩国科学技术院（KAIST）则开发出基于石墨烯的柔性压力传感器，具备超高灵敏度（GF > 100），可用于健康监测和可穿戴电子设备（Kim et al., 2020）。此外，欧洲多家公司（如西班牙的Graphenea和英国的Haydale）也在积极推广石墨烯改性纤维和薄膜产品，涵盖从航空航天到医疗保健的多个领域。随着制备工艺的不断优化和技术成本的降低，石墨烯复合材料有望在未来实现更广泛的应用。
参考文献
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- Kim, J., Lee, M., Shim, H. J., Ghaffari, R., Cho, H. R., Son, D., … & Rogers, J. A. (2020). Highly sensitive wearable strain sensors based on graphene and elastomer composites. ACS Nano, 14(1), 104–116.
