苏 昊
（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州213000）
人类社会经历石器时代、工业与科技时代，材料发展推动社会文明的进步。20世纪70年代人们把材料作为社会文明的一大支柱资源。80年代新技术革命把新材料与信息技术并列为新技术革命的重要标志之一。材料分为金属与非金属及复合材料，复合材料具有结构可设计性，广泛应用于国防建筑等诸多领域，复合材料研究深度成为衡量国家科技先进水平的一个标志。碳纤维增强复合材料是研究应用广泛的材料，由高强度碳纤维增强体积表面涂层构成。随着人们对功能服装的需求增加，碳纳米管是碳的同素异形体，碳原子呈蜂巢状卷起直径为纳米尺度的圆柱形。在纺纱中加入碳纳米管可获得制造高导热性材料潜力，利用合成纱线制备纳米级陶瓷颗粒织物。
1 碳纳米管研究
1.1 碳纳米管性能
碳纳米管自1991年问世后，以其特殊理化性能成为碳材料研究对象，其优良特性包括高机械强度、优良的导热导电性等。碳纳米管具有中空结构，管身由六元碳环微结构单元组成，碳纳米管是具有一维量子特殊结构材料，层间距离约0.34nm，直径与管径比值大。碳纳米管独特结构是理想的一维模型材料，重量为钢的1/6。碳纳米管可作为半导体材料、分子吸收剂等。
碳纳米管由多层圆筒状石墨片层形成中空层状碳管，分为单壁与多壁碳纳米管。SWCNT由单层石墨片同轴卷绕形成管状结构，管的外径较大。长度达毫米级，碳纳米管具有很高的长径比，SWCNTs管具有很高的稳定性[1]。MWCNTS由几层石墨片同轴卷绕构成管状结构，典型直径为2-30nm，具有很高的长径比。随着碳纳米管合成技术的完善，碳纳米管分子结构使其应用范围不断扩大。如微机械与执行器、纳米电子学等。碳纳米管具有良好热学力学与导电性能。碳纳米管具有很大的长径比，热量可沿碳纳米管长度方向传递，碳纳米管可与其他材料合成高各向异性材料，具有优良传热、耐热等系列综合性能。碳纳米管具有光学性能，化学稳定性高，其良好性能使之成为复合材料增强材料的中意选择。
宏观上按管壁石墨烯片层数不同，可分为单壁与多壁碳纳米管。多壁碳纳米管是若干不同直径单层管同心套迭而成，单壁碳纳米管可视为平面石墨烯在圆柱体上映射，根据六元碳环网格沿轴向不同分为扶手椅型、锯齿形等[2]。按碳纳米管导电性分为导体性与半导体性。单壁碳纳米管导电性能取决于其直径，导体碳纳米管可作为构筑纳米器件导线。通过后处理工艺可获得定向碳纳米管阵列，碳纳米管沿同方向排列，可方便对纳米级材料宏观体各向异性进行研究。碳纳米管产生许多新的力学、热学等性能得到新的应用。
1.2 碳纳米管的制备
碳纳米管发现是科学史上的一个里程碑，是科学研究的热点。其独具的奇异结构、特殊吸附性能等，广泛应用于理化材料等领域。碳纳米管制备是对其研究的前提，碳纳米管制备技术迅速发展，研究制备方法较多，目前广泛应用的方法是电弧放电法、激光烧蚀、外膜法等。功能化是使碳纳米管表面产生缺陷，通过理化方法使某些性质改变，改变其分散性，碳纳米管功能包括机械法、高性能法等。
电弧放电法主要由以氧化物为催化剂的石墨为电极，电弧放电蒸发消耗阳极石墨，生长机理是电弧放电下电极充满高浓度等离子，阳极受到电子轰击温度高，蒸发石墨电极形成自由碳原子，阴极表面较高的电压降产生电场稳定碳管开口生长。电流居于受到扰动变化，形成弯曲或封闭端。4000K高温下碳纳米管能充分石墨化，能反映其真正性能。激光烧蚀法是利用激光高能量蒸发石墨靶获得碳纳米管，生长原理是石墨产生大量碳原子簇，碳原子簇集使碳纳米管生长。得到碳纳米管结构完整。需要将含催化剂石墨靶加热到高温蒸发，产物中往往含有富勒烯及其他碳纳米颗粒等副产物，缺点是制得碳纳米管纯度低。
机械法对碳纳米管修饰常见的是球磨法，通过器壁与碳纳米管作用，碳纳米管表面存在缺陷，使曲率较大的五边碳环聚集部分破坏，使得能量传递给短管。化学法是修饰碳纳米管主要方法，包括氟化反应、自由基反应、亲电加成反应等。高性能法是通过具有高能量等离子涉嫌与微波等对碳纳米管进行表面修饰[3]。研究采用氩等离子体对多壁碳纳米管表面处理，达到对碳纳米管表面的刻蚀作用。表明刻蚀后碳纳米管管端变直。微波技术具有清洁高效等特点，可合成高纯度、分布均匀的纳米材料，对碳纳米管功能化具有很好作用。外膜法是在碳纳米管表面均匀包覆膜，研究通过等离子体聚合技术对MWCNTs表面进行有机膜改性，制备MWCNTs/PS复合材料，拉伸强度提高约25%。
2 碳纳米管陶瓷复合织物制备实验
实验使用材料包括聚酯纱线与聚酯树脂粘合成纱线，钛酸醇盐偶联剂，研究使用实验设备涉及韩国KM-3WV型超高速单面针织设备、真空盘式干燥器、日本THC-4DN型测厚仪。为研究含有碳纳米管的热纱线结构，将原材料聚合熔融纺丝，拉深纱线后编制加工成针织内衣产品。碳纳米管粒径尺寸小于100nm，ZnO纳米-陶瓷粉末与钛酸醇盐偶联剂共混，在纺丝原液种通过熔融纺丝聚合木料，完成拉深变形丝的制备。
碳纳米管/陶瓷复合织物采用41%的PET 75D/73F DTY，41%的PET 75D/72FDTY，18%的PU 30D包芯纱3种纱线制备，针织大圆机转速为22r/min，直径为76.2cm，PET/PU织物与碳纳米管/陶瓷复合织物针织条件相同[4]。液氮中将纱线切断，涂覆铂后采用扫描电子显微镜观察纱线织物表面，采用放大倍率2500倍的仪器拍摄聚酯纱线横断面。进行拉伸强度、光-热性能与水蒸气透气性实验。纱线断裂强度用于评价张力特性，通过强度测试机测试伸长率，夹钳距离为50cm，使用FX-3700型抗裂强度测试机，测试条件为20±2℃，设备在50mm/min恒定速度下操作，每个试样张力强度需测量5次。
依据KSK0594：2015测量织物水蒸气透过性，为确定面料空气透气性，利用Frazier机械法测量面料透气性，将织物剪裁成面积为20cm2小块，测量织物空气传输值，透气性数值取测量10次平均值。使用500W电灯泡照射，对比碳纳米管/陶瓷复合织物温度变化，开始的60min光纤照射在样本表面，之后关闭电灯泡，对比试样表面温度，光的辐射距离为30cm，样本环境条件相对湿度60±2%。为评估热力学性能，采用相机完成受试者穿着实验。采用碳纳米管/陶瓷复合织物制作长袖圆领内衣，室内相对湿度为（60±2）%。每位受试者实验服装后，等待10min采用测试前后颜色变化确定对聚酯纱线的热响应。参加实验受试者为20岁男性，受试者服装穿着时间为15min。隔热测试采用KES-F7型测试设备，完成对聚酯织物的隔热效果测试。将样本剪裁成50cm×50cm的尺寸，辐射源表面温度恒定开始测量，测量后2h计算样本耗散热损失。
3 实验结果
利用针织大圆机制作碳纳米管复合织物，可迅速实现24股纱线大规模生产，圆筒针织布具有较高的弹性，碳纳米管复合织物横向为弹性结构，圆筒针织布适用于运动服，碳纳米管/陶瓷复合织物正背面结构不同，织物背面织成横纹。将瞬时力施加到织物上测量织物撕裂受力情况，采用两个样本在纵横向进行测量[5]。聚酯织物纵横向撕裂强度为23.1cN、27.0cN，碳纳米管/陶瓷复合织物撕裂强度低于聚酯织物。由于混入纤维杂质导致易撕破。见表1。
表1 聚酯与碳纳米管陶瓷复合纱线及织物性能比较
碳纳米管/陶瓷复合纱线伸长率为21.12%，聚酯纱线伸张率为22.0%，碳纳米管/陶瓷复合筛选数据降低原因是添加有机功能物质。具有较高的水蒸气性产品将面料水分快速排出，增强面料的保暖性能，具有良好的水蒸气透过性织物能保持身体温暖。聚酯织物水蒸气透过性测量显示，碳纳米管/陶瓷复合织物水蒸气透过性高，表明碳纳米管/陶瓷含量不影响水蒸气透过性，碳纳米管/陶瓷织物能提高水蒸气吸收，提高服装的保暖性能，见表2。
表2 聚酯和碳纳米管陶瓷复合针织物温度变化及保暖性
如图1所示，分析聚酯针织物光热效应，62min时碳纳米管/陶瓷复合织物温度达到最大值58.83℃，表明聚酯织物最大温度差为13.13℃，碳纳米管/陶瓷复合织物温度在60min内维持较高水平，碳纳米管/陶瓷复合织物温度在110min前高于聚酯织物，表明碳纳米管/陶瓷复合织物光热效应好。受试者在稳定温度下，室内穿着聚酯织物内衣，利用红外线照相机测量15min温度变化情况。左侧表示左键左臂，前胸表示胸部位置。穿着碳纳米管/陶瓷复合织物内衣后15min测量肩臂温度高于聚酯物面料，穿着碳纳米管/陶瓷复合织物右侧部位温度升高温度低于辐射光线加热试验。聚酯织物前胸部位温度持平，前胸部位与其他部位温差由于依赖个人身体状态等因素造成，研究中制备面料性能显着。
图1 聚酯针织物和陶瓷针织物的光热效应
4 结束语
本文通过混合有机碳纳米管进行复合纺织，采用针织大圆机制碳纳米管/陶瓷复合织物，扫描电子显微镜观察显示，聚酯纱线形态学与碳纳米管/陶瓷复合纱线无显着差异，碳纳米管/陶瓷复合材料透气性较高，碳纳米管/陶瓷复合织物表面温度最大温差为13.13℃，在光源切断后维持加热效应。测量受试者穿着不同面料制作的内衣15min内温度变化，穿着碳纳米管/陶瓷复合织物受试者肩臂升温速度高，得出制备复合纱线面料可作为优异光热效应材料。
