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產業技術評析

石墨烯在紡織業的應用與開發現況
發表日期:2018-05-09
作者:李信宏、邱聯華(紡織所)
摘要:
2010年諾貝爾物理獎頒給英國曼徹斯特大學兩位俄籍科學家,分別為蓋姆和諾佛謝洛夫,這兩位科學家運用非常簡單的膠帶剝離法從一般的石墨中成功的分離出石墨烯,從此國際市場便將石墨烯視為一個值得開發的新興材料。

全文:

2010年諾貝爾物理獎頒給英國曼徹斯特大學兩位俄籍科學家,分別為蓋姆(Andre K. Geim)和諾佛謝洛夫(Konstantin S. Novoselov),主要原因是這兩位科學家運用非常簡單的膠帶剝離法從一般的石墨中成功的分離出石墨烯,從此國際市場便將石墨烯視為一個值得開發的新興材料。石墨烯通常以碳球或碳管形狀表現,立體彎曲成中空球狀的分子結構即稱之為奈米碳球(Fullerene),若是成為管狀的分子結構,即為奈米碳管(Carbon nanotube)。同時,石墨烯也是目前世界上最薄、最堅硬的材料,幾乎是透明,因為只吸收2.3%的可見光,導熱係數高達5300W/mK,其電阻率極低約10-6Ωcm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料。也因為石墨烯擁有許多獨特的特性,包括:熱導性、高導電性、熱穩定性、化學穩定性、抗腐蝕性、抗菌活性、抗紫外線、比表面積大、高電子遷移率、透光性、輕薄特性、親水性、機械強度等;這些特性讓它很快被開發到多方面的應用,包括:高分子複合材料、塗料/油墨、電池、濕度感測、催化劑、電子元件、發光元件、抗菌材料。
 

因此,石墨烯經過加工製造後,可滿足紡織業在某些方面對特殊機能的需求;石墨烯可比鋼還堅韌、幾乎透明、可導電導熱、抗靜電、機械可橈曲性,而且還有抑制細菌生長的能力,這些特性應用到紡織服裝上有非常高的價值,既使考量到重量因素,若技術層次可以達到,僅加入一層石墨烯原子層,則不論應用到何種紡織品或服裝,增加重量都將微乎其微。
 

在紡織業的應用,義大利的高階運動品牌Colmar已經成功應用石墨烯到服裝上並發布上市,同時將其應用到夏季及冬季的系列上,證實石墨烯可跨季節應用於紡織及服裝上,未來市場發展潛力不容小覷。
 

一、石墨烯開發現況與紡織業的應用
 

目前較具石墨烯量產規模的技術,應屬氧化還原法的製程,其主要製造方式係將濃硫酸嵌入石墨層中,並以強氧化劑使石墨氧化,使石墨層表面產生含氧官能基,藉以減弱石墨層間的吸引力,再透過快速加熱的方式,使得各石墨層間的CO2膨脹爆開達到分離各層之目的,分離後的各層氧化石墨烯再利用具強還原力的材料進行還原以製造石墨烯材料。然而此種製程複雜繁瑣,生產過程中會使用到硫酸、鹽酸等強酸,因此在後續水洗過程中會產生不少廢酸。另一方面石墨烯的高價格成本是其邁入產業化另一個障礙,其主要原因包括在石墨烯生產流程中不可避免的酸化反應製程,須要有相關的廢水處理設備以解決廢酸液造成的環保問題,大大增加後續廢水處理等環安投資成本,其次是在此製程中須進行固液分離的程序,此製程耗時甚久,也會大大增加量產的時間成本;另一方面製程需要使用高溫爆炸以剝離石墨烯,此製程須耗費大量的熱能,因而增加設備與能源的成本,致使石墨烯氧化還原法在產業化應用過程一直受到各界質疑。
 

目前利用石墨烯化合物對織物改性已經成為石墨烯開發重點之一,採用的方法有融合、接枝、浸潤、沉積、塗覆等,力求充分發揮石墨烯的優異特性,開發新型功能性紡織品,例如抗菌、防臭、防紫外線、防靜電、防火、防輻射等服裝應用,以及開發產業用紡織品,如導電、過濾、穿戴設備、航太航海用紡織品等。石墨烯國際市場上在紡織業的開發應用,包括有:
 

1.Directa Plus公司
 

總部位於義大利洛馬佐(鄰近米蘭)的Directa Plus公司是一家專為生產可用於一般消費性產品和工業應用的石墨烯廠商,已經開發多項將石墨烯應用於紡織品的產品。Directa Plus開發出的石墨烯製程,可製成染料、貼片,或粉末狀的石墨烯產品,可印製在織物上,或可與PU混和,製成塗料或薄膜形式。一般是薄膜形式可讓石墨烯濃度較高,製成紡織品的機能性較使用塗料的效果更佳,下一步將要開發含有石墨烯的纖維。
 

Directa Plus已經在2016年成功量產3.1噸的Graphene Plus(G+®),同時也併購1家薄膜製造商Osmotek,可自行生產石墨烯薄膜供應下游應用。Directa Plus公司表示,石墨烯的需求正不斷擴大,其製造方法不須任何化學藥劑就可將石墨烯薄片離析出來,目前該公司積極與其他品牌合作開發石墨烯製成的紡織產品,並在2016年9月簽署合約供應Alfredo Grassi服飾公司(為公家及私人機構提供工作服及制服的製造商)採用其所開發之石墨烯應用在製造高機能性服裝上面。Alfredo Grassi服飾公司將G+®石墨烯印刷在布料上,使該布料製成之成衣具有涼感效果,可降低穿著者的體溫攝氏1~2度。另外,G+®與慢跑用壓力衣D-ONE結合,利用石墨烯的絕緣、熱傳導特性,可為D-ONE慢跑衣提供蓄熱、調節體溫功能,廠商利用石墨烯為天然、非化學物質、無毒害、更貼近人體安全使用,以滿足消費者訴求。
 

另一家義大利經編製造商Eurojersey是第一個使用G+®在自家產品的經編布廠,將石墨烯應用在Sensitive的機能性布。其使用石墨烯的方法有兩種,一是將薄膜置入單層或雙層Sensitive布料;二是以印花方式印製在布料上,預計在2018年一月的ISPO展中發表此項新產品。其利用G+®石墨烯具有高導熱性,可以在天氣寒冷時將熱分佈於人體,並在天氣炎熱時吸收熱,達到「具獨特熱功能的先進技術織物」,使穿衣者更舒適。而它具有的抗靜電能力,也讓石墨烯在合成纖維具有應用潛力,加諸石墨烯的抗菌能力也很優秀,可避免滋生細菌,更讓紡織品可以兼具抗臭的能力。
 

2.Kyorene公司
 

位於上海的Kyorene公司也開發石墨烯在纖維及紡織品的應用,但使用的是石墨烯的氧化態。將石墨烯混入耐隆、聚酯或者聚丙烯纖維,讓纖維具備散熱、抗菌、抗塵蟎,或是抗紫外線的機能。實際應用上,石墨烯除了熱傳導能力外,也具備防臭能力,且即使只加入少量、透明的石墨烯,也能使布料具備高度抗紫外線的能力;由於石墨烯帶有負電極特性,若應用在醫療方面,具有舒緩肌肉緊張、促進肌肉復原等功能。Kyorene開發的石墨烯產品已經過ITS、CTC、TIV-SUD等機構測試,且在PREMIÈRE VISION布料展中展示產品,作為其擴張新市場的里程碑。
 

3.英國曼徹斯特大學
 

英國曼徹斯特大學研發出可利用簡單的網版印刷技術,將導電石墨烯氧化物墨水直接印在柔性的紡織布料上,而且印刷出的油墨具有優異的拉伸性。石墨烯氧化物與織物結合後狀態穩定,且電極導電性具有高度的平衡穩定性;該研究由曼徹斯特大學特設的石墨烯研究單位「國家石墨烯機構」進行,石墨烯氧化物墨水是一種環保素材,而且價格相對低廉,能生產出高性價比的智慧型紡織用品,可用以儲存能量以及監測人體的生理反應,加諸印在布料上的石墨烯氧化物能夠正常清洗不會脫落,未來藉由石墨烯氧化物印刷材質不僅能在布料上印出電池,更能在布料上印出其他電子零件,以提供智慧感測紡織品的應用。
 

石墨烯的導電特性使它具備開發智慧穿載紡織品的潛力,智慧服飾品牌Cute Circuit的設計師Francesca Rosella和Ryan Genz與英國曼徹斯特大學的石墨烯研究機構合作開發Little Black石墨烯洋裝,並在特拉福德購物中心展示,該洋裝具有可延展的感應器,能探測使用者的呼吸狀況,並根據呼吸狀況讓LED燈發出不同光芒。若使用者進行較淺的呼吸,LED會由橘色轉為綠色;若呼吸深沉,則會由紫色轉為藍綠色。
 

4.Graphwear Technologies
 

美國Graphwear Technologies也積極研究汗液分析貼片,用以監控人體的葡萄糖和水分含量,希望能將石墨烯應用於感測智慧材料上,再與紡織品結合。
 

石墨烯材料的獨特性,不只讓美國、中國大陸、南韓、日本及歐盟等國紛紛挹注資金展開相關研究與技術布局;中國大陸更將石墨烯材料列為《新材料產業十三五發展規畫》中,預期至2020年中國大陸的石墨烯產業規模能達到百億元以上,而在2025年突破千億元的產業規模。
 

二、紡織所在石墨烯的開發與未來發展
 

根據石墨烯市場規模調查,全球石墨烯年產能已達到百噸級,預計未來五年到十年,石墨烯產能可達到千噸級水準。如前所述,石墨烯具優異的特性包括導電性能、導熱性能、力學性能等,然而截至目前為止,石墨烯商業化的產品仍然不多,除了成本因素考量外,最主要原因是石墨烯具有非常大的比表面積及強大的凡得瓦力,因此若沒有做好石墨烯的分散,會造成石墨烯再次團聚,而無法顯現出石墨烯優異的性能。特別是透過物理法製備的石墨烯粉末,表面缺乏含氧的官能基團,不容易分散在水或溶劑中,而難以在後續的產品應用上找到石墨烯獨特優異的特性。因此在石墨烯未來產品開發,發展出具備良好分散性及高固含量的石墨烯懸浮液是目前石墨烯產品應用亟須克服的問題。
 

2009年開始,紡織所陸續投入石墨烯相關製程技術的發展,近年來以直接連續物理之量化製程技術,成功開發出石墨烯的量產技術,其最大量產產能達100噸/年,單位小時生產速度為30kg/小時。產出石墨烯的規格為平均層數為15層、片徑為5μm~15μm、雜質含量<2%。此量產製程產速遠優於國際石墨烯生產的製程,不僅可以有效提升石墨烯的生產效率,更能大幅降低石墨烯的投產成本與附帶的製程成本,有效解決目前石墨烯製程成本過高無法進入市場的問題。另一方面紡織所發展的直接連續物理之量化製程技術,沒有廢水與廢氣排放等環保問題,對於環保問題日益重視的台灣,將可大幅提升國內紡織業界投資石墨烯生產技術的意願,加速台灣進入石墨烯應用產業的時程。
 

另外,在克服分散性及高固含量懸浮液方面,紡織所透過介面活性劑、穩定劑與溶劑組合成的分散系統,並考量未來工業化的製程,以高能球磨法等製程製備石墨烯懸浮液,成功開發出固含量高達20wt%的石墨烯懸浮液。未來,紡織所將基於以往在石墨烯的開發經驗,以具有製程優勢與價格優勢的直接連續物理法為基礎核心,儘速跨入大量生產石墨烯微粉的生產技術,搭配研發高固含量的石墨烯懸浮液,期待快速擴散石墨烯於紡織領域產品的開發,帶動台灣紡織業建構自主發展的石墨烯生產及應用技術的發展。
 

三、結論
 

目前石墨烯生產與開發技術所面臨的最大挑戰在於低石墨烯固含量及欠缺多樣化的溶劑可以選擇,如何將石墨烯分散均勻且具有高濃度的石墨烯溶液是當今生產廠商在實際應用時必須克服的問題。尤其在紡織業的應用,更需要開發可以將體積蓬鬆之石墨烯粉體均勻分散於溶液或母粒中的技術;另外,功能性母粒中具有高寬厚比的石墨烯在紡絲過程中極易產生堵塞紡嘴之問題、或石墨烯與薄膜或織物基材介面接著難以控制等問題,都是阻礙開發石墨烯在紡織品應用的技術門檻。
 

而業者(如:Directa Plus和Kyorene等公司)將石墨烯應用在服裝上的情形,主要著重在石墨烯的熱導性,而導電方面的研究應用也在進行中。目前業界對這奇蹟般的材料抱有高度的期待,尤其是它應用在新一代智慧服飾與穿戴式裝置的潛力。
 

參考文獻

  1. 邱聯華(2017),<紡織所於石墨烯傳導材料的發展與應用>
 

(本文作者為紡織所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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