氧化石墨烯对丙纶非织造布抗静电改性研究

大连工业大学纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034

日常生活中，很多材料在使用时会形成并积累静电，造成吸尘、电击，甚至产生火花引发爆炸等恶性事故。因此，为解决由静电引起的损害问题，制备抗静电材料成为了研究的热点[1]。丙纶非织造布是近年非织造行业发展最快的一种材料[2]，其拉伸强度高，耐磨损性和透气性好，且价格低廉，主要被用于一次性医用布、人造革基布和擦洁布等产品。但丙纶分子链中存有弱极性分子结构，其由共价键所构成的分子链既不能电离也难以传递自由电子，故摩擦产生的自由电子易集聚且很难消除，进而产生了静电荷，这在一定程度上限制了丙纶的应用[3]。氧化石墨烯(GO)是一种新兴的纳米碳材料，其表面含有大量的含氧官能团，具有亲水性，能吸取大量的水分子[4]。近年来，已有多名研究者[5-6]利用氧化石墨烯制备抗静电织物。

本文利用氧化石墨烯对丙纶非织造布进行抗静电改性，并对改性前后的丙纶非织造布进行性能测试及表征。

1 试验

1.1 试验材料与仪器

丙纶非织造布，面密度为30 g/m2，大连瑞光非织造布集团有限公司生产；氧化石墨烯，纯度(质量分数)为99.0%，唐山简化科技发展有限责任公司生产；氢氧化钠(分析纯)、过氧化氢(分析纯)、可溶性淀粉(分析纯)，天津市密欧化学试剂有限公司生产；乙酸酐(分析纯)、氯乙酸(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司生产；乙醇(分析纯)，天津市光复科技发展有限公司生产；去离子水，试验室自制。

PTT-A+200电子天平，福州华志科学仪器有限公司生产；FS-750T超声波处理器，上海声析超声仪器有限公司生产；SHZ-82水浴恒温振荡仪，金坛市成辉仪器厂生产；702-6型电热鼓风箱，大连实验设备厂生产；织物摩擦式静电测试仪，莱州市电子仪器有限公司生产；TH-8102S伺服电脑式万能材料试验机，苏州拓博机械设计有限公司生产；JEM-2100(UHR)透射电子显微镜、JSM-7800F场发射扫描电子显微镜，日本电子株式会社生产。

1.2 试验方法

1.2.1 改性丙纶非织造布的制备

(1) 将尺寸为30 cm×30 cm的丙纶非织造布试样放入质量分数为30.0%的过氧化氢溶液中，并一起放入水浴恒温振荡仪(温度70 ℃、时间2 h)，取出丙纶非织造布试样并浸泡于20 mL的乙酸酐溶液中(时间30 min)；

(2) 取可溶性淀粉(5 g)、氯乙酸(5 g)和不同质量的氧化石墨烯，配置成100 mL不同氧化石墨烯质量分数的溶液，超声分散10 min，滴入数滴浓度为0.1 g/mL的氢氧化钠溶液，再将经步骤(1)处理的丙纶非织造布试样放入其中，煮沸30 min，并不断搅拌；

(3) 取出丙纶非织造布试样，利用去离子水进行漂洗，再将漂洗干净的丙纶非织造布放入80 ℃的电热鼓风箱中进行烘干，即得改性丙纶非织造布。

1.2.2 测试及表征

1.2.2.1 透射电子显微镜(TEM)测试

试样准备：称取少量氧化石墨烯溶于乙醇溶液中，利用超声波振荡分散，使氧化石墨烯充分溶解并均匀分散于溶剂乙醇中。

使用JEM-2100(UHR)透射电子显微镜，对氧化石墨烯进行微观组织形貌分析。

1.2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)测试

试样准备：取某一氧化石墨烯质量分数改性的丙纶非织造布进行SEM测试，被测试样表面需先经喷金处理。

利用JSM-7800F场发射扫描电子显微镜，对改性前后的丙纶非织造布微观形态进行分析。

1.2.2.3 抗静电性能

试样准备：将改性前后的丙纶非织造布试样放入50 ℃的烘箱中烘干一定时间，然后随机各取80 mm×40 mm的试样16块(每种试样4块为1组，多次测量，结果取平均值)，在温度(20±2)℃、相对湿度(35±5)%的环境下放置24 h，且不得污损。

参照GB/T 12703.5—2010《纺织品 静电性能的评定 第5部分：摩擦带电电压》[7]，对改性前后的丙纶非织造布进行抗静电性能测试。

1.2.2.4 力学性能

试样准备：剪取尺寸为50 mm×250 mm的改性前后的丙纶非织造布试样，并在标准大气条件下调湿4 h。

参照GB 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测试(条样法)》[8]，对改性前后的丙纶非织造布进行拉伸强度、杨氏模量及断裂伸长率的测试。

2 结果与讨论

2.1 氧化石墨烯TEM分析

图1是加速电压为200 kV时，不同放大倍率下的氧化石墨烯的TEM照片。从图1可以看出，氧化石墨烯边缘带有褶皱结构，原因与氧化石墨烯的片层很薄有关。利用宏观动力学分析发现，氧化石墨烯的弯曲和褶皱结构使得其二维结构更加稳定；利用微观动力学分析发现，氧化石墨烯的特殊褶皱结构导致了氧化石墨烯比表面积增加[9]。

(a) 放大倍率为25 000

(b) 放大倍率为40 000

2.2 改性前后的丙纶非织造布

2.2.1 SEM分析

图2分别是改性前后的丙纶非织造布放大500倍的SEM照片。从图2可以看出，改性后丙纶非织造布的表面较改性前丙纶非织造布粗糙。改性前丙纶非织造布纤维表面光滑无凸起，改性后丙纶非织造布纤维表面出现了沟槽和凹坑，表面有明显的刻蚀痕迹，且有微小凸起，这是氧化石墨烯附着在丙纶非织造布纤维表面的结果。

(a) 改性前

(b) 改性后

2.2.2 抗静电性能分析

图3反映了氧化石墨烯质量分数对丙纶非织造布抗静电性能的影响：随着氧化石墨烯质量分数的增加，改性后丙纶非织造布的摩擦电压先减小后增大，即抗静电性能先提高后下降。当氧化石墨烯质量分数为0.8%时，氧化石墨烯附着于丙纶非织造布表面较少，改性后丙纶非织造布的摩擦电压有明显降低，但摩擦电压数值仍较大；当氧化石墨烯质量分数为1.2%时，附着于丙纶非织造布表面的氧化石墨烯增多，此时能够形成较多的导电网状结构，故改性后丙纶非织造布的摩擦电压数值达到最小，抗静电性能达到最佳，该氧化石墨烯质量分数即为临界质量分数；当氧化石墨烯质量分数超过1.2%时，改性后丙纶非织造布的摩擦电压不减反增，即抗静电性能没有提高反而下降，这可能与此时的氧化石墨烯质量分数增大，它们在丙纶非织造布表面的分布均匀性变差、团聚变多，进而导致形成的导电网状结构变少有关。

图3 氧化石墨烯质量分数对丙纶非织造布摩擦电压的影响

因此，只有保证氧化石墨烯在一定的质量分数范围内，并均匀分散在丙纶非织造布表面，改性丙纶非织造布的抗静电性才能随着氧化石墨烯质量分数的增加而提高。

2.2.3 力学性能分析

图4分别反映了氧化石墨烯质量分数对丙纶非织造布力学性能的影响。改性前丙纶非织造布的拉伸强度为0.192 MPa、杨氏模量为0.777 MPa、断裂伸长率为43.789%；改性后丙纶非织造布的拉伸强度最大为0.222 MPa、杨氏模量最大为1.100 MPa、断裂伸长率最小为30.117%：这表明氧化石墨烯对丙纶非织造布的力学性能有显著的增强作用。

(a) 拉伸强度

(b) 杨氏模量

(c) 断裂伸长率

但高质量分数氧化石墨烯的加入没有明显提高丙纶非织造布的力学性能：

(1) 当氧化石墨烯质量分数较低时，改性后丙纶非织造布的拉伸强度随着氧化石墨烯质量分数的增加而明显增强；当氧化石墨烯质量分数达到1.2%时，改性后丙纶非织造布的拉伸强度达到最大值；当氧化石墨烯质量分数高于1.2%时，改性后丙纶非织造布的拉伸强度呈现出略有下降的趋势，其中当氧化石墨烯质量分数达到1.6%时，改性后丙纶非织造布的拉伸强度依然高于改性前丙纶非织造布。

(2) 当氧化石墨烯质量分数较低时，改性后丙纶非织造布的杨氏模量随着氧化石墨烯质量分数的增加而明显增长。其中，当氧化石墨烯的质量分数为1.0%时，改性后丙纶非织造布的杨氏模量低于氧化石墨烯质量分数为0.8%时的杨氏模量，原因可能是少量的氧化石墨烯团聚损害了氧化石墨烯与基体之间的界面作用力所致。当氧化石墨烯的质量分数继续增加至1.6%时，均匀分散的氧化石墨烯的比例增加，促进了界面作用力，杨氏模量增加。

(3) 当氧化石墨烯的质量分数为0.8%时，改性后丙纶非织造布的断裂伸长率最低；当氧化石墨烯的质量分数大于0.8%时，改性后丙纶非织造布的断裂伸长率逐渐增大，其中当氧化石墨烯的质量分数增至1.6%时，改性后丙纶非织造布的断裂伸长率达到最大，但依然低于改性前丙纶非织造布。

总之，相较于改性前丙纶非织造布，改性后丙纶非织造布力学性能的提高与氧化石墨烯在丙纶非织造布表面的分散性好有关。但当氧化石墨烯添加过多时，氧化石墨烯易发生团聚，产生力学弱节，进而会降低改性后丙纶非织造布的力学性能。

3 结论

通过对丙纶非织造布进行抗静电改性整理，并对其进行相关测试：

(1) TEM照片显示，氧化石墨烯边缘带有褶皱结构。

(2) SEM照片显示，改性后丙纶非织造布纤维表面出现了沟槽和凹坑，且有微小凸起，这是氧化石墨烯附着于丙纶非织造布纤维表面的结果。

(3) 随着氧化石墨烯质量分数的增加，改性后丙纶非织造布的抗静电性能先升高后降低。当氧化石墨烯的质量分数为1.2%时，改性后丙纶非织造布的抗静电性能最好，此时的摩擦电压达到最小值为104 V，较改性前丙纶非织造布的摩擦电压降低了462 V。

(4) 氧化石墨烯的加入有效提高了改性后丙纶非织造布的力学性能。当氧化石墨烯的质量分数为1.2%时，拉伸强度最大为0.222 MPa；当氧化石墨烯的质量分数为1.6%时，杨氏模量最高为1.100 MPa；

当氧化石墨烯的质量分数为0.8%时，断裂伸长率最小为30.117%。

故综合抗静电性能与力学性能，当氧化石墨烯的质量分数为1.2%时，改性后丙纶非织造布的综合性能最好。

[1] 胡楠，赵丽娟，范靖，等.水性丙烯酸树脂/氧化石墨烯抗静电涂层的制备及性能研究[J].塑料工业，2015，43(8)：91-94.

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[3] 成亮，姜定，支景鹏，等.淀粉基复合抗静电剂在聚丙烯中的抗静电性能研究[J].中国塑料，2017，31(1)：25-28.

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[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.纺织品 静电性能的评定 第5部分：摩擦带电电压：GB/T 12703.5—2010[S].北京：中国标准出版社，2011.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测试(条样法)：GB/T 3923.1—2013[S].北京：中国标准出版社，2013.

[9] JIAO C， XIONG J， TAO J， et al. Sodium alginate/graphene oxide aerogel with enhanced strength-toughness and its heavy metal adsorption study[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2016， 83(2)：133-141.