电泳沉积制备石墨烯改性棉织物工艺讨论及性能研究

赵洪涛 王雪梅 田明伟 曲丽君 朱士凤

摘要：利用氧化石墨烯（GO）作为前驱体，采用聚乙烯亚胺（PEI）为改性剂，通过电泳沉积（EPD）技术对棉织物进行表面涂层整理，讨论了沉积工艺并研究了改性织物的性能。通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）表征分析了氧化石墨烯纳米微片和改性棉织物的表面形态;并利用相关仪器对其导电性能进行了测量。结果表明：电压、时间和氧化石墨烯的质量浓度都是影响沉积效果的重要因素;当施加电压为10 V、通电时间为150 s、氧化石墨烯质量浓度为5 mg/mL时，织物的增重率最大、沉积效果最好，改性棉织物的表面电阻可降低至300 Ω/sq。

关键词：氧化石墨烯;棉织物;电泳沉积;导电织物

中图分类号：TS195.644

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）01-0074-06

现今的纺织品已超出了原有的遮蔽和美饰的范畴，正向着功能化和智能化的方向发展，而纺织品的功能化和智能化离不开导电织物的支撑[1—2]。涂层整理是赋予普通织物导电能力的重要途径，通过各种方法将具有导电功能的材料附着到织物上可以得到不同的导电，而石墨烯的发现为导电纺织品的研发开辟了新的路径。

目前，国内外研究人员已对石墨烯导电织物开展了许多研究工作。Cao等[3]以氧化石墨烯（GO）水分散液多次浸渍织物，后经化学还原制备出导电蚕丝织物，织物表面电阻可降低至3.24 kΩ/sq。Tang等[4]采用真空过滤和浸渍涂层的方法将导电聚合物聚苯胺与GO整理到棉织物上，制备出的复合织物具有良好的导电性和紫外防护性能。Yun等[5]通过静电自组装的方法，利用牛血清蛋白还原GO制备出了包括纤维、纱线、机织物和非织造布在内的一系列导电纺织品。

电泳沉积（EPD）是一种高效的涂层技术，由于其设备成本低、通用性好、易于和其他制备方法联合，被广泛地用于先进陶瓷的制备[6]。此外，作为一种材料加工技术，EPD正日益受到科学家和技术人员的认可。除了在耐磨和抗氧化陶瓷涂层的常规应用之外，电泳沉积在先进微电子器件、固体氧化物燃料电池、新型复合材料和医用植入型生物活性涂层等的制备中也有着广泛的应用，并且在纳米组装先进功能材料的应用中吸引了越来越多的目光[7]。与其他涂层方法相比，EPD具有更多的优势。首先，由于外加电场提供驱动力，这种处理过程更高效、更稳定。其次，只要轻微改变电极的设计和位置，EPD可以在平板状、桶状以及其他任何形状的电极板上发生。此外，EPD还可通过简单地改变沉积参数来控制沉积层的厚度和形貌。本文通过电泳沉积技术，将GO沉积到棉织物表面，并采用热压还原的方法将GO还原成rGO，赋予棉织物导电性能。

1实验

1.1实验材料

棉织物（商用平纹机织物，平方米质量190 g/m2，使用前未经任何处理）由鲁泰纺织股份有限公司提供;天然鳞片石墨粉（粒径<30 μm）购自青岛华泰科技有限公司;硫酸（质量分数98%～99%）、高锰酸钾、五氧化二磷、过氧化氢（质量分数30%）、盐酸（质量分数37%）等购自天津化学试剂有限公司，以上试剂均为分析纯。

1.2实验方法

1.2.1GO的制备

GO的合成通过改进的Hummers法，利用天然鳞片石墨粉和硫酸、高锰酸钾、五氧化二磷等试剂制备[8]。合成的GO经稀释，调节pH值后使用。

1.2.2电泳沉积设备的搭建

电泳沉积设备的整体示意图如图1所示，反应池选择在一个大烧杯中进行，中央固定一个塑料筒子以支撑其中的一个铜网电极，另一个电极板也被设计为筒子状，固定在烧杯内壁，最后给两个电极板接入直流电源。

1.2.3导电织物的制备

导电织物的制备流程如图2所示。电泳沉积涂层整理前，先以阳离子整理剂PEI预处理棉织物，以提高织物表面界面亲和性能。因为PEI中含有氨基，易与棉织物和氧化石墨烯间形成强力氢键，因此可以用作棉织物的表面改性剂，能够让GO牢固附着在棉纤维表面。预处理时，将棉织物浸于65 ℃的PEI水溶液（质量分数5%）中，浸渍45 min后，取出织物并以去离子水漂洗，室温下自然晾干。之后，将预处理织物貼附在沉积池阳极板上，通电沉积一定时间后取出晾干。此间，直流电源形成的电场为GO提供了定向驱动力。藉此，考察GO水分散液的质量浓度、外加电压、沉积时间对棉织物电泳沉积整理效果的影响，具体实验方案如表1所示。

1.2.4GO的还原

GO的还原采用热压法。将GO涂层的样品平铺在热压机载物台上，处理面向上，190 ℃下热压120 s。以上过程为一个还原循环，试验中分别做了1～9次热压还原循环，分别标记为H1—H9。

1.3测试和表征

采用ZS90型马尔文激光粒度仪（马尔文仪器有限公司，英国）测定不同质量浓度石墨烯溶液的Zeta电位。

采用EVO18型扫描电子显微镜（卡尔蔡司集团，德国）对石墨烯改性棉织物进行形貌结构表征。

采用JEOLH—7650型透射电子显微镜（日本电子株式会社，日本）对GO纳米微片进行形貌结构表征。

通过HFM 436型热流法导热分析仪（德国耐驰仪器制造有限公司，德国）测试织物的导热性能，整个测量过程符合美国测试和材料协会D7984—ASTM标准。

样品的表面电阻通过标准四探针法测得，测试过程符合美国纺织化学家和染色家协会76—2005—AATCC标准。

样品的紫外防护性能通过紫外透射率分析仪测试分析，每个样品随机选择5个进行测试，测试过程符合183—2004—AATCC标准。

2结果与讨论

2.1结构表征

图3（a）为GO纳米微片的透射电子显微镜照片。可以看到单、双石墨烯片层，与Hu等[9]的报道相似，说明制得的GO剥离较为彻底，另外，石墨烯微片的横向尺寸介于纳米和微米之间。图3（b）是层层堆叠在织物表面的GO的扫描电子显微镜照片，从中可以看出明显的褶皱形态，这是由于石墨烯原子厚度引起的特征结构。棉织物改性前后的SEM照片如图3（c）和图3（d）所示，改性之前棉纤维的表面相对平滑;经过电泳沉积后，纤维的表面变得粗糙，出现了褶皱，说明纤维表面被石墨烯完全覆盖。

2.2电泳沉积工艺参数的讨论

氧化石墨烯pH值的确定。电泳沉积需要带电粒子在溶液中均匀分散，而Zeta电位是表征溶液分散性的重要依据。试验中可以通过溶液的pH值改变GO的Zeta电位。因此，本研究通过测量Zeta电位来确定GO溶液合适的pH值，进而获得最佳分散效果。GO溶液的Zeta电位和pH值的关系如图

4所示，随着溶液pH值的增高，溶液的Zeta电位也逐渐降低，与Pinho等[10]的研究相似。另外，当pH值大于等于6时，溶液的Zeta电位降到-63mV以下，说明GO溶液分散液十分稳定。然而，pH值过高，溶液中过多的OH-会与GO的羟基反应，形成絮状沉淀，导致溶液颜色变深（见图4部分实物图）。因此，试验中所使用的GO溶液的pH值都被调节为6。

电泳沉积的效果可以通过织物的增重率反映出来，增重率越高说明沉积效果越好，织物的增重率与电泳沉积参数的关系如图5所示。可以看出，织物的增重率与溶液质量浓度呈正相关，但是随着溶液质量浓度不断升高，GO的沉积均匀度急剧下降。因此，为了获得最好的接枝效果，选择5 mg/mL作为试验所用氧化石墨稀溶液的质量浓度。

电泳沉积时的通电时间与增重率的关系如图5（b）所示，在一定的时间内增重率随着通电时间的增加而上升，150 s的时候达到最优的接枝效果。之后随着通电时间的继续增加，增重率有所减小，这是因为长时间的通电会使GO纳米微片严重团聚、脱落。电压对增重率的影响与通电时间对增重率的影响相似，呈现出先升高后降低的变化趋势，见图5（c）。因为低电压下，电场对带电粒子产生的驱动力小，电泳沉积对GO的接枝贡献很小;而过高的电压会加速带电粒子的团聚与沉降，阻碍沉积的进行。

通过以上实验结果，得到最优的电泳沉积参数组合为：溶液质量浓度5 mg/mL，通电时间150 s，电压10 V。

2.3导电性能

改性棉织物的导电性能如图6所示，改性棉织物的表面电阻随着热还原处理时间的增加而逐渐下降。GO含有大量含氧基团，这些基团增大了片层间距，阻碍了电子的迁移，因此GO的电阻率很高，不是一种高效的导电材料。经过热处理之后，GO

的含氧基团被还原，石墨烯层间距急剧减小，片层之间形成了电子通路，因此导电能力得到极大提升。热处理时间越长，含氧基团被还原的越多，导电通路就更容易形成，电阻也就相应越来越低。如图6（b）所示，改性之前棉织物的表面电阻为109 Ω/sq，热还原1次后，表面电阻降低至106 Ω/sq以下，电阻热还原7次（840 s）后，迅速降低至3×102 Ω/sq，降低了近7个数量级，可以轻易点亮LED小灯泡。

EPD—5—10.0—150（H9）热压处理0.116

从表2中可以看出，GO改性后的织物导热性变差，这是因为GO片层增大了纤维和导热体的间距。当织物表面的GO被还原成rGO后，复合织物的导热系数提高至原样的219%，这种现象归因于氧化基团消失后石墨烯层间距减小，石墨烯所具有的高导热性能得到体现。

2.5紫外防護性能

图7为样品织物的紫外透过率曲线，扫描波长范围为250～450 nm。可以看出，棉织物原样的紫外透过率曲线在100%左右徘徊，说明紫外线能够轻易穿透这种平纹棉织物。当经过GO纳米微片附着之后，大于400 nm相对较长波段的透过率接近2%，但是其UVA透过率仍大于15%，不能满足紫外防护的要求。当棉织物表面的GO被还原成rGO之后，整个紫外波段的透过率都接近0%，UPF值大于150，UVA透过率小于1%，这说明石墨烯改性后的织物对紫外线有非常好的阻隔作用。

3结语

本研究探讨了将电泳沉积技术应用在普通棉织物整理中的可能性，通过电泳沉积，将GO纳米微片接枝到普通棉织物表面，并详细研究了溶液质量浓度、通电时间和电压对沉积效果的影响。当GO质量浓度为5 mg/mL、外加电压为10 V、通电时间为150 s时，棉织物可获得最佳接枝效果。此外，本研究将GO改性棉织物进行热处理，成功地制备棉/rGO复合织物。制备出的复合织物具有优良的导电（表面电阻低至3×10-2 Ω/sq）、导热（导热系数提升119%）和紫外防护性能（UPF值大于150，UVA<1%）。然而，研究采用热压方式还原会损害织物的力学性能，条件温和的绿色还原方法有待进一步讨论。

参考文献：

[1] RIVERO P J， URRUTIA A， GOICOECHEA J， et al. Nanomaterials for functional textiles and fibers[J].Nanoscale Research Letters，2015，10（1）：501.

[2] CASTANO， LINA M， FLATAU， ALISON B. Smart fabric sensors and e—textile technologies： a review[J].Smart Materials & Structures，2014，23（23）：053001.

[3] CAO J， WANG C. Multifunctional surface modification of silk fabric via graphene oxide repeatedly coating and chemical reduction method[J].Applied Surface Science，2017（405）：380-388.

[4] TANG X， TIAN M， QU L， et al. Functionalization of cotton fabric with graphene oxide nanosheet and polyaniline for conductive and UV blocking properties[J].Synthetic Metals，2015，202：82-88.

[5] YUN Y J， HONG W G， KIM W J， et al. A novel method for applying reduced graphene oxide directly to electronic textiles from yarns to fabrics[J].Advanced Materials，2013，25（40）：5701-5705.

[6] BESRA L， LIU M. A review on fundamentals and applications of electrophoretic deposition（EPD）[J].Progress in Materials Science，2007，52（1）：1-61.

[7] SATO N， KAWACHI M， NOTO K， et al. Effect of particle size reduction on crack formation in electrophoretically deposited YBCO films[J].Physica C Superconductivity & Its Applications，2001，357（357）：1019-1022.

[8] JR W S H， OFFEMAN R E. Preparation of graphitic oxide[J].Journal of the American Chemical Society，1958，80（6）：1339.

[9] HU X， TIAN M， QU L， et al. Multifunctional cotton fabrics with graphene/polyurethane coatings with far—infrared emission， electrical conductivity， and ultraviolet—blocking properties[J].Carbon，2015（95）：625-633.

[10] PINHO A C， PIEDADE A P. Zeta potential， contact angles， and AFM imaging of protein conformation adsorbed on hybrid nanocomposite surfaces[J].Acs Applied Materials & Interfaces，2013，5（16）：8187.

[11] ZHANG K， ZHANG Y， WANG S. Effectively decoupling electrical and thermal conductivity of polymer composites[J].Carbon，2013，65（6）：105-111.

[12] ZHANG K， WANG S. Thermal and electronic transport of semiconducting nanoparticle—functionalized carbon nanotubes[J].Carbon，2014，69（4）：46-54.