多功能导电石墨烯纺织品的制备

2022-01-09智一帆郑建成樊高晴魏玉娟

印染助剂 2021年12期

智一帆，左鑫，许佳，郑建成，樊高晴，魏玉娟

（河北科技大学纺织服装学院，河北石家庄 050018）

随着科学技术水平的进步，智能化纺织品已成为当今纺织品的开发主流［1-2］。智能化纺织品就是通过直接或间接的方法将功能材料与纺织品相结合［3］。在智能纺织品研究中，多功能导电织物的研究占据较大比重［4-5］。作为新型二维纳米结构材料［6］，石墨烯具有强度高、结构稳定、柔韧性良好等特征。通过浸渍（或涂层）石墨烯的方法可赋予织物优异的导电、导热、防紫外线、抗静电等性能［7-10］。其中，将氧化石墨烯吸附于纤维素纤维表面，再进行原位还原是制备石墨烯基功能化织物的最适方法［11-12］，最终得到的织物导电性介于金属丝和绝缘材料之间，为电热纺织品的开发提供了很好的契机，是传统金属丝电发热柔性复合材料的优良替代物［13-14］。制备石墨烯基电发热纺织品的关键在于控制其导电性。本研究利用浸渍法将GO 整理到棉织物上得到氧化石墨烯棉织物（GO/棉织物），再将GO/棉织物原位还原制备得到rGO/棉织物。探讨GO 整理液的超声时间、质量浓度、助剂添加和还原剂对rGO/棉织物导电性能的影响。对优化工艺下rGO/棉织物的感应耐久性、耐水洗性、紫外防护性能和疏水性能进行综合评价。

1 实验

1.1 材料

纯棉平纹织物，氧化石墨烯（GO，七台河宝泰隆石墨烯新材料有限公司），氯化钠（分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司），无水碳酸钠（分析纯，天津市致远化学试剂有限公司），渗透剂JFC（99%，山东优索化工科技有限公司），保险粉、水合肼（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）。

1.2 仪器

HZK-FA210 电子天平（福州华志科学仪器有限公司），101-0 电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司），HH 数显恒温水浴锅（常州国宇仪器制造有限公司），152-1TREK 表面电阻测试仪（TREK，INC），JC2000D1 接触角测量仪（上海中晨数字技术设备有限公司），YG（B）912E 纺织品防紫外性能测试仪（温州大荣纺织仪器有限公司），QTR6150-149 实验室超声波清洗机（天津市瑞普电子仪器厂），LS-POP（9）激光粒度分析仪（珠海欧美克仪器有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 GO 整理液的制备

取一定量GO 分散到50 mL 水中，将分散液置于超声波清洗机进行超声分散。

1.3.2 GO/棉织物的制备

将棉织物裁成10 cm×10 cm 方形，水洗烘干后置于GO 整理液中浸渍处理30 min（浴比1∶50），水洗，60 ℃预烘10 min，130 ℃焙烘3 min，再次浸入GO 整理液处理，水洗、预烘、焙烘，每次浸渍处理前都将整理液超声分散1 h，重复此过程直至GO 整理液被全部消耗，最后105 ℃烘干4 h，得到GO/棉织物。

1.3.3 rGO/棉织物的制备

配制还原处理液（保险粉4 g/L），调节pH 至10～11，添加3滴渗透剂JFC，将GO/棉织物浸入其中90 ℃处理45 min（浴比1∶50），水洗后置于105 ℃电热鼓风干燥箱中干燥4 h，得到rGO/棉织物。

1.4 测试与表征

1.4.1 电学性能

按照ANSI/ESD-STM 4.1 标准，使用表面电阻测试仪搭配重锤式点对点探头测量织物的表面电阻（电压为10 V，量程103～1013Ω），每个样品测量3 次，取平均值。

1.4.2 感应性能

将万用表外接两条导线，导线连接金属夹置于10 cm×10 cm 布样的两条对边上，在（25±2）℃、相对湿度不超过65%的环境下测量织物方阻，记录待测样品反复弯折不同次数后方阻的变化，以表征织物的感应耐久性。

1.4.3 耐水洗性能

按照GB/T 12490—2014《纺织品色牢度试验耐家庭和商业洗涤色牢度》，用耐洗色牢度实验机对织物进行不同次数的水洗。按照AATCC 76—2005Elec⁃trical Surface Resistivity of Fabrics，使用M-3 型手持式四探针测试仪测量织物方阻（量程0.05～100.00 kΩ）。利用方阻的变化程度评价织物的耐水洗牢度。

1.4.4 紫外线防护性能

按照AATCC 183—2004《紫外辐射通过织物的透过和阻挡性能》进行测试：将每个样品随机选取3个不同测试点置于纺织品防紫外性能测试仪上，记录紫外线A 波段透射比T（UVA）、紫外线B 波段透射比T（UVB）、紫外线防护系数UPF 值，统计实验数据，取平均值。

1.4.5 表观形貌

使用TM-3000 型台式扫描电子显微镜进行观察分析。

1.4.6 疏水性能

使用接触角测量仪进行测试：将样品平铺在样品台上，记录5 μL 液滴在织物上稳定存在时的接触角。每个样品选取3个点测试，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 超声时间对GO 粒径的影响

在石墨层间隙插入含氧官能团就可以形成GO，石墨烯具有疏水性，而GO 中的含氧官能团可以提高亲水性以及与纤维素纤维结合的能力。GO 颗粒粒径是影响其与纤维素纤维结合的主要因素，粒径越小越容易与纤维素纤维结合。

由图1 可知，当超声时间为20、40 min 时，粒径大小主要分布在9.120 μm 左右，随着超声时间延长至60 min 时，粒径减小至4.472 μm，此后粒径大小不再随超声时间延长而改变。当超声时间为60 min 时，粒度分布形成一个较为集中的单峰，分散效果良好。本着减少能耗的原则，超声时间选择60 min。

图1 超声时间对GO 粒径的影响

2.2 影响rGO/棉织物导电性能的因素

2.2.1 GO 整理液配方

配方1：GO 粉体4 g/L，浴比1∶50；配方2：GO 粉体4 g/L，氯化钠10 g/L，无水碳酸钠10 g/L，渗透剂JFC 3滴，浴比1∶50。

由表1 可以看出，当使用水合肼作为还原剂时，保持其他处理条件不变，样品1、2 电学性能存在明显差异：使用配方1、2 处理的rGO/棉织物表面电阻分别为1.80×103、6.77×104Ω，样品1 的表面电阻明显小于样品2，表明配方1 整理的棉织物导电性能较好。同样，使用保险粉作为还原剂时，配方1、2 处理的棉织物表面电阻分别为小于103Ω 和1.39×104Ω，样品3的表面电阻明显小于样品4，表明配方1 整理的棉织物导电性能较好。

表1 GO 整理液配方对rGO/棉织物导电性能的影响

由此可见，无论是使用水合肼还是保险粉作为还原剂，配方1 的处理效果均优于配方2，2 种配方整理效果优劣不受还原剂种类影响，所以GO 整理液选用不添加助剂的配方1。

2.2.2 GO 质量浓度

由表2 可看出，随着GO 质量浓度增加，rGO/棉织物表面电阻逐渐减小，5 g/L 时表面电阻已经小于103Ω，导电性能良好，所以GO 质量浓度选用5 g/L。

表2 GO 质量浓度对rGO/棉织物导电性能的影响

2.2.3 还原剂种类

由表3 可知，采用水合肼和保险粉作为还原剂还原后，rGO/棉织物的表面电阻分别为2.59×103Ω 和小于103Ω。从表面电阻大小来看，保险粉处理的织物表面电阻较小，织物导电性能优良。保险粉的还原效果优于水合肼，所以还原剂优先选用保险粉。

表3 还原剂种类对rGO/棉织物导电性能的影响

2.3 感应耐久性

由图2 可以看出，rGO/棉织物在弯折不同次数后方阻没有较大变化。弯折20 次以内，方阻均呈上升趋势，20次以后方阻几乎不变，弯折50次时方阻较未弯折时提高4.12%。弯折不会对rGO/棉织物的感应性能产生明显影响，表明rGO 与棉织物结合牢度很好且具有良好的感应耐久性。

图2 弯折次数对rGO/棉织物方阻的影响

2.4 耐水洗性

由图3 可以看出，水洗不同次数后，rGO/棉织物的方阻较为稳定，略有提高。水洗可使附着在棉织物表面且结合力不高的rGO 与棉织物分离，导致织物导电性下降。水洗3 次后，rGO/棉织物的方阻由9.158 kΩ-cm/□增加至10.147 kΩ-cm/□，仅提高10.8%，rGO/棉织物仍具有较高的导电性。因此rGO 与棉织物之间存在良好的结合力，能够抵挡水洗的作用，且rGO 结合在纤维上具有持久的功能特性。

图3 水洗次数对rGO/棉织物方阻的影响

2.5 紫外线防护性能

由表4 可以看出，GO 经过还原后可以吸收能量较高的短波紫外线，并转化成其他形式的能量释放出来，还可以反射长波紫外线。通过GO 浸渍还原整理的棉织物在紫外线A 波段透射比T（UVA）的平均值为0.473%，紫外线B 波段透射比T（UVB）的平均值为0.240%，透射比均较小，表明rGO/棉织物对紫外线具有一定的屏蔽作用。紫外线防护系数也达到了50+，因此rGO/棉织物具有优异的紫外线防护性能。