石墨烯导电蓄热面料的整理工艺

马正宏，王正球

[东丽酒伊织染（南通）有限公司，江苏 南通 226007]

涂层整理可以丰富面料的功能性，在原有普通涂层面料的基础上增加高导电及蓄热功能，可以运用于户外领域，应对干燥、寒冷等恶劣的户外运动气候。同时，石墨烯的远红外蓄热性可以抵御冬天的寒冷，可以利用自身的远红外持续循环。石墨烯材质可以吸收人体释放的辐射热，并进行相应的转换释放出热量。但是，由于石墨烯层间存在较强的范德华力，石墨烯在普通有机溶剂中分散性差，进而影响石墨烯在复合物基材中的相容性和分散性，影响胶水的性能。为了解决石墨烯在复合物基材中的相容性和分散性问题，本研究通过石墨烯涂层水溶性乳液的制备，增强其与聚合物的相容性。其中，石墨烯涂层胶水的组分配比参照以下质量份数：水性脂肪族聚氨酯乳液70～80份，水性石墨烯乳液20～30份，交联剂5～10份，水5～10份，丙烯酸盐聚合物1～3份。其中，水性脂肪族聚氨酯乳液的含固量为50%，石墨烯质量分数为30%～50%。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

织物：100%涤纶梭织面料，克重分别为30、160、250 g/m2。

助剂：水性脂肪族聚氨酯乳液（FS8008）、交联剂（DF810）、丙烯酸盐聚合物（HP10），来自辽宁恒星化学品有限公司；水性石墨烯乳液（GF017），来自江苏长江新材料有限公司；水（H2O）。

仪器：摩擦带电压测试仪（EC-3N2053）、半衰期测试仪（H-0110，INTEC Co. Ltd.）；蓄热测试仪（PRF500W/D，灯管功率为500 W）；温度传感器。

1.2 整理方法

工艺流程：精炼—预定型—染色—水洗干燥—浸轧树脂—焙烘—压光—涂层—整理定型。

1.2.1 石墨烯水溶性剂制备

石墨烯涂层胶是通过在水性涂层材料中加入一定量的水性石墨烯乳液，采取高速搅拌的方式制备出石墨烯涂层胶。具体制备过程：边搅拌边依次加入水性脂肪族聚氨酯乳液、水性石墨烯乳液、交联剂、水、丙烯酸酯聚合物，搅拌速度为500～700 r/min，搅拌时间为25～30 min，复配制成石墨烯涂层胶[1]。

1.2.2 面料表面防泼水处理

涂层面料表面防泼水处理的工艺如下：防水剂质量浓度为40.0～80.0 g/L不含氟元素；经过2浸1轧后，面料的带液量为50%～70%，防水处理的烘干温度为120～140 ℃，烘干时间为2～4 min；焙烘温度为160～180 ℃，焙烘时间为40～60 s；防泼水性能在90分以上，洗涤5回后，防泼水性能在80分以上。

1.2.3 精炼

采用质量浓度为20.0～30.0 g/L的烧碱、质量浓度为2.0～5.0 g/L的表面活性剂、质量浓度为0.5～2.0 g/L的螯合分散剂，在95 ℃环境下热处理后，再在70～80 ℃条件下充分水洗。

1.2.4 预定型

将烘干后的织物放在定型机上进行预定型，焙烘温度为160～180 ℃，焙烘时间为40～50 s。

1.2.5 染色

将经过预处理的织物放在染色机中进行染色，采用质量浓度为0.5～2.0 g/L的浴中柔软剂、质量浓度为0.5～2.0 g/L的分散剂、质量浓度为1.5～3.0 g/L的酸、质量浓度为1.5～3.0 g/L的渗透剂，加入染料，在130～135 ℃下均匀染色，保温时间为30～50 min，然后采用质量浓度为0.5～3.0 g/L的还原清洗剂、质量浓度为1.0～2.0 g/L的皂洗剂，在70～80 ℃环境下充分还原清洗。

1.2.6 水洗干燥

在70～80 ℃下，连续用温水水洗，将车速控制在40～60 m/min。首先，将织物经过红外线加热板预烘，烘干时间为5～8 s；其次，通过滚筒烘干，滚筒表面温度为110～120 ℃，烘干时间为50～60 s。

1.2.7 浸轧树脂

将织物浸泡在树脂液中2～6 s之后，通过尼龙压辊进行轧压，轧辊压力为0.3～0.4 MPa，对不同织物的轧余率为35%～70%，采用质量浓度为40.0～80.0 g/L的防水剂，其中不含氟元素。经过2浸1轧后，面料的带液量为50%～70%，防水处理的烘干温度为120～140 ℃，烘干时间为2～4 min；焙烘温度为160～180 ℃，烘干时间为40～60 s；防泼水性能在90分以上，洗涤5回后的防泼水性能在80分以上。

1.2.8 焙烘

将烘干后的织物放在定型机上进行焙烘，焙烘温度为160～180 ℃，焙烘时间为40～60 s。

1.2.9 压光

采用两辊压光机，压光温度为160～170 ℃，车速为30～40 m/min，压力为50～60 kgf（1 kgf≈9.8 N），对织物反面进行压光处理。

1.2.10 涂层

采用的石墨烯涂层胶的组分配比参照以下质量份数：水性脂肪族聚氨酯乳液70～80份，水性石墨烯乳液20～30份，交联剂5～10份，水5～10份，丙烯酸盐聚合物1～3份。其中，水性脂肪族聚氨酯乳液的含固量为50%，石墨烯质量分数为30%～50%，胶黏度为8 000～15 000 mPa·s，通过在水性涂层材料中加入一定量的水性石墨烯乳液，采取高速搅拌的方式制备出石墨烯涂层胶；使用圆口的涂层刮刀，对运行中的面料涂附一定量的胶，再通过烘箱干燥，使面料和石墨烯涂层胶相结合[2-3]。

1.2.11 整理定型

将烘干后的织物放在定型机上进行焙烘，焙烘温度为160～170 ℃，焙烘时间为40～50 s。

1.3 性能测试

1.3.1 导电性

按标准JIS L 1094—2014测定摩擦带电压。

1.3.2 蓄热性

按标准GB/T 18319—2001测定。具体方法如下：将设备调温至50 ℃预置1 h，将需测试的织物放在温度为20 ℃、湿度为65%的环境中调湿12 h，然后进行温差测试；将面料放在温度为20 ℃、湿度为65%的环境中调湿12 h，设备预热1 h。

1.3.3 抗菌性

采用标准GB/T 20944.3—2008中的振荡法，按照家用双桶洗衣机洗涤方法洗涤50次。

2 结果与讨论

2.1 涂层胶水中石墨烯质量分数对织物性能的影响

参考1.2，使用不同石墨烯质量分数、上胶量为15 g的涂层胶水对织物进行处理。

涂层胶水中石墨烯质量分数对织物性能的影响如表1所示。由表1可知，涂层胶水中的石墨烯质量分数在30%～50%的情况下，摩擦带电压及蓄热性达到理想状态。

表1 涂层胶水中石墨烯质量分数对织物性能的影响

2.2 石墨烯质量分数为30%时涂层胶上胶量对织物性能的影响

涂层胶上胶量（干重）对织物性能的影响如表2所示。由表2可知，当胶黏度在8 000～15 000 mPa·s时，摩擦带电压及蓄热性较好。

表2 涂层胶上胶量（以干重）对织物性能的影响

2.3 石墨烯涂层品的导电性

普通涂层面料和石墨烯涂层面料的涂层面对比如图1所示。由图1可知，石墨烯涂层品具有强导电性。

图1 普通涂层面料涂层面（左）和石墨烯涂层面料涂层面（右）

2.4 普通涂层品与石墨烯涂层品的蓄热性能对比

普通涂层品与石墨烯涂层品的蓄热性能对比如图2所示。由图2可知，在相同温度、湿度下，石墨烯涂层的蓄热性比普通涂层高2～3 ℃。

图2 普通涂层品与石墨烯涂层品的蓄热性能对比

2.5 石墨烯涂层品的抗菌性

石墨烯涂层品的抗菌性如表3所示。由表3可知，石墨烯涂层品具有优越的抗菌性能。

表3 石墨烯涂层品的抗菌性

3 结论

（1）将石墨烯制成水溶性乳液，增强其与聚合物的相容性，减少其自身团聚，可解决石墨烯在复合物基材中的相容性和分散性问题。

（2）石墨烯涂层品具有良好的导电性。

（3）在涂层胶水中石墨烯质量分数为30%～50%的情况下，其摩擦带电压及蓄热性达到最佳状态。

（4）在涂层胶上胶量（干重）为15～20 g/m2的情况下，其摩擦带电压及蓄热性达到最佳状态。

（5）石墨烯涂层品具有良好的抗菌性。

（6）石墨烯涂层在原有普通涂层面料的基础上增加了高导电及蓄热功能，适用于干燥气候，同时，石墨烯的远红外蓄热性还可以抵抗冬季的寒冷。石墨烯面料的保温性能区别于一般面料，可以利用自身的远红外持续循环。石墨烯材质可以吸收人体释放的辐射热并进行相应的转换释放出热量，让人们在穿着相关服装时可以真切地感受到前沿科技带来的舒适。