高普,孙燕霞,陈晓玲,皮婷婷,马辉

(嘉兴学院材料与纺织工程学院,浙江嘉兴314001)

在日常生活和生产中，由于机械仪器、摩擦作用产生的静电无法释放，产生电波干扰信号，这些静电作用使得工作服易沾染灰尘等固体小颗粒，给人们工作和生活带来不便，导电纤维的研究和发展也因此愈来愈受到研究者们的重视。导电纤维在工业、日常生活等领域中利用传导电子和电磁波而减少静电对生活的负面影响，手感柔软、具有耐久性，甚至在空气湿度低的环境中仍保持较好的抗静电性。目前制备成型的导电纤维主要应用于抗静电织物和抗电磁波辐射导电织物的研究与开发[1]。

石墨烯是一种二维层状、单原子厚度的碳单质，由SP2杂化的碳原子在二维平面上有序排列而成[2-3]，是一种新型碳纳米结构材料，具有独特、优异的电学、光学、热学、力学等方面的性能[2-5]，被称为“改变21世纪的神奇材料”[5-6]。张松林等[7-9]人以氧化石墨烯作为构筑单元，利用层层组装技术，制备了电磁屏蔽性能良好的聚吡咯/氧化石墨烯多层薄膜电磁屏蔽织物，探讨了组装不同层数的(PPY/GO)n多层膜电磁屏蔽织物的结构和屏蔽效能。随着层数增多，(PPY/GO)n多层膜含量增加，表面电阻降低，多层膜屏蔽效能提高，优于相同层数的(PPY)n多层膜。王涛[10]利用不同浓度的氨基聚醚改性有机硅乳液整理涤/锦超细旦针织原坯布，在规定条件下测试半衰期，随着氨基聚醚改性亲水有机硅抗静电整理剂浓度越高，涤/锦织物的抗静电效果越好，手感柔软，但黄变也越明显。冯云生等[11]人研究了聚醚磷酸酯两性表面活性剂对涤纶织物和锦纶织物的抗静电整理，结合阴离子抗静电P和阳离子抗静电剂 SN 整理，分析了抗静电整理效果及对织物性能的影响。所制备的聚醚磷酸酯两性表面活性剂具有良好的抗静电性能，对产生正或负电荷织物均具有良好的抗静电效果，整理后的织物物性、耐水洗性、亲水性均良好，抗静电剂与织物纤维结合牢固，织物不泛黄。

除了考虑导电纤维、纱线或面料的导电性能，如何提高包覆材料和基体的结合牢度，保持导电材料的耐久性，在洗涤摩擦使用后减少电导率的降低也是未来导电纤维需要努力的方向。本文将质量轻，原料易得的纳米级石墨烯层层组装到锦纶纱线上，对其表面形态、电、力学性能等进行测试和分析，并将石墨烯锦纶长丝织成织物测试其导电性和耐洗性，以期改善锦纶的导电性能，从而提高其产品附加值。具体技术路线见图1：

图1　技术路线图

1　实验

1.1　材料

石墨粉(中国医药集团总公司)、高锰酸钾、硝酸钠、浓硫酸、冰醋酸(3%)、水合肼(3%)、盐酸(分析纯，中国医药集团总公司)、锦纶纱线(72D/24F*2)。

1.2　仪器

JA203型分析电子天平(上海海康电子仪器厂)，DHG-9075A型上浆机(上海天呈仪器制造有限公司)，S-4800型扫描电子显微镜(日本日立(HITACHI))，IKA RCT basic型磁力加热搅拌器(广州仪科实验室技术有限公司)，DZF-6050型真空烘箱(上海一恒科学仪器有限公司)，UT61E型万能表(优利德集团有限公司)，LLY-06E/PC型长丝强力仪(莱州市电子仪器有限公司)，XQG75-B1286型全自动洗衣机(青岛海尔滚筒洗衣机有限公司)。

1.3　氧化石墨烯的制备

在搅拌均匀的浓硫酸和硝酸钠溶液中加入2g预氧化的石墨粉，搅拌均匀后加入高锰酸钾氧化，静置分层，下层物质经过酸洗、水洗后超声、离心得到氧化石墨烯，测得其浓度为0.7%。

1.4　石墨烯/锦纶材料的制备

利用上浆机将锦纶纱线在车速为8 r/min的条件下浸轧0.3%的醋酸溶液，在温度为60℃的烘干区烘干，得到预处理的锦纶纱线。

采用连续浸轧溶液的方法[12]，利用上浆机将氧化石墨烯层层组装到锦纶纱线上。锦纶纱线通过车速为8 r/min的上浆机导辊进入装氧化石墨烯的浸液槽，经导辊牵引进入烘干区，温度为60℃，分别浸渍1、3、5、7、9次。随后将干燥后的氧化石墨烯/锦纶纱线进行络筒以备后续试验使用。

将上述组装3次的氧化石墨烯/锦纶纱线织成织物，规格为长*宽=7.5cm*7.5cm，厚度d=1.289mm，再用浓度3%的水合肼在80℃下还原3小时得到石墨烯/锦纶织物。

将分别浸渍1、3、5、7、9次的氧化石墨烯锦纶纱线用浓度为3%的水合肼在80℃下还原3小时得到石墨烯/锦纶纱线，分别抽丝到不同组装次数的石墨烯/锦纶长丝。

1.5　性能测试

1.5.1锦纶长丝微观结构表征

利用日本日立(HITACHI) S-4800型扫描电子显微镜观察组装前后石墨烯/锦纶长丝的表面形态特征。

1.5.2导电性能测试

用UT61E型万用表测量分别组装1、3、5、7、9次的石墨烯/锦纶长丝、纱线以及织物的导电性能。取试样上不同区段测量电阻值R，并按下列公式计算体积比电阻ρ，每组试样测试10次，取平均值：

ρ=RS/L

式中L为长丝的长度，S为长丝的横截面积(在显微镜下读出长丝直径后计算)，R为长丝的电阻值。

对上述组装3次的石墨烯/锦纶织物用XQG75-B1286型全自动洗衣机进行耐水洗测试。40℃下漂洗10分钟，测量织物经向和纬向导电性能的变化，并按以下公式计算出体积比电阻ρ：

ρ=R*2*d/L

式中L为织物的长度，R为织物的电阻值，d为织物的厚度。

1.5.3断裂强力测试

将上述组装0、1、3、5、7、9次的石墨烯/锦纶长丝、纱线，分别使用LLY-06E/PC型长丝强力仪和纱线强力仪对上述试样进行强力拉伸断裂试验，其中长丝每组试样测试10 次，纱线每组试样测试5次，取平均值。

2　结果与分析

2.1　不同石墨烯组装层数的锦纶长丝微观形态分析

预处理锦纶长丝和石墨烯/锦纶长丝的SEM分析见图2。图2的A-F为经过乙酸预处理的锦纶长丝和分别组装了 1、3、5、7、9次石墨烯的锦纶长丝。图2A为乙酸预处理的锦纶长丝，在乙酸的作用下，纤维表面的油脂被洗去，将为石墨烯片更好地结合到纤维上提供前提条件。从图2B经过1次组装的石墨烯/锦纶长丝可以看出纤维表面开始有少量的石墨烯片层进行包覆，表明在现有工艺条件下，石墨烯片层可以有效地包覆到纤维上。而随着组装次数的增加(图2B-F)，石墨烯在纤维表面的引入率增加，且表现出良好的成膜性能。另外，锦纶长丝表面出现明显的斑纹，这是由于在烘干过程中，石墨烯片层间的应力导致其出现褶皱。

图2　各试样扫描电镜图

(A:预处理锦纶长丝；B:组装1次石墨烯的锦纶长丝；C:组装3次石墨烯的锦纶长丝；D:组装5次石墨烯的锦纶长丝；E:组装7次石墨烯的锦纶长丝；F:组装9次石墨烯的锦纶长丝)

2.2　导电性能测试

2.2.1长丝及纱线导电性能测试

测试还原后的石墨烯/锦纶长丝、纱线的电学性能，体积比电阻数据见图3。由图3可以看出，经过石墨烯组装后的锦纶长丝和纱线随着组装次数的增加，其体积比电阻也下降，其中最小电导率大于2×10ˉ3S/cm，说明经过石墨烯组装后的锦纶电导率均增大，具有良好的导电性。这是由于氧化石墨烯经过水合肼还原之后，含氧官能团发生了脱落，石墨烯的部分π键得以恢复，在锦纶纤维表面形成了石墨烯覆盖层，大大提高了其导电性。而纱线的导电性略差于单丝的导电性，这是由于纱线未加捻，在长丝簇的状态下，纱线中存在空气，使电阻增大，电导率下降。

(A)石墨烯/锦纶长丝体积比电阻

(B)石墨烯/锦纶纱线比电阻

2.2.2织物耐洗性能测试

将组装3次的氧化石墨烯/锦纶纱线织成织物，并利用3%的水合肼溶液还原得到石墨烯/锦纶织物，对织物进行多次水洗实验，并分别测试水洗前后织物的经向、纬向导电性能，该平纹织物为各向异性的织物，具体体积比电阻数据见图4。由图4可以看出，石墨烯/锦纶织物经向、纬向的初始电导率分别为2.12×10ˉ3S/cm和3.88×10ˉ2S/cm，经过一次洗涤后，经向和纬向的表面比电阻增大，导电性性能下降幅度较大，随着洗涤次数的增加，织物的体积比电阻上升幅度较小，5次水洗后经向、纬向仍分别能达到8.89×10-4S/cm和1.95×10-3S/cm，具有良好的电导率，且经向的变化幅度要大于纬向的变化幅度，纬向的导电性大于经向的导电性。说明处理后的织物具有良好的导电性和一定的耐洗性能，这是由于锦纶纤维表面的氨基、羧基等极性基团在还原过程中与氧化石墨烯形成共价结合，可提高其耐洗性。

图4　石墨烯/锦纶织物经耐水洗导电性能测试

2.3　断裂强力测试

对不同组装次数的石墨烯/锦纶长丝及纱线进行断裂强力测试，具体数据见图5。由图5(A)可以看出，预处理石墨烯/锦纶长丝起始强度为19.25 cN/tex，随着组装次数的增加，石墨烯锦纶长丝的断裂强度均有所下降，最小下降至15.83 cN/tex。从图5(B)可知石墨烯/锦纶纱线的断裂强力下降幅度随着组装次数的增加先快后慢，即经过石墨烯片层包覆后，锦纶长丝和纱线的力学强力都略有损失，损失率分别为17.7%和8.2%，处于可接受范围。强力下降的主要原因是氧化石墨烯具有一定的酸性，在整理到纤维表面时，对于锦纶表面的酰胺键具有一定的水解作用，促使最终纤维的力学强力下降；另外，在对氧化石墨烯包覆的锦纶纤维进行还原处理时，使用的碱剂也会对酰胺键产生水解作用，降低了纤维强力。

(A) 石墨烯/锦纶长丝断裂强力

(B) 石墨烯/锦纶纱线断裂强力

3　结论

本文利用石墨烯对锦纶纱线进行层层组装，制备了不同组装次数的石墨烯/锦纶长丝和纱线，研究了石墨烯/锦纶长丝的微观形态、导电性、断裂强力以及织物的耐水洗性能。结果表明本文探索的工艺能有效地将石墨烯整理到锦纶纱线上，且能大大增强锦纶纤维的导电性。其编织成的锦纶织物也有较好的电导率，并且织物的耐水洗性能也较好；与常规锦纶长丝、纱线相比，经石墨烯处理的锦纶长丝、纱线的断裂强力有所降低，但强力损失率小于20%，仍具有使用价值。本次研究为锦纶纤维的改性方法提供了一定的借鉴，研究结果将为柔性导电织物的开发和研究以及锦纶织物应用领域的进一步扩展提供一定的研究基础和理论指导意义。

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