纯棉织物石墨烯染色工艺探讨及性能研究
周杰1a，高普1b，马辉1a, 2，罗秋兰*1b
（1. 嘉兴学院 a.材料与纺织工程学院，b. 南湖学院, 浙江嘉兴 314001；2. 华纺股份有限公司，山东滨州 256617）摘要
近些年来，柔性可穿戴的智能纺织品受到了国内外学者的广泛关注。作为智能纺织品的核心材料—导电织物，是目前的研究热点。通过一种简单、有效的方法，采用氧化石墨烯分散液对棉织物进行染色，然后用水合肼还原，得到了导电性能优异的纯棉织物，实现了染色-功能一浴化整理。通过分析不同染色浓度、pH值、染色时间对纯棉织物染色K/S值（表示织物的染色深度，K表示被测物体的吸收系数，S表示被测物体的散射系数）的影响，得出最佳的染色工艺为染色浓度10%、染色时间90 min、pH 10。此外，对最佳工艺下染色后纯棉织物的耐水洗、耐摩擦以及耐弯折电学性能和抗紫外线性能进行了表征，结果表明，织物在水洗50次、摩擦1000次、弯折1000次后，仍具有优异的耐水洗-电学稳定性、耐摩擦-电学稳定性与耐弯折-电学稳定性；石墨烯染色的纯棉织物具有非常优异的抗紫外性能，紫外线防护系数UPF值高达143.23，远远超过ASTM D6603-2012标准。
引言 近年来，随着移动互联网和智能终端的快速发展，柔性可穿戴电子产品呈现出巨大的市场前景。作为核心部件之一的导电织物，以其优良的导电性、良好的柔韧性、延展性、可自由弯曲甚至折叠、使用舒适性以及多功能集成等特点已经成为人们关注的热点[1, 2]，激发了国内外研究人员对智能面料的研究和开发。目前，柔性织物传感器的优势使其具有非常广泛的应用前景，如医疗电子、生物医药、环境监测和航空航天等领域[3, 4]。这种类型的织物传感器通常是在柔性基底上采用包括浸渍干燥、旋涂、喷涂、喷墨印刷等表面涂覆具有导电性能的介质或导电聚合物进行加工[5]，常用的导电聚合物或导电填料包括聚苯胺[6]、聚吡咯[7]、碳黑[8]、碳纳米管[9]、石墨烯[10]和金属氧化物[11]等。 其中，石墨烯由于其优异的导电性能和对环境的友好性，成为开发柔性和可穿戴织物传感器的最佳材料，已广泛应用于织物涂层，生产功能纱线和多功能纺织品[12, 13]。Cai等[14]和Tian等[15]均制备了氧化石墨烯（GO）/棉功能性织物，前者采用传统的“浸渍-干燥”的方法，后者通过静电层自组装方法将GO和壳聚糖（CS）沉积在棉织物上，结果表明，两种方法均可以制得具有良好导电性、表面疏水性和紫外线防护性能的棉织物。此外，赵洪涛等[16]采用氧化石墨烯作为前驱体，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，结果表明，该方法制备出的复合织物具有优良的导电、导热和紫外防护性能。然而，采用热压方式还原会损害织物的力学性能，对于条件温和的绿色还原方法有待进一步讨论。我们团队前期已通过自组装方法在粘胶纤维表面涂覆氧化石墨烯，成功制备了导电粘胶纱线[17]，以及具有优秀导电性和良好疏水性的氧化石墨烯涂层粘胶织物[18]。其研究结果可为柔性导电产品的设计与制备提供一定的理论依据。 总之，目前大部分研究工作主要是将石墨烯组装在纤维的表面，虽然赋予了织物优异的功能性，但是在使用稳定性方面存在一定的应用局限性。采用石墨烯染色的方式，可使石墨烯进入到纤维内部，解决使用过程中的性能稳定性问题，是一种非常好的开发方法。然而，国内外对于石墨烯染色的相关研究鲜有报道。基于此，本文开发了一种简单、高效的石墨烯染色方法，通过研究不同染色工艺对对染色棉织物的染色效果和多次耐水洗、耐摩擦和耐弯折电学稳定性能的影响，并对染色后纯棉织物的导电性能和抗紫外线性能进行了表征。 目录 1 实验部分 1.1 主要仪器与试剂 1.2 实验方法 1.2.1 氧化石墨烯的制备 1.2.2 纯棉织物的染色 2 结果与讨论 2.1 染色浓度对纯棉织物染色K/S值的影响 图1 不同染色浓度的织物K/S值 Fig.1 K/S Value of cottonfabrics with different dyeing concentrations 2.2 染色时间对纯棉织物染色K/S值的影响 Fig.2 K/S Value ofcotton fabrics with different dyeing times 2.3 染色pH值对纯棉织物染色K/S值的影响 Fig.3 K/S Value ofcotton fabrics with different dyeing pH values 2.4 最佳工艺条件下染色棉织物的导电性能 2.4.1 染色棉织物的耐水洗电学性能 Fig.4 Washing electrical propertiesof cotton fabrics with different washing times 2.4.2 染色棉织物的耐摩擦电学性能 Fig.5 Friction electrical propertiesof cotton fabrics with different friction times 2.4.3 染色棉织物的耐弯折电学性能 Fig.6 Bending electrical propertiesof cotton fabrics with different bend times 2.5 最佳工艺下棉织物的抗紫外线性能 3 结论
图2 不同染色时间的织物K/S值
图3 不同染色pH值织物的K/S值
图4 不同水洗次数的织物耐水洗电学稳定性
图5 不同摩擦次数的织物耐摩擦电学性能
图6 不同弯折次数的织物耐弯折电学性能
结论
本文以染色的方式，通过采用氧化石墨烯分散液对棉织物进行染色，然后用水合肼还原，得到了导电性能优异的纯棉织物，实现了染色-功能一浴化整理。通过分析不同染色浓度、染色时间和染色pH值对棉织物染色K/S值的影响，得到最佳的染色工艺为染色浓度10%、染色时间90 min、pH10。在最佳染色工艺下，可以制备具有优异导电性能和耐水洗、耐摩擦、耐弯折-电学稳定性的棉织物。在最佳染色工艺下，石墨烯染色后的纯棉织物具有非常优异的抗紫外线性能。 这种染色-功能化处理方式，不仅加工成本低，流程短，而且不会影响棉织物的透气和穿着舒适性，利用石墨烯对纯棉织物进行染色，并赋予其功能性的策略，可为后续设计与制备柔性可穿戴功能性织物的生态化工艺开辟新的路径。
