氧化石墨烯對丙綸非織造布抗靜電改性研究

大連工業(yè)大學紡織與材料工程學院， 遼寧 大連 116034

日常生活中，很多材料在使用時會形成并積累靜電，造成吸塵、電擊，甚至產(chǎn)生火花引發(fā)爆炸等惡性事故。因此，為解決由靜電引起的損害問題，制備抗靜電材料成為了研究的熱點[1]。丙綸非織造布是近年非織造行業(yè)發(fā)展最快的一種材料[2]，其拉伸強度高，耐磨損性和透氣性好，且價格低廉，主要被用于一次性醫(yī)用布、人造革基布和擦潔布等產(chǎn)品。但丙綸分子鏈中存有弱極性分子結(jié)構(gòu)，其由共價鍵所構(gòu)成的分子鏈既不能電離也難以傳遞自由電子，故摩擦產(chǎn)生的自由電子易集聚且很難消除，進而產(chǎn)生了靜電荷，這在一定程度上限制了丙綸的應用[3]。氧化石墨烯(GO)是一種新興的納米碳材料，其表面含有大量的含氧官能團，具有親水性，能吸取大量的水分子[4]。近年來，已有多名研究者[5-6]利用氧化石墨烯制備抗靜電織物。

本文利用氧化石墨烯對丙綸非織造布進行抗靜電改性，并對改性前后的丙綸非織造布進行性能測試及表征。

1 試驗

1.1 試驗材料與儀器

丙綸非織造布，面密度為30 g/m2，大連瑞光非織造布集團有限公司生產(chǎn)；氧化石墨烯，純度(質(zhì)量分數(shù))為99.0%，唐山簡化科技發(fā)展有限責任公司生產(chǎn)；氫氧化鈉(分析純)、過氧化氫(分析純)、可溶性淀粉(分析純)，天津市密歐化學試劑有限公司生產(chǎn)；乙酸酐(分析純)、氯乙酸(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；乙醇(分析純)，天津市光復科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；去離子水，試驗室自制。

PTT-A+200電子天平，福州華志科學儀器有限公司生產(chǎn)；FS-750T超聲波處理器，上海聲析超聲儀器有限公司生產(chǎn)；SHZ-82水浴恒溫振蕩儀，金壇市成輝儀器廠生產(chǎn)；702-6型電熱鼓風箱，大連實驗設(shè)備廠生產(chǎn)；織物摩擦式靜電測試儀，萊州市電子儀器有限公司生產(chǎn)；TH-8102S伺服電腦式萬能材料試驗機，蘇州拓博機械設(shè)計有限公司生產(chǎn)；JEM-2100(UHR)透射電子顯微鏡、JSM-7800F場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 改性丙綸非織造布的制備

(1) 將尺寸為30 cm×30 cm的丙綸非織造布試樣放入質(zhì)量分數(shù)為30.0%的過氧化氫溶液中，并一起放入水浴恒溫振蕩儀(溫度70 ℃、時間2 h)，取出丙綸非織造布試樣并浸泡于20 mL的乙酸酐溶液中(時間30 min)；

(2) 取可溶性淀粉(5 g)、氯乙酸(5 g)和不同質(zhì)量的氧化石墨烯，配置成100 mL不同氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)的溶液，超聲分散10 min，滴入數(shù)滴濃度為0.1 g/mL的氫氧化鈉溶液，再將經(jīng)步驟(1)處理的丙綸非織造布試樣放入其中，煮沸30 min，并不斷攪拌；

(3) 取出丙綸非織造布試樣，利用去離子水進行漂洗，再將漂洗干凈的丙綸非織造布放入80 ℃的電熱鼓風箱中進行烘干，即得改性丙綸非織造布。

1.2.2 測試及表征

1.2.2.1 透射電子顯微鏡(TEM)測試

試樣準備：稱取少量氧化石墨烯溶于乙醇溶液中，利用超聲波振蕩分散，使氧化石墨烯充分溶解并均勻分散于溶劑乙醇中。

使用JEM-2100(UHR)透射電子顯微鏡，對氧化石墨烯進行微觀組織形貌分析。

1.2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)測試

試樣準備：取某一氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)改性的丙綸非織造布進行SEM測試，被測試樣表面需先經(jīng)噴金處理。

利用JSM-7800F場發(fā)射掃描電子顯微鏡，對改性前后的丙綸非織造布微觀形態(tài)進行分析。

1.2.2.3 抗靜電性能

試樣準備：將改性前后的丙綸非織造布試樣放入50 ℃的烘箱中烘干一定時間，然后隨機各取80 mm×40 mm的試樣16塊(每種試樣4塊為1組，多次測量，結(jié)果取平均值)，在溫度(20±2)℃、相對濕度(35±5)%的環(huán)境下放置24 h，且不得污損。

參照GB/T 12703.5—2010《紡織品 靜電性能的評定 第5部分：摩擦帶電電壓》[7]，對改性前后的丙綸非織造布進行抗靜電性能測試。

1.2.2.4 力學性能

試樣準備：剪取尺寸為50 mm×250 mm的改性前后的丙綸非織造布試樣，并在標準大氣條件下調(diào)濕4 h。

參照GB 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測試(條樣法)》[8]，對改性前后的丙綸非織造布進行拉伸強度、楊氏模量及斷裂伸長率的測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯TEM分析

圖1是加速電壓為200 kV時，不同放大倍率下的氧化石墨烯的TEM照片。從圖1可以看出，氧化石墨烯邊緣帶有褶皺結(jié)構(gòu)，原因與氧化石墨烯的片層很薄有關(guān)。利用宏觀動力學分析發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的彎曲和褶皺結(jié)構(gòu)使得其二維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；利用微觀動力學分析發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的特殊褶皺結(jié)構(gòu)導致了氧化石墨烯比表面積增加[9]。

(a) 放大倍率為25 000

(b) 放大倍率為40 000

2.2 改性前后的丙綸非織造布

2.2.1 SEM分析

圖2分別是改性前后的丙綸非織造布放大500倍的SEM照片。從圖2可以看出，改性后丙綸非織造布的表面較改性前丙綸非織造布粗糙。改性前丙綸非織造布纖維表面光滑無凸起，改性后丙綸非織造布纖維表面出現(xiàn)了溝槽和凹坑，表面有明顯的刻蝕痕跡，且有微小凸起，這是氧化石墨烯附著在丙綸非織造布纖維表面的結(jié)果。

(a) 改性前

(b) 改性后

2.2.2 抗靜電性能分析

圖3反映了氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)對丙綸非織造布抗靜電性能的影響：隨著氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加，改性后丙綸非織造布的摩擦電壓先減小后增大，即抗靜電性能先提高后下降。當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.8%時，氧化石墨烯附著于丙綸非織造布表面較少，改性后丙綸非織造布的摩擦電壓有明顯降低，但摩擦電壓數(shù)值仍較大；當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)為1.2%時，附著于丙綸非織造布表面的氧化石墨烯增多，此時能夠形成較多的導電網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故改性后丙綸非織造布的摩擦電壓數(shù)值達到最小，抗靜電性能達到最佳，該氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)即為臨界質(zhì)量分數(shù)；當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)超過1.2%時，改性后丙綸非織造布的摩擦電壓不減反增，即抗靜電性能沒有提高反而下降，這可能與此時的氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)增大，它們在丙綸非織造布表面的分布均勻性變差、團聚變多，進而導致形成的導電網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變少有關(guān)。

圖3 氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)對丙綸非織造布摩擦電壓的影響

因此，只有保證氧化石墨烯在一定的質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)，并均勻分散在丙綸非織造布表面，改性丙綸非織造布的抗靜電性才能隨著氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加而提高。

2.2.3 力學性能分析

圖4分別反映了氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)對丙綸非織造布力學性能的影響。改性前丙綸非織造布的拉伸強度為0.192 MPa、楊氏模量為0.777 MPa、斷裂伸長率為43.789%；改性后丙綸非織造布的拉伸強度最大為0.222 MPa、楊氏模量最大為1.100 MPa、斷裂伸長率最小為30.117%：這表明氧化石墨烯對丙綸非織造布的力學性能有顯著的增強作用。

(a) 拉伸強度

(b) 楊氏模量

(c) 斷裂伸長率

但高質(zhì)量分數(shù)氧化石墨烯的加入沒有明顯提高丙綸非織造布的力學性能：

(1) 當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)較低時，改性后丙綸非織造布的拉伸強度隨著氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯增強；當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)達到1.2%時，改性后丙綸非織造布的拉伸強度達到最大值；當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)高于1.2%時，改性后丙綸非織造布的拉伸強度呈現(xiàn)出略有下降的趨勢，其中當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)達到1.6%時，改性后丙綸非織造布的拉伸強度依然高于改性前丙綸非織造布。

(2) 當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)較低時，改性后丙綸非織造布的楊氏模量隨著氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯增長。其中，當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，改性后丙綸非織造布的楊氏模量低于氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.8%時的楊氏模量，原因可能是少量的氧化石墨烯團聚損害了氧化石墨烯與基體之間的界面作用力所致。當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加至1.6%時，均勻分散的氧化石墨烯的比例增加，促進了界面作用力，楊氏模量增加。

(3) 當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為0.8%時，改性后丙綸非織造布的斷裂伸長率最低；當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)大于0.8%時，改性后丙綸非織造布的斷裂伸長率逐漸增大，其中當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)增至1.6%時，改性后丙綸非織造布的斷裂伸長率達到最大，但依然低于改性前丙綸非織造布。

總之，相較于改性前丙綸非織造布，改性后丙綸非織造布力學性能的提高與氧化石墨烯在丙綸非織造布表面的分散性好有關(guān)。但當氧化石墨烯添加過多時，氧化石墨烯易發(fā)生團聚，產(chǎn)生力學弱節(jié)，進而會降低改性后丙綸非織造布的力學性能。

3 結(jié)論

通過對丙綸非織造布進行抗靜電改性整理，并對其進行相關(guān)測試：

(1) TEM照片顯示，氧化石墨烯邊緣帶有褶皺結(jié)構(gòu)。

(2) SEM照片顯示，改性后丙綸非織造布纖維表面出現(xiàn)了溝槽和凹坑，且有微小凸起，這是氧化石墨烯附著于丙綸非織造布纖維表面的結(jié)果。

(3) 隨著氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加，改性后丙綸非織造布的抗靜電性能先升高后降低。當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為1.2%時，改性后丙綸非織造布的抗靜電性能最好，此時的摩擦電壓達到最小值為104 V，較改性前丙綸非織造布的摩擦電壓降低了462 V。

(4) 氧化石墨烯的加入有效提高了改性后丙綸非織造布的力學性能。當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為1.2%時，拉伸強度最大為0.222 MPa；當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為1.6%時，楊氏模量最高為1.100 MPa；

當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為0.8%時，斷裂伸長率最小為30.117%。

故綜合抗靜電性能與力學性能，當氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為1.2%時，改性后丙綸非織造布的綜合性能最好。

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