羊毛織物負載石墨烯及其抗靜電功能

劉靜芳，劉讓同,2,3，李 亮,2,3，劉淑萍,2,3，趙 鑫，李小倩

(1.中原工學院， 河南 鄭州 450007； 2.紡織服裝產業河南省協同創新中心，河南 鄭州 450007； 3.河南省功能紡織材料重點實驗室，河南 鄭州 450007)

羊毛表面的鱗片結構對毛干具有保護作用，同時也形成了較高的表面粗糙度[1]，表面存在脂肪酸層呈現出疏水特性，這些特征使羊毛織物在使用過程中(尤其在干燥的冬季環境下)容易出現靜電現象，影響織物的穿著舒適性，因此提高羊毛織物的抗靜電性非常重要。很多學者對此進行了研究，比如采用分解技術來降解脂肪酸表層[2-3]或在羊毛纖維表面的脂肪酸層上包覆或添加親水性材料[4-5]；Varesano 等[6]研究聚吡咯合成抗靜電羊毛織物的新方法及其對羊毛織物的表面處理，耐水洗色牢度方面有待提高；康紅波等[7]采用不同種類的抗靜電劑對純羊毛織物進行抗靜電整理；李會改等[8]、李揚等[9]、徐守飛等[10]利用聚苯胺對羊毛織物及其混紡面料進行抗靜電整理，工藝較復雜；張洪峰等[11]采用原位吸附聚合方法制備抗靜電聚苯胺改性羊毛纖維。石墨烯具有優良的導電性能，使負載石墨烯羊毛織物表面形成導電片層，加速織物表面積聚電荷的散離，使羊毛織物達到抗靜電的效果。胡雪敏等[12]采用石墨烯-Fe3O4溶液整理滌綸織物，研究工藝條件與滌綸織物抗靜電性能的關系，獲得了最佳工藝路線；陳小婷等[13]采用石墨烯分散液和水性聚氨酯混合液整理滌綸織物，使滌綸織物具有抗靜電效果。以上這些研究部分解決了羊毛織物抗靜電問題，但效果和耐久性都有待進一步提高。本文利用多巴胺超強黏附力負載石墨烯整理羊毛織物，并對羊毛織物抗靜電性的水洗耐久性進行研究，探討多巴胺、石墨烯質量濃度對抗靜電效果的影響，提高羊毛織物抗靜電性能。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為緯平針羊毛針織物，其面密度為282.8 g/m2。

試劑：石墨烯(深圳市圖靈進化科技有限公司)，98%鹽酸多巴胺(上海麥克林生物化工有限公司)，37%濃鹽酸(洛陽市化學試劑廠)，三(羥甲基)氨基甲烷(Tris，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司)，蒸餾水。

1.2 石墨烯負載整理

在Tris緩沖液中配制多巴胺溶液，質量濃度方案分別為5、10、15 g/L。室溫下，多巴胺溶液中滴入濃HCl調pH值至8.5，將羊毛織物放入其中進行原位聚合24 h，60 ℃烘干后待用。

配制3、6、9 g/L的石墨烯溶液，放入經5、10、15 g/L多巴胺整理的羊毛織物，浸漬15 min，60 ℃烘干，循環3次，完成負載。

1.3 含水率影響實驗

通過改變含水率可以探究不同含水率時羊毛織物的抗靜電性能，分別控制0%、3%、6%、9%、12% 5個含水率，在25 ℃下，根據GB/T 12703.1—2008《紡織品 靜電性能的評定 第1部分：靜電壓半衰期》， 利用YG(L)342D織物靜電測試儀對整理前后羊毛織物進行靜電性能測試；利用美國吉利時科技有限公司Keithley 2400型數字源表對整理前后羊毛織物電阻率進行測試，測試參數：測試時間為60 s，鉗位電壓80 V，二線法測量。

1.4 表征與測試

石墨烯整理前后羊毛織物的表面形貌采用TM3000型掃描電子顯微鏡觀察；羊毛纖維大分子結構變化情況采用Bruker TENSOR37紅外光譜儀掃描，測定范圍為4 500～4 000 cm-1；采用YG341 N和YG(L)342D織物靜電測試儀測試織物的抗靜電性能；利用美國吉利時科技有限公司的Keithley 2400型數字源表測試織物的表面電阻率；參考GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》對整理后羊毛織物進行水洗測試。

2 結果與討論

2.1 石墨烯負載效果

采用掃描電鏡觀察原織物、多巴胺/石墨烯整理織物中羊毛纖維表面形態，其結果如圖1所示。圖1(a)為未整理羊毛織物，羊毛表面被邊緣清晰可見的鱗片層覆蓋，粗糙不平；圖1(b)中可以發現多巴胺整理織物中，一層薄膜覆蓋在纖維表面，粗糙不平的鱗片層發生鈍化，摩擦因數降低，纖維表面的親水性能由于這層多巴胺膜的存在增加；圖1(c)可觀察到多巴胺整理負載石墨烯織物，原本清晰的鱗片邊緣變得模糊不清，表面形成一層片狀石墨烯。

圖1 羊毛織物整理前后SEM照片

圖2 整理前后羊毛織物的紅外光譜圖

圖3為10 g/L多巴胺負載9 g/L石墨烯整理后羊毛織物水洗測試結果。從圖3可以看出，多巴胺/石墨烯整理后羊毛織物的靜電壓和靜電半衰期經過水洗12次之后趨于穩定，穩定后的靜電壓為265 V左右，靜電半衰期也同步升高。

圖3 10 g/L多巴胺和9 g/L石墨烯整理羊毛織物經水洗后防靜電性能

參考GB/T 12703—2010《紡織品靜電性能的評定標準》，結合圖3可以發現，多次洗滌后，經10 g/L多巴胺和9 g/L石墨烯負載整理后的羊毛織物，其防靜電性能仍然符合GB/T 12703—2010的要求，靜電壓和靜電半衰期相對穩定，說明石墨烯負載在羊毛織物上具有良好的耐水洗性，結合牢度高。

2.2 石墨烯負載后的抗靜電效果

通過織物靜電測試儀對不同濃度配合的多巴胺/石墨烯整理羊毛織物進行測試，得到如圖4所示結果?？梢?，羊毛織物負載不同質量濃度的多巴胺/石墨烯時，其靜電壓隨著石墨烯質量濃度的增加而降低，這是由于石墨烯以片層方式緊緊的貼附在具有超強黏附作用的多巴胺膜上，石墨烯優良的導電性能加速羊毛織物表面電荷的散離，使羊毛織物的抗靜電效果進一步提升，而且多巴胺/石墨烯整理的羊毛織物的靜電壓直接降至300 V以下，其中10 g/L多巴胺負載9 g/L石墨烯靜電壓值降為0 V。從圖4中靜電半衰期的結果看，原織物的靜電半衰期在5 ～7 s之間，經多巴胺/石墨烯整理的羊毛織物則有不同程度的降低，其中10 g/L多巴胺和9 g/L石墨烯整理織物的靜電半衰期降至0 s。保持多巴胺質量濃度不變時，隨著石墨烯質量濃度在一定范圍內升高羊毛織物的抗靜電效果提高，10 g/L多巴胺配合9 g/L石墨烯整理達到最優，此時靜電壓值和靜電半衰期均為0。羊毛纖維表面負載的石墨烯層層自組裝，顯著提高了羊毛織物的抗靜電性能，織物表面電阻率從108Ω降至105Ω以下，可以推測石墨烯使羊毛織物表面形成導電網絡，加速織物表面電荷散離，進一步提高織物的抗靜電性能。

圖4 不同質量濃度多巴胺整理的羊毛織物負載不同質量濃度石墨烯的靜電壓和靜電半衰期

2.3 含水率對抗靜電的影響

影響織物抗靜電性能的重要因素之一是空氣相對濕度，空氣相對濕度增加，織物的抗靜電性能提高，羊毛織物在相對濕度小于40%時也會產生靜電[10]。通過改變含水率可以探究不同含水率時羊毛織物的抗靜電性能，分別控制了0%、3%、6%、9%、12% 5個含水率，在25 ℃下對整理前后羊毛織物靜電性能進行測試，結果見圖5、6。

圖5 不同質量濃度多巴胺整理羊毛織物在不同含水率時的靜電壓和靜電半衰期

圖6 在不同含水率時多巴胺/石墨烯不同質量濃度配比整理羊毛織物的靜電壓和靜電半衰期

從圖5可以看出，未整理的羊毛織物和經多巴胺整理的羊毛織物隨著含水率增加，摩擦電壓和靜電壓半衰期逐漸下降，當含水率不低于6%時羊毛織物自身開始具有抗靜電的效果，摩擦電壓基本穩定在500 V以下，靜電半衰期穩定在3 s以內，含水率越高織物抗靜電效果越好，當含水率為9%時，摩擦電壓和靜電半衰期降低至最小值；另外未整理的羊毛織物表面電阻率分別為7.51×108Ω(含水率0%)、9.02×107Ω(含水率3%)、1.02×107Ω(含水率6%)、9.78×106Ω(含水率9%)、9.82×106Ω(含水率12%)，含水率0%～6%時表面電阻率大于107Ω，根據GB/T 12703.4—2010《紡織品 靜電性能的評定 第4部分：電阻率》的要求，含水率小于6%時，羊毛織物存在靜電問題，空氣相對濕度比較低時容易造成羊毛織物中含水率低于6%，引起靜電問題。

從圖6不難發現，石墨烯負載羊毛織物具有上述相似的變化規律，即含水率越高織物抗靜電效果越好，但當含水率大于9%時，出現摩擦電壓和靜電半衰期的回升，石墨烯含量不同，回升幅度不一，當石墨烯含量高時，負載石墨烯的羊毛織物表面的石墨烯片狀層部分不連續導致，從圖1的SEM照片也可以得以佐證。

3 結 論

本文利用多巴胺整理羊毛織物負載石墨烯，研究不同含水率時多巴胺、石墨烯質量濃度對羊毛織物抗靜電性能的影響，為抗靜電羊毛織物產品的開發提供一種新的方法。

①羊毛織物的含水率從0%變化到12%時，未經整理的羊毛織物的表面電阻率從108Ω降至106Ω，含水率越高織物抗靜電效果越好；在含水率低于6%時表面電阻率大于107Ω，羊毛織物存在靜電問題。

②隨著石墨烯質量濃度在一定范圍內增加，羊毛織物抗靜電性能逐漸提高，10 g/L多巴胺負載9 g/L石墨烯時，靜電壓和靜電衰減時間均為0，織物抗靜電性能最好。

③多巴胺/石墨烯負載羊毛織物具有較好的耐水洗性，其中10 g/L多巴胺負載9 g/L石墨烯羊毛織物的靜電壓和靜電半衰期經過水洗12次之后趨于穩定，能夠達到防靜電標準。