羊毛织物负载石墨烯及其抗静电功能

刘静芳，刘让同,2,3，李 亮,2,3，刘淑萍,2,3，赵 鑫，李小倩

(1.中原工学院， 河南 郑州 450007； 2.纺织服装产业河南省协同创新中心，河南 郑州 450007； 3.河南省功能纺织材料重点实验室，河南 郑州 450007)

羊毛表面的鳞片结构对毛干具有保护作用，同时也形成了较高的表面粗糙度[1]，表面存在脂肪酸层呈现出疏水特性，这些特征使羊毛织物在使用过程中(尤其在干燥的冬季环境下)容易出现静电现象，影响织物的穿着舒适性，因此提高羊毛织物的抗静电性非常重要。很多学者对此进行了研究，比如采用分解技术来降解脂肪酸表层[2-3]或在羊毛纤维表面的脂肪酸层上包覆或添加亲水性材料[4-5]；Varesano 等[6]研究聚吡咯合成抗静电羊毛织物的新方法及其对羊毛织物的表面处理，耐水洗色牢度方面有待提高；康红波等[7]采用不同种类的抗静电剂对纯羊毛织物进行抗静电整理；李会改等[8]、李扬等[9]、徐守飞等[10]利用聚苯胺对羊毛织物及其混纺面料进行抗静电整理，工艺较复杂；张洪峰等[11]采用原位吸附聚合方法制备抗静电聚苯胺改性羊毛纤维。石墨烯具有优良的导电性能，使负载石墨烯羊毛织物表面形成导电片层，加速织物表面积聚电荷的散离，使羊毛织物达到抗静电的效果。胡雪敏等[12]采用石墨烯-Fe3O4溶液整理涤纶织物，研究工艺条件与涤纶织物抗静电性能的关系，获得了最佳工艺路线；陈小婷等[13]采用石墨烯分散液和水性聚氨酯混合液整理涤纶织物，使涤纶织物具有抗静电效果。以上这些研究部分解决了羊毛织物抗静电问题，但效果和耐久性都有待进一步提高。本文利用多巴胺超强黏附力负载石墨烯整理羊毛织物，并对羊毛织物抗静电性的水洗耐久性进行研究，探讨多巴胺、石墨烯质量浓度对抗静电效果的影响，提高羊毛织物抗静电性能。

1 实 验

1.1 实验材料

实验材料为纬平针羊毛针织物，其面密度为282.8 g/m2。

试剂：石墨烯(深圳市图灵进化科技有限公司)，98%盐酸多巴胺(上海麦克林生物化工有限公司)，37%浓盐酸(洛阳市化学试剂厂)，三(羟甲基)氨基甲烷(Tris，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)，蒸馏水。

1.2 石墨烯负载整理

在Tris缓冲液中配制多巴胺溶液，质量浓度方案分别为5、10、15 g/L。室温下，多巴胺溶液中滴入浓HCl调pH值至8.5，将羊毛织物放入其中进行原位聚合24 h，60 ℃烘干后待用。

配制3、6、9 g/L的石墨烯溶液，放入经5、10、15 g/L多巴胺整理的羊毛织物，浸渍15 min，60 ℃烘干，循环3次，完成负载。

1.3 含水率影响实验

通过改变含水率可以探究不同含水率时羊毛织物的抗静电性能，分别控制0%、3%、6%、9%、12% 5个含水率，在25 ℃下，根据GB/T 12703.1—2008《纺织品 静电性能的评定 第1部分：静电压半衰期》， 利用YG(L)342D织物静电测试仪对整理前后羊毛织物进行静电性能测试；利用美国吉利时科技有限公司Keithley 2400型数字源表对整理前后羊毛织物电阻率进行测试，测试参数：测试时间为60 s，钳位电压80 V，二线法测量。

1.4 表征与测试

石墨烯整理前后羊毛织物的表面形貌采用TM3000型扫描电子显微镜观察；羊毛纤维大分子结构变化情况采用Bruker TENSOR37红外光谱仪扫描，测定范围为4 500～4 000 cm-1；采用YG341 N和YG(L)342D织物静电测试仪测试织物的抗静电性能；利用美国吉利时科技有限公司的Keithley 2400型数字源表测试织物的表面电阻率；参考GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》对整理后羊毛织物进行水洗测试。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯负载效果

采用扫描电镜观察原织物、多巴胺/石墨烯整理织物中羊毛纤维表面形态，其结果如图1所示。图1(a)为未整理羊毛织物，羊毛表面被边缘清晰可见的鳞片层覆盖，粗糙不平；图1(b)中可以发现多巴胺整理织物中，一层薄膜覆盖在纤维表面，粗糙不平的鳞片层发生钝化，摩擦因数降低，纤维表面的亲水性能由于这层多巴胺膜的存在增加；图1(c)可观察到多巴胺整理负载石墨烯织物，原本清晰的鳞片边缘变得模糊不清，表面形成一层片状石墨烯。

图1 羊毛织物整理前后SEM照片

图2 整理前后羊毛织物的红外光谱图

图3为10 g/L多巴胺负载9 g/L石墨烯整理后羊毛织物水洗测试结果。从图3可以看出，多巴胺/石墨烯整理后羊毛织物的静电压和静电半衰期经过水洗12次之后趋于稳定，稳定后的静电压为265 V左右，静电半衰期也同步升高。

图3 10 g/L多巴胺和9 g/L石墨烯整理羊毛织物经水洗后防静电性能

参考GB/T 12703—2010《纺织品静电性能的评定标准》，结合图3可以发现，多次洗涤后，经10 g/L多巴胺和9 g/L石墨烯负载整理后的羊毛织物，其防静电性能仍然符合GB/T 12703—2010的要求，静电压和静电半衰期相对稳定，说明石墨烯负载在羊毛织物上具有良好的耐水洗性，结合牢度高。

2.2 石墨烯负载后的抗静电效果

通过织物静电测试仪对不同浓度配合的多巴胺/石墨烯整理羊毛织物进行测试，得到如图4所示结果。可见，羊毛织物负载不同质量浓度的多巴胺/石墨烯时，其静电压随着石墨烯质量浓度的增加而降低，这是由于石墨烯以片层方式紧紧的贴附在具有超强黏附作用的多巴胺膜上，石墨烯优良的导电性能加速羊毛织物表面电荷的散离，使羊毛织物的抗静电效果进一步提升，而且多巴胺/石墨烯整理的羊毛织物的静电压直接降至300 V以下，其中10 g/L多巴胺负载9 g/L石墨烯静电压值降为0 V。从图4中静电半衰期的结果看，原织物的静电半衰期在5 ～7 s之间，经多巴胺/石墨烯整理的羊毛织物则有不同程度的降低，其中10 g/L多巴胺和9 g/L石墨烯整理织物的静电半衰期降至0 s。保持多巴胺质量浓度不变时，随着石墨烯质量浓度在一定范围内升高羊毛织物的抗静电效果提高，10 g/L多巴胺配合9 g/L石墨烯整理达到最优，此时静电压值和静电半衰期均为0。羊毛纤维表面负载的石墨烯层层自组装，显著提高了羊毛织物的抗静电性能，织物表面电阻率从108Ω降至105Ω以下，可以推测石墨烯使羊毛织物表面形成导电网络，加速织物表面电荷散离，进一步提高织物的抗静电性能。

图4 不同质量浓度多巴胺整理的羊毛织物负载不同质量浓度石墨烯的静电压和静电半衰期

2.3 含水率对抗静电的影响

影响织物抗静电性能的重要因素之一是空气相对湿度，空气相对湿度增加，织物的抗静电性能提高，羊毛织物在相对湿度小于40%时也会产生静电[10]。通过改变含水率可以探究不同含水率时羊毛织物的抗静电性能，分别控制了0%、3%、6%、9%、12% 5个含水率，在25 ℃下对整理前后羊毛织物静电性能进行测试，结果见图5、6。

图5 不同质量浓度多巴胺整理羊毛织物在不同含水率时的静电压和静电半衰期

图6 在不同含水率时多巴胺/石墨烯不同质量浓度配比整理羊毛织物的静电压和静电半衰期

从图5可以看出，未整理的羊毛织物和经多巴胺整理的羊毛织物随着含水率增加，摩擦电压和静电压半衰期逐渐下降，当含水率不低于6%时羊毛织物自身开始具有抗静电的效果，摩擦电压基本稳定在500 V以下，静电半衰期稳定在3 s以内，含水率越高织物抗静电效果越好，当含水率为9%时，摩擦电压和静电半衰期降低至最小值；另外未整理的羊毛织物表面电阻率分别为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%时表面电阻率大于107Ω，根据GB/T 12703.4—2010《纺织品 静电性能的评定 第4部分：电阻率》的要求，含水率小于6%时，羊毛织物存在静电问题，空气相对湿度比较低时容易造成羊毛织物中含水率低于6%，引起静电问题。

从图6不难发现，石墨烯负载羊毛织物具有上述相似的变化规律，即含水率越高织物抗静电效果越好，但当含水率大于9%时，出现摩擦电压和静电半衰期的回升，石墨烯含量不同，回升幅度不一，当石墨烯含量高时，负载石墨烯的羊毛织物表面的石墨烯片状层部分不连续导致，从图1的SEM照片也可以得以佐证。

3 结 论

本文利用多巴胺整理羊毛织物负载石墨烯，研究不同含水率时多巴胺、石墨烯质量浓度对羊毛织物抗静电性能的影响，为抗静电羊毛织物产品的开发提供一种新的方法。

①羊毛织物的含水率从0%变化到12%时，未经整理的羊毛织物的表面电阻率从108Ω降至106Ω，含水率越高织物抗静电效果越好；在含水率低于6%时表面电阻率大于107Ω，羊毛织物存在静电问题。

②随着石墨烯质量浓度在一定范围内增加，羊毛织物抗静电性能逐渐提高，10 g/L多巴胺负载9 g/L石墨烯时，静电压和静电衰减时间均为0，织物抗静电性能最好。

③多巴胺/石墨烯负载羊毛织物具有较好的耐水洗性，其中10 g/L多巴胺负载9 g/L石墨烯羊毛织物的静电压和静电半衰期经过水洗12次之后趋于稳定，能够达到防静电标准。