大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)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(diǎn)[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(qiáng)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(jìn)而產(chǎn)生了靜電荷，這在一定程度上限制了丙綸的應(yīng)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(tuán)，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(jìn)行抗靜電改性，并對改性前后的丙綸非織造布進(jìn)行性能測試及表征。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(tuán)有限公司生產(chǎn)；氧化石墨烯，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.0%，唐山簡化科技發(fā)展有限責(zé)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(xué)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；乙醇(分析純)，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；去離子水，試驗(yàn)室自制。

PTT-A+200電子天平，福州華志科學(xué)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(fēng)箱，大連實(shí)驗(yàn)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(yàn)機(jī)，蘇州拓博機(jī)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(yàn)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?jǐn)?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?jǐn)?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(jìn)行漂洗，再將漂洗干凈的丙綸非織造布放入80 ℃的電熱鼓風(fēng)箱中進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)備：取某一氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性的丙綸非織造布進(jìn)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(jìn)行分析。

1.2.2.3 抗靜電性能

試樣準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行抗靜電性能測試。

1.2.2.4 力學(xué)性能

試樣準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jìn)行拉伸強(qiáng)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(xué)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(xué)分析發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的特殊褶皺結(jié)構(gòu)導(dǎo)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?jǐn)?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?jǐn)?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(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?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(dǎo)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(dá)到最小，抗靜電性能達(dá)到最佳，該氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)；當(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)增大，它們在丙綸非織造布表面的分布均勻性變差、團(tuán)聚變多，進(jìn)而導(dǎo)致形成的導(dǎo)電網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變少有關(guān)。

圖3 氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?shù)的增加而提高。

2.2.3 力學(xué)性能分析

圖4分別反映了氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對丙綸非織造布力學(xué)性能的影響。改性前丙綸非織造布的拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能有顯著的增強(qiáng)作用。

(a) 拉伸強(qiáng)度

(b) 楊氏模量

(c) 斷裂伸長率

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

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

(2) 當(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的增加而明顯增長。其中，當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)為0.8%時的楊氏模量，原因可能是少量的氧化石墨烯團(tuán)聚損害了氧化石墨烯與基體之間的界面作用力所致。當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)了界面作用力，楊氏模量增加。

(3) 當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，改性后丙綸非織造布的斷裂伸長率最低；當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至1.6%時，改性后丙綸非織造布的斷裂伸長率達(dá)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(xué)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(dāng)氧化石墨烯添加過多時，氧化石墨烯易發(fā)生團(tuán)聚，產(chǎn)生力學(xué)弱節(jié)，進(jìn)而會降低改性后丙綸非織造布的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

通過對丙綸非織造布進(jìn)行抗靜電改性整理，并對其進(jìn)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?jǐn)?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(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?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(dá)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(xué)性能。當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時，拉伸強(qiáng)度最大為0.222 MPa；當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%時，楊氏模量最高為1.100 MPa；

當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)性能，當(dāng)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時，改性后丙綸非織造布的綜合性能最好。

[1] 胡楠，趙麗娟，范靖，等.水性丙烯酸樹脂/氧化石墨烯抗靜電涂層的制備及性能研究[J].塑料工業(yè)，2015，43(8)：91-94.

[2] 沈忠安，韓茹.丙綸水刺無紡布的殼聚糖親水改性研究[J].江蘇絲綢，2014(6)：32-34.

[3] 成亮，姜定，支景鵬，等.淀粉基復(fù)合抗靜電劑在聚丙烯中的抗靜電性能研究[J].中國塑料，2017，31(1)：25-28.

[4] 樊瑋，張超，劉天西.石墨烯/聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報，2013，30(1)：14-21.

[5] SHATERI K M， YAZDANSHENAS M E. Fabricating electroconductive cotton textiles using graphene[J]. Carbohydrate Polymers， 2013， 96(1)：190-195.

[6] MOLINA J， FERNNDEZ J， RO A I D， et al. Chemical and electrochemical study of fabrics coated with reduced graphene oxide[J]. Applied Surface Science， 2013， 279(8)：46-54.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.紡織品 靜電性能的評定 第5部分：摩擦帶電電壓：GB/T 12703.5—2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測試(條樣法)：GB/T 3923.1—2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[9] JIAO C， XIONG J， TAO J， et al. Sodium alginate/graphene oxide aerogel with enhanced strength-toughness and its heavy metal adsorption study[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2016， 83(2)：133-141.