魏保良，劉津瑋，王涵龍，田明偉，曲麗君，朱士鳳

(1.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071； 2.青島市智能可穿戴工程研究中心，山東 青島 266071；3.青島大學 省部共建生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國家重點實驗室，山東 青島 266071；4.青島市纖維紡織品檢驗研究院,山東 青島 266100)

近年來，安全生產(chǎn)的觀念深入人心，工人的防護裝備逐漸被重視，個人防護服裝的材料和設計也在不斷升級。電焊工需使用穿著舒適、防護效果優(yōu)秀的電焊防護服以減少皮膚燒傷。然而傳統(tǒng)的電焊防護服采用的是普通勞保服裝或加厚棉織物，這些服裝阻燃性能和防金屬熔滴濺射性能較差，容易被燒穿；同時其面密度在350～450 g/m之間，穿著舒適性差，工人在穿著時難以進行臥姿、跪姿等電焊動作，因此，研究新型電焊防護服面料，增強面料的防護性和穿著舒適性，對電焊工人的保護具有重要意義。

石墨烯有良好的導熱性，單層石墨烯理想狀態(tài)下導熱系數(shù)可達5 300 W/(m·K)，在導熱領域有巨大的應用潛力。石墨烯高導熱的特性不僅體現(xiàn)在微觀層面上，在宏觀產(chǎn)品如復合材料、熱界面材料、膜、織物中也有優(yōu)秀的表現(xiàn)。Amir Abbas等將石墨烯涂覆于織物以改性其導熱性，使其導熱性能優(yōu)于碳納米管、氮化硼。江賽華等將石墨烯制成氣凝膠，其具有阻燃性，可作為熱的高效物理屏障。朱雯等將相變微膠囊涂覆于織物，顯著提高了熱接觸條件下改性織物的熱防護性。Youngho Jin等使用黏合劑將石墨烯轉(zhuǎn)移到織物基材制得多功能防護服，并增加了其力學穩(wěn)定性。

基于以上的研究，本文制備了不同質(zhì)量分數(shù)的石墨烯整理液，采用發(fā)泡涂層方式將石墨烯泡沫涂覆于阻燃織物上，泡沫破裂時石墨烯可均勻鋪散在織物表面，形成導熱通路，以增強織物表面導熱性能；泡沫破裂時石墨烯不會大量滲透到織物內(nèi)部，織物本身的隔熱作用不受影響，熱量被阻止傳遞到織物下方，故可保護人體組織不受傷害，探討其應用于電焊防護服面料的可能性。

1 原料和儀器

1.1 原 料

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)，廣州燦聯(lián)化工有限公司提供；正十二醇，南通丸榮國際貿(mào)易有限公司提供；石墨烯漿料(片徑為3 μm，厚度為50 nm)，北京中倫國際新材料科技有限公司提供；阻燃織物(為本質(zhì)阻燃織物，是由阻燃維綸、阻燃芳綸、寶德綸、阻燃粘膠混紡而成，面密度為320 g/m，單紗線密度為28 tex×2，織物經(jīng)緯向密度分別為360、220 根/(10 cm)，山東沃源新型面料有限公司提供；黏合劑，天津巴斯夫化工有限公司提供。

1.2 儀 器

PICO-MIX型充氣發(fā)泡機(Hansa Mixer)，GL224i-1SCN型分析天平(Sartorius 公司)，YG461E型全自動織物透氣量儀(溫州際高檢測儀器有限公司)，MES型抗熔融金屬濺沫沖擊性能測試儀(天津尼科斯測試技術有限公司)，EVO 18型掃描電子顯微鏡(卡爾蔡司公司)，CEL-NP2000型光功率計(北京中教金源科技有限公司)，A325型紅外熱像儀(菲力爾公司)。

2 試樣制備

2.1 石墨烯發(fā)泡整理液制備

采用AES為發(fā)泡劑，正十二醇為穩(wěn)定劑。AES有很強的發(fā)泡性能，可以在發(fā)泡機的作用下產(chǎn)生大量泡沫；正十二醇可使泡沫穩(wěn)定且有彈性，防止泡沫在靜置或轉(zhuǎn)移的過程中大量破裂。AES的質(zhì)量分數(shù)為0.6%，正十二醇的質(zhì)量分數(shù)為0.2%，石墨烯的質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1.0%、2.0%，制備3種不同的石墨烯發(fā)泡整理液。將調(diào)制好的溶液置于磁力攪拌臺攪拌至充分溶解。將充氣發(fā)泡機參數(shù)調(diào)整為泡沫450 g/L，進氣速度0.2 L/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速1 200 r/min，收集泡沫下層液體并重復發(fā)泡，直到發(fā)泡整理液全部發(fā)起泡沫。

2.2 石墨烯涂層樣品制備

織物裁剪成15 cm × 15 cm的正方形，將收集的石墨烯泡沫涂覆到織物上。將樣品置于80 ℃的烘箱中，直到泡沫全部破裂，并繼續(xù)烘干。在GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗用標準大氣》規(guī)定的標準大氣條件下調(diào)濕24 h。

2.3 黏合劑整理樣品制備

將制備的石墨烯涂層樣品用黏合劑處理以提高耐洗性。調(diào)配黏合劑溶液質(zhì)量分數(shù)為5 g/(100 mL)，將石墨烯涂覆樣品浸泡在黏合劑溶液30 min，在鼓風干燥箱80 ℃中烘干，標準大氣條件下調(diào)濕24 h。石墨烯發(fā)泡涂層及黏合劑整理織物的制備流程見圖1。由圖示出從石墨烯發(fā)泡整理液到石墨烯發(fā)泡涂層織物再到黏合劑整理織物的制備過程及實拍照片。

圖1 石墨烯發(fā)泡涂層及黏合劑整理織物的制備流程Fig.1 Preparation process of fabrics by graphene foam coating and adhesive treatment

3 結(jié)果與討論

3.1 增重率分析

石墨烯發(fā)泡涂層樣品的編號與增重率見表1。由表看到，樣品1#～3#為石墨烯發(fā)泡涂層織物，樣品4#～6#為發(fā)泡涂層織物再經(jīng)黏合劑整理的織物，以及它們對比原樣的增重率。

對于石墨烯發(fā)泡涂層織物，石墨烯質(zhì)量分數(shù)越高，即用量越多，但樣品1#～3#的增重率并沒有隨使用量增加而線性變化，而是相差不大，均在1.0% ～1.3%的范圍內(nèi)。這說明石墨烯的存留量不僅與使用量有關，還受其他因素的影響。石墨烯存在成膜性，質(zhì)量分數(shù)越高成膜尺寸越大。質(zhì)量分數(shù)低時樣品表面石墨烯尺寸相對較小，更容易附著到織物表面；質(zhì)量分數(shù)高時石墨烯在織物表面成膜尺寸大，阻止了更多的石墨烯滲入到織物內(nèi)部，因此即使使用量多，附著量卻未見明顯增長。

表1 石墨烯發(fā)泡涂層樣品編號與增重率Tab.1 Sample number and weight gain ratio of graphene foam coated fabric

織物4#～6#經(jīng)過黏合劑浸泡處理，增重率分別為0.7%、1.1%、1.5%，隨石墨烯質(zhì)量分數(shù)升高而增加。這是因為織物淺層纖維表面的小尺寸石墨烯容易被浸泡去除，大尺寸石墨烯則更易與織物貼合緊密。該石墨烯的附著情況在掃描電子顯微鏡照片中得到驗證。

3.2 透氣性能

作為需要長期穿著的電焊防護服，穿著舒適性是必須考慮的方面?？椢锿笟庑詫Υ┲孢m性有很大影響，因此實驗使用全自動織物透氣量儀測試了織物處理前后的透氣性，結(jié)果見圖2。由圖看出黏合劑整理后可提高石墨烯發(fā)泡織物的透氣性。

圖2 處理前后織物的透氣性Fig.2 Air permeability of fabric before and after treatment

原樣透氣性為44.42 mm/s，如圖2所示，1#～3#織物透氣性分別為28.49、24.51、16.97 mm/s，隨石墨烯用量升高呈下降趨勢。這是因為石墨烯質(zhì)量分數(shù)越高，在織物表面的成膜片徑越大，越阻擋空氣透過。再使用黏合劑處理的4#～6#織物的透氣性均有所上升，分別是31.58、35.55、32.72 mm/s，它們的透氣性相似，這是由于后整理過程中浮于織物纖維表面的石墨烯被去除，織物紋路之間孔隙增大，空氣流通路徑順暢。

3.3 表面形貌

石墨烯發(fā)泡涂層和黏合劑整理織物表面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖3。由圖可知石墨烯成膜片徑尺寸與石墨烯質(zhì)量分數(shù)正相關，石墨烯用量越多，成膜片徑越大。

圖3 石墨烯涂層和黏合劑整理織物表面的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Surface morphology images of fabric by graphene foam coating and adhesive treatment

由圖3(a)(b)可以看出:石墨烯整理液處理后的織物表面石墨烯分布為片狀，且石墨烯質(zhì)量分數(shù)越高，成膜尺寸越大；整理液中石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，石墨烯成膜尺寸在100 μm以下，多數(shù)在10 μm左右；石墨烯質(zhì)量分數(shù)為2%時，其在織物表面的成膜尺寸較大，可達400～500 μm。成膜尺寸增大有助于形成更好的導熱通路，有利于熱量傳導散失。用黏合劑處理后織物(圖3(c)(d))表面的纖維與石墨烯之間、纖維與纖維之間的間隙被填充，織物與石墨烯的接觸更緊密，這使得織物和石墨烯的連續(xù)性進一步上升，有利于形成更大的導熱通路。

3.4 紅外吸收升溫

電焊是產(chǎn)生高溫的物理—化學反應，焊接電弧產(chǎn)生大量的紫外—可見—紅外光，其中高溫熱源會通過紅外輻射使人體升溫。防護服裝應具有暴露在高溫下非接觸性熱傷害的防護能力，因此要保證在紅外輻照下不產(chǎn)生更高的升溫。由基爾霍夫定律可知，電磁波入射到不同介質(zhì)的交界面上，發(fā)生反射、透射和吸收，且其總量為100%。透射率恒定時，要使防護服溫度降低，需要較低的紅外吸收能力，即較強的紅外反射能力，將熱源產(chǎn)生的紅外熱輻射反射到環(huán)境中去，從而降低穿著溫度。

為研究加入石墨烯和黏合劑的作用，實驗選用織物原樣、3#和6#樣品進行測試。首先測得環(huán)境光功率為0.042 mW。將防護性織物放在模擬熱源(80 ℃的水杯)前10 cm處，此時光功率為4.35 mW，在織物背后用紅外熱像儀觀察織物的升溫情況?？椢锏募t外吸收測試方法和溫度變化見圖4。圖中顯示黏合劑處理后樣品的最終溫度降低。

圖4 織物的紅外吸收測試方法和溫度變化圖Fig.4 Test method for infrared absorption and temperature variation of fabrics.(a) Test method for infrared absorption of fabrics;(b)Temperature change of fabrics.

觀察圖4(b)發(fā)現(xiàn)，織物溫度變化曲線為先升高，后趨于平穩(wěn)，且上升過程中的斜率隨時間增加而減小。未經(jīng)處理的織物溫度上升較快，在30 s時趨于平緩，穩(wěn)定在23.3 ℃左右。使用石墨烯處理后的織物溫度上升的速度和最終溫度均有所下降，織物3#穩(wěn)定在22.8 ℃，織物6#的溫度穩(wěn)定在22.5 ℃，可得出黏合劑處理后織物的穩(wěn)定溫度降低，黏合劑處理石墨烯發(fā)泡涂層織物有更好的防紅外輻射升溫能力。

3.5 抗熔融金屬沖擊性能

按照GB/T 17599—1998《防護服用織物 防熱性能 抗熔融金屬滴沖擊性能的測定》測試面料的抗熔融金屬沖擊性能，記錄15滴金屬熔滴沖擊后織物背面上升的溫度，升溫越低,抗金屬熔滴沖擊性越好。

由于未被黏合劑處理的織物透氣性下降較多，石墨烯容易脫落，服用性能不佳，且加入黏合劑降低了熱源輻射升溫，故本次僅測量織物原樣及黏合劑處理后的4#～6#織物?？椢镌瓨拥纳郎貫?0 ℃，織物4#～6#升溫分別是28.5、26.5、23.0 ℃，升溫隨石墨烯質(zhì)量分數(shù)增高而下降。這是因為石墨烯在織物表面成膜片徑隨質(zhì)量分數(shù)升高而增大，且黏合劑處理后石墨烯緊緊貼附于織物表面，形成較好的導熱通路，使熱量可以在織物表面迅速傳導并散失，降低了織物背面的溫升。石墨烯質(zhì)量分數(shù)為2%時，升溫比原樣下降7 ℃，降幅23%，抗金屬熔滴沖擊效果明顯。

4 結(jié) 論

本文通過發(fā)泡整理的方式，將石墨烯均勻地涂覆在阻燃織物上，制備出可應用于電焊防護服的面料，并從穿著舒適性、抗熔融金屬防護性等方面對織物的防護性和穿著性進行研究，得出如下結(jié)論。

①使用石墨烯發(fā)泡處理的織物防護性能有明顯提升，對比未處理織物，吸收紅外升溫速率明顯降低，再經(jīng)黏合劑處理的織物最終穩(wěn)定溫度進一步降低。石墨烯質(zhì)量分數(shù)越高，織物抗熔融金屬沖擊防護性越高，最佳防護工藝為石墨烯質(zhì)量分數(shù)為2%，且再使用黏合劑整理。

②使用黏合劑處理后的石墨烯發(fā)泡涂層織物穿著性能提升。僅使用石墨烯處理的織物透氣性下降較多，黏合劑整理織物透氣性優(yōu)于僅石墨烯處理的織物；織物面密度僅在320 g/m的原樣基礎上增加1.5%，穿著輕便。

③防護性能的表現(xiàn)與織物表面石墨烯的分布有很大的關系，在石墨烯質(zhì)量分數(shù)為2%時成膜尺寸較大，黏合劑處理后使其貼附于織物，這種結(jié)構有利于形成導熱通路，提高織物的抗金屬熔滴防護性，使其可用作電焊防護服面料。