CN110093775A - 一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，在棉织物表面喷覆氧化石墨烯后将氧化石墨烯还原为石墨烯得到具有导电性能的抗紫外棉织物，具体为：清洗棉织物并烘干；配制氧化石墨烯溶液并进行超声波分散；将氧化石墨烯溶液喷涂在棉织物上，得到氧化石墨烯喷覆后的棉织物；对氧化石墨烯喷覆后的棉织物进行热还原处理制得具有导电性能的抗紫外棉织物。制得产品在波长250～450nm的紫外光下的透过率小于2％，UPF值为350～400，电阻值为5～2000kΩ。本发明的制备方法，操作简单，制备条件温和，成本低，适于规模化生产；得到的织物具有良好的抗紫外性能，且具有导电性能，在智能纺织品等诸多领域均有广阔的应用前景。

Description

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法

技术领域

本发明属于纺织品改性技术领域，涉及一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)，一种由单层碳原子致密堆积成的二维蜂窝晶格结构，最近引发了大量的研究兴趣。它独特结合了电化学性能和量子效应，具有优异的热学性能和机械性能，其抗紫外性能优良。

近几年来，大气中的臭氧层受到严重的破坏，到达地面的紫外线大大增加，紫外线不仅会降低人体的免疫力，也会造成人体皮肤病，更有甚者使人们患上皮肤癌。目前市场上常见的纺织物虽然有一定的防紫外线功能，但其还远远不能满足人们对防御紫外线的需要。此外，随着近年来可穿戴设备的兴起，现有的纺织物的导电性能日益无法满足人们的需要，且现有的导电纺织品的制备工艺复杂且繁琐，耗时耗力。而石墨烯作为一种新兴改性材料，具有良好的导电性能的同时具有一定的抗紫外线性能，在未来智能纺织品领域具有广阔的应用前景。

因此，开发一种基于石墨烯的具有导电性能的抗紫外棉织物极具现实意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有织物的防紫外线和导电性能不能完全满足人们的生活需要的问题，提供一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，该方法以石墨烯作为改性材料，将其附着于传统纺织品棉布上，以实现纺织品的功能性(导电及抗紫外性能)，本发明可通过改变石墨烯的负载量以控制纺织品的性能参数；本发明所使用的材料廉价易得，所制得的具有导电性能的抗紫外棉织物具有良好的抗紫外性能和导电能力，此外其产品性能还有进一步挖掘的潜质，其耐洗涤的特性也使得其在日用纺织品领域有一定前景。

为到达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，在棉织物表面喷覆氧化石墨烯后将氧化石墨烯还原为石墨烯得到具有导电性能的抗紫外棉织物，所述具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率小于2％，UPF值(即紫外线防护系数)为350～400，电阻值为5～2000kΩ。

本发明的制备方法不仅可对棉织物进行处理，也可对其他类型的织物进行处理，制得具有导电性能的抗紫外织物。本发明仅以棉织物为例，选用棉织物作为基材是因为其具有良好的吸湿性、透气性、耐光性和染色性，且穿着舒适，手感柔软。本发明制得的具有导电性能的抗紫外棉织物的抗紫外性能及导电性能相比现有技术提升较大，应用前景好。

本发明采用喷覆(即喷雾沉积)的方式能够将氧化石墨烯更加均匀地分散在棉织物表面，喷雾沉积技术操作简单、资源利用率高、无溶剂残留，经过喷雾后，氧化石墨烯沉积在织物表面，再经还原处理形成石墨烯，能够赋予织物优良的导电和抗紫外性能。此外，负载的石墨烯不会改变棉织物的平纹结构，依然保持了纤维的基本形貌，石墨烯是负载在单根纤维的表面，并没有堵塞经纱和纬纱的空隙，因此，对于织物的透气性能造成的影响不大。

作为优选的方案：

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述还原前棉织物上氧化石墨烯的含量为2.2～4.5wt％。还原前棉织物上氧化石墨烯的含量不限于此，具体还可通过调整工艺进行调节。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，具体操作为：首先清洗棉织物并烘干，然后配制氧化石墨烯溶液，接着使用雾化器将氧化石墨烯溶液喷覆在棉织物表面并烘干，最后进行还原，喷覆结束后烘干的主要目的是去除织物中的水分，当织物含水量较低时可不进行烘干，喷覆结束后烘干不会对氧化石墨烯的形态产生影响，只会将其在喷覆过程中形成的形态定型。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述清洗采用50±5℃的洗涤剂，所述洗涤剂是通过将8.000g洗衣粉加入800mL蒸馏水中配制得到的，所述清洗完成后采用蒸馏水漂洗至无泡沫，以减少棉织物表面的洗涤剂残留，以免洗涤剂残留过多影响氧化石墨烯在棉织物表面的附着，所述漂洗完成后置于干净的网格架上室温风干。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述清洗棉织物并烘干后对棉织物进行预处理，步骤如下：

1)亲水处理：按体积份数计，将1份体积浓度为35％的氨水和5份去离子水混合，加热至60℃后，再加入1份体积浓度为30％的双氧水得到亲水处理液，将棉织物在亲水处理液中浸泡10分钟后取出，浴比(即棉织物与亲水处理液的质量比)1:50，用去离子水洗涤；

2)阳离子改性：将棉织物浸入由阳离子改性剂和NaOH组成的阳离子改性液中超声处理后取出，用去离子水洗涤后烘干，工艺参数为：阳离子改性液中NaOH的浓度1.0g/L，阳离子改性剂用量8owf％(即棉织物与阳离子改性剂的质量比为8:100)，温度30℃，浴比(即棉织物与阳离子改性液的质量比)1:30，时间5分钟。

亲水处理后可改善织物的舒适性，在湿热条件下，需要相对地减少织物与皮肤之间的相对湿度，这就要求纤维材料对水蒸汽的吸收量大，吸收速度高，尤其在大量出汗的情况下，则需要纤维具有较高的吸湿和吸水性，并能迅速地向外界释放汗水，使人体不会有闷热感，且会增加棉织物对阳离子改性剂的可及性，利于后续阳离子改性处理；

阳离子改性可提高氧化石墨烯与织物的结合牢度，阳离子改性后的织物带有正电荷，氧化石墨烯带有负电荷，二者相互吸引，结合牢度高，耐洗涤性能优良。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述配制氧化石墨烯溶液时，先将氧化石墨烯原溶液进行稀释，再将稀释后的溶液置于超声仪器中分散。可以一次制得氧化石墨烯溶液，超声分散是为了保证溶液中氧化石墨烯分散均匀，本发明的分散方式并不仅限于此，其他能够保证氧化石墨烯分散均匀的方式均可适用于本发明。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述氧化石墨烯原溶液浓度为10mg/mL，所述稀释的方法为：用移液枪移取40mL 10mg/mL的氧化石墨烯溶液于洁净的200mL容器内，配制成200mL 2mg/mL的氧化石墨烯溶液，加入磁力搅拌子搅拌2小时。本发明的氧化石墨烯原溶液及氧化石墨烯溶液的浓度并不仅限于此，可根据实际应用场景选择氧化石墨烯溶液的浓度，搅拌的方式和时间也不仅限于磁力搅拌和2h，只要保证氧化石墨烯溶液混合均匀即可。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述喷覆时，先用移液枪取5mL氧化石墨烯溶液加入雾化器中，喷覆在棉织物表面后烘干，再重复上述步骤，氧化石墨烯的质量分数的计算公式如下：

棉织物上氧化石墨烯的质量分数并不仅限于此，可根据不同应用场景选择不同的负载量，负载量不同，制得织物性能也并不相同。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述喷覆后棉织物表面的氧化石墨烯为卷曲的片层结构，均匀覆盖在织物表面，达到抗紫外的目的，即经过雾化器喷雾后，溶液中片层的氧化石墨烯变成了卷曲的片层结构，这种片层结构涂覆在织物表面，可以有效地防御紫外线，能够赋予织物优良的抗紫外性能，同时，连续的片层结构也会赋予织物良好的导电性能。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述还原采用高温热处理的方式。还原的方式不限于此，具体可根据操作的难易程度进行选择。

如上所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，所述还原的温度为200℃，时间为10min。还原的温度及时间并不仅限于此，还原的方式也并不仅限于高温热处理，只要能够保证负载在棉织物表面的氧化石墨烯能被还原成石墨烯即可，还原过程中氧化石墨烯的形态保持卷曲的片层结构不变。

有益效果：

(1)本发明提供了一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，利用性能优良的石墨烯改性纺织品棉布，制得了抗紫外、耐洗涤且导电性好的改性纺织品，以满足实际需求；

(2)本发明的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，操作简单，耗时较少，成本低廉，制备条件温和，适于大规模批量生产；

(3)本发明方法制得的具有导电性能的抗紫外棉织物，抗紫外性能优良，且导电性，在智能纺织品等诸多领域具有广阔的应用前景和巨大的使用价值，具有导电性能的抗紫外棉织物在经多次洗涤后仍保持较好的性能，稳定性好，可应用于日用纺织品领域。

附图说明

图1为负载不同量石墨烯的棉织物的紫外透过率图(本发明未直接给出棉织物的石墨烯负载量，仅给出了还原处理前棉织物的氧化石墨烯负载量，可根据氧化石墨烯负载量比较不同实施例制得的产品的石墨烯负载量)；

图2为负载不同量石墨烯的棉织物的紫外线防护系数柱状图；

图3为负载不同量石墨烯的棉织物的电阻值曲线(图中GO代表氧化石墨烯)；

图4为实施例1中得到的负载石墨烯的棉织物经过不同洗涤次数后的紫外线防护系数(即UPF值)柱状图；

图5为实施例1中得到的负载石墨烯的棉织物经过不同洗涤次数后的电阻值曲线；

图6为表面负载氧化石墨烯的棉织物的SEM图片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，步骤如下：

(1)选取棉织物裁剪成100mm*100mm，共裁剪20块，用8.000g立白洗衣粉加入800mL蒸馏水所配制的洗涤剂，在50℃下，将棉织物加入其中，洗去表面油脂，清洗完成后采用蒸馏水漂洗至无泡沫，漂洗完成后置于干净的网格架上室温风干；

(2)对棉织物进行预处理，步骤如下：

1)亲水处理：按体积份数计，将1份体积浓度为35％的氨水和5份去离子水混合，加热至60℃后，再加入1份体积浓度为30％的双氧水得到亲水处理液，将棉织物在亲水处理液中浸泡10分钟后取出，浴比1:50，用去离子水洗涤；

2)阳离子改性：将棉织物浸入由阳离子改性剂和NaOH组成的阳离子改性液中超声处理后取出，用去离子水洗涤后烘干，工艺参数为：阳离子改性液中NaOH的浓度1.0g/L，阳离子改性剂用量8owf％，温度30℃，浴比1:30，时间5分钟。

(3)将10mg/mL氧化石墨烯原溶液用移液枪移取40mL溶液于洁净的200mL容器内，配制成200mL2mg/mL的氧化石墨烯溶液，并将稀释所得到的溶液装瓶，加入磁力搅拌子搅拌2小时，并置于超声器中分散；

(4)用移液枪取5mL氧化石墨烯溶液加入雾化器中，喷在步骤(2)中得到的棉织物上，然后用吹风机烘干，使得棉织物上氧化石墨烯的负载量达到4.5wt％，如图6所示，喷覆后棉织物表面的氧化石墨烯为卷曲的片层结构；本发明采用喷覆的方式显著提高了棉织物表面负载氧化石墨烯的质量分数，如采用浸泡的方式棉织物表面负载氧化石墨烯的质量分数很难达到4.5wt％，即便通过提高氧化石墨烯的浓度，也无法提高负载量，因为氧化石墨烯在1.0～3.0mg/mL的质量浓度，分散性能比较好，当质量浓度超过5.0mg/mL时，液体将会变得非常粘稠，从溶液转化成为凝胶状态，无法进行浸泡得到高负载量的棉织物，而喷覆则可避免这一情况，可以方便、可控的实现在织物表面的高负载量的涂覆；

(5)将得到的氧化石墨烯改性棉织物在200℃的加热器上还原10分钟制得具有导电性能的抗紫外棉织物。

最终制得的具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率为0.22％左右，UPF值为376.87，电阻值为75.33kΩ。

对比例1

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，喷覆采用的不是雾化器，而是纳米喷雾仪，喷覆过程中还采用红外灯烘干棉织物，最终制得的具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率为4％，UPF值为86.3，电阻值为75.33kΩ。将实施例1和对比例1对比可以看出，实施例1的产品的导电和抗紫外性能优于对比例1，主要原因是溶液中片层的氧化石墨烯从雾化器喷出后变成了卷曲的片层结构，而从纳米喷雾仪喷出后，在红外灯照射下其形态发生改变，变成了卷曲的皱褶结构，卷曲的片层结构相对于卷曲的皱褶结构能够更有效地防御紫外线，进而赋予织物更加优良的抗紫外性能，同时，连续的片层结构也会赋予织物良好的导电性能。

实施例2

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，喷覆及烘干重复的次数不同，步骤(4)中棉织物上氧化石墨烯的负载量达到2.2wt％。

最终制得的具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率为2.3％左右，UPF值为40.5，电阻值为2011.7kΩ。

实施例3

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，喷覆及烘干重复的次数不同，步骤(4)中棉织物上氧化石墨烯的负载量达到3.1wt％。

最终制得的具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率为2.2％左右，UPF值为50.46，电阻值为810.8kΩ。

实施例4

一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，喷覆及烘干重复的次数不同，步骤(4)中棉织物上氧化石墨烯的负载量达到4.2wt％。

最终制得的具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率为1.6％左右，UPF值为64.1，电阻值为266.25kΩ。

将实施例1～4制得的负载不同量石墨烯的棉织物放入织物紫外透射测试仪中，任意取三个点测量，得出其紫外透过率以及UPF值，如图1和图2所示；

分别取实施例1、2、3和4制得的具有导电性能的抗紫外棉织物，在棉织物上取3组间距为10mm的两个点，其中两个点为一组，分别测试两个点之间的电阻，并取平均值，求出4个负载量的棉织物的电阻，并做出电阻值曲线如图3所示；

图1～3中，质量分数为棉织物表面负载的氧化石墨烯的质量分数，control和空白对照为未负载石墨烯的棉织物，从图中可以看出，随着棉织物表面石墨烯含量的增加，棉织物的抗紫外效果(UPF值和紫外透过率)和导电率逐渐提高；

对实施例1中得到的具有导电性能的抗紫外棉织物进行耐洗涤性能测试，步骤如下：

(d1)取5块实施例1中得到的具有导电性能的抗紫外棉织物，取其中一块为空白，其余4块进行耐洗涤测试，在150mL蒸馏水中加入225mg AATCC1993WOB标准洗涤剂洗衣粉固体粉末，配制成为WOB溶液，加入剩余样品，用铝箔纸密封容器，于摇床上水浴预热至49℃洗涤，洗涤100min时取出全部样品，然后将洗涤后的织物于蒸馏水中快速漂洗3次，后再次加入到原先的WOB溶液中继续洗涤，于125min时取出全部样品在蒸馏水中快速漂洗3次，自然风干，取其中一份样品作为洗涤1次的样品；

(d2)重复步骤(d1)得到洗涤2次、3次和4次的样品；

(d3)分别测得洗涤后样品的抗紫外性能和导电性能，如图4和图5所示，经过四次洗涤后，根据国标AATCC 61-2003《织物皂洗色牢度标准分析方法》，该织物的UPF值均保持在50以上，属于国标中的50+等级，抗紫外性能优异，织物的电阻经洗涤四次后，由72KΩ升至1.8×103KΩ，但仍具备一定的导电能力。

Claims (10)

1.一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征是：在棉织物表面喷覆氧化石墨烯后将氧化石墨烯还原为石墨烯得到具有导电性能的抗紫外棉织物，所述具有导电性能的抗紫外棉织物在波长250～450nm的紫外光下的透过率小于2％，UPF值为350～400，电阻值为5～2000kΩ。

2.根据权利要求1所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述还原前棉织物上氧化石墨烯的含量为2.2～4.5wt％。

3.根据权利要求1所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，具体操作为：首先清洗棉织物并烘干，然后配制氧化石墨烯溶液，接着使用雾化器将氧化石墨烯溶液喷覆在棉织物表面并烘干，最后进行还原。

4.根据权利要求3所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述清洗采用50±5℃的洗涤剂，所述洗涤剂是通过将8.000g洗衣粉加入800mL蒸馏水中配制得到的，所述清洗完成后采用蒸馏水漂洗至无泡沫，所述漂洗完成后置于干净的网格架上室温风干。

5.根据权利要求3所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述清洗棉织物并烘干后对棉织物进行预处理，步骤如下：

1)亲水处理：按体积份数计，将1份体积浓度为35％的氨水和5份去离子水混合，加热至60℃后，再加入1份体积浓度为30％的双氧水得到亲水处理液，将棉织物在亲水处理液中浸泡10分钟后取出，浴比1:50，用去离子水洗涤；

2)阳离子改性：将棉织物浸入由阳离子改性剂和NaOH组成的阳离子改性液中超声处理后取出，用去离子水洗涤后烘干，工艺参数为：阳离子改性液中NaOH的浓度1.0g/L，阳离子改性剂用量8owf％，温度30℃，浴比1:30，时间5分钟。

6.根据权利要求3所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述配制氧化石墨烯溶液时，先将氧化石墨烯原溶液进行稀释，再将稀释后的溶液置于超声仪器中分散。

7.根据权利要求6所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯原溶液浓度为10mg/mL，所述稀释的方法为：用移液枪移取40mL 10mg/mL的氧化石墨烯溶液于洁净的200mL容器内，配制成200mL 2mg/mL的氧化石墨烯溶液，加入磁力搅拌子搅拌2小时。

8.根据权利要求3所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述喷覆时，先用移液枪取5mL氧化石墨烯溶液加入雾化器中，喷覆在棉织物表面后烘干，再重复上述步骤。

9.根据权利要求3所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述喷覆后棉织物表面的氧化石墨烯为卷曲的片层结构。

10.根据权利要求3所述的一种具有导电性能的抗紫外棉织物的制备方法，其特征在于，所述还原采用高温热处理的方式，所述还原的温度为200℃，时间为10min。