RGO整理氧等離子體預處理棉織物

崔瀟月

（鄭州輕工業大學藝術設計學院，河南鄭州 453003）

柔性導電材料不僅具有良好的導電性，還具有輕便、柔韌性好等特點，廣泛應用于柔性電子器件、電子皮膚和可穿戴智能材料等領域。其中柔性導電紡織品是柔性導電材料的重要組成部分，應用于智能可穿戴服飾［1-2］。石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六邊形蜂窩結構二維碳納米材料，具有優異的物化性能，被廣泛應用于生物醫學、光電、能源等領域［3-4］。有研究人員將石墨烯應用于紡織材料的表面改性，得到了具有良好導電性和抗靜電性的功能性織物［5-6］。為了增強石墨烯與棉織物的結合牢度，通常需要用化學試劑對織物進行預處理，不僅消耗大量化學試劑，還會嚴重污染環境，不符合可持續發展要求［7］。等離子體處理技術是近年來發展起來的一種新型紡織品改性技術，可以在不損傷織物的基礎上獲得新的性能，具有節水節能、污染小等特點，受到廣大研究者的青睞［8］。

本研究以棉織物為基布，采用氧等離子體技術進行預處理以活化棉織物纖維表面的基團，然后采用浸漬-還原法將石墨烯附著到氧等離子體預處理的棉織物表面，探討了等離子體預處理對棉織物形貌和纖維表面基團的影響，并且研究了石墨烯整理棉織物的導電性和耐洗性。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：棉織物（80 g/m2，山東泰鵬有限責任公司），氫氧化鈉（上海化學試劑有限公司），丙酮（天津市大茂化學試劑廠），石墨粉、硝酸鈉、濃硫酸、高錳酸鉀、過氧化氫、水合肼（國藥集團化學試劑有限公司），實驗用水為自制去離子水。儀器：JG-10000F型常壓等離子體裝置（南京蘇曼等離子體科技有限公司），DGH-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司），Bruker D8型X射線衍射儀（德國Bruker公司），Nicolet iS 10傅里葉紅外光譜儀、Escal?ab 250Xi光電子能譜儀（賽默飛世爾科技有限公司），Raman Station 400拉曼光譜儀（美國Perkin Elmer公司），SU-1510掃描電鏡（日本日立公司），Model 280 SI四探針測試儀（美國Four Dimensions Inc.）。

1.2 棉織物的氧等離子體預處理

將棉織物裁切為6 cm×6 cm的小樣，放入丙酮與氫氧化鈉混合溶液中超聲60 min，取出后用去離子水清洗干凈，80 ℃干燥4 h，置于處理臺進行等離子體預處理（處理氣體為氧氣、流量為1 L/min，處理功率300 W，處理時間5 min）。

1.3 氧化石墨烯的制備

將1 g石墨粉與0.5 g硝酸鈉混合均勻，再加入25 mL濃硫酸和3 g高錳酸鉀，冰浴中超聲攪拌1 h，然后升溫至（35±2）℃，保溫0.5 h后加入50 mL去離子水，繼續保溫0.5 h，自然冷卻至25 ℃，滴加20 mL 3%的過氧化氫溶液，離心過濾，得到氧化石墨烯粉末，記錄為GO。

1.4 石墨烯整理等離子體預處理棉織物

圖1 氧化石墨烯的XRD(a)、FT-IR(b)、Raman(c)和SEM(d)圖

將等離子體預處理棉織物浸入1%的氧化石墨烯分散液中，轉移至60 ℃恒溫水浴鍋中處理60 min，采用二浸二軋工藝（壓力0.2 MPa，軋余率70%）處理得到氧化石墨烯整理等離子體預處理棉織物（GOP-棉織物）。將該棉織物放入0.1 mol/L水合肼溶液中，恒溫90 ℃還原4 h，用去離子水清洗干凈，80 ℃干燥4 h，得到還原氧化石墨烯整理等離子體預處理棉織物（RGO-P-棉織物）。采用類似方法得到氧化石墨烯整理未預處理棉織物（GO-棉織物）和還原氧化石墨烯整理未預處理棉織物（RGO-棉織物）。

1.5 測試

表面電阻：采用四探針測試儀分別測試靠近四角區域和中心區域的表面電阻，取平均值。

耐洗性能：測試棉織物洗滌不同次數后的表面電阻，取平均值。

耐皂洗色牢度：參照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》測試。

2 結果與討論

2.1 氧化石墨烯的表征

由圖1a可以看出，2θ=10.5°處的衍射峰對應氧化石墨烯的(100)晶面，沒有石墨的衍射峰，表明石墨氧化剝離后充分氧化為氧化石墨烯。由圖1b可以看出，3 400 cm-1處較寬的吸收峰對應羥基的伸縮振動，這是因為氧化石墨烯含水，表明石墨被氧化后容易吸水；1 700 cm-1處的吸收峰對應羧基中碳氧鍵的伸縮振動；1 622 cm-1處的吸收峰為氧化石墨烯中碳碳雙鍵的伸縮振動；1 398 cm-1處的吸收峰為碳氫鍵的面內彎曲振動，1 226 cm-1處的吸收峰為環氧基中碳氧鍵的伸縮振動；1 065 cm-1處的吸收峰為醚鍵的伸縮振動；802 cm-1處的吸收峰為芳烴中碳氫鍵的面外彎曲振動。這些吸收峰表明氧化石墨烯中存在羧基、環氧基和羥基等官能團，也表明石墨被充分氧化為氧化石墨烯。由圖1c可知，氧化石墨烯出現D峰（1 358 cm-1）和G峰（1 590 cm-1），D峰對應sp2雜化的碳原子呼吸振動，G峰對應碳環或長鏈中sp2雜化的原子對拉伸，峰強比值（ID/IG）為0.76［9］。由圖1d可以看出，氧化石墨烯為表面呈現褶皺的片狀結構。

由圖2a、圖2c可知，氧等離子體預處理前后棉織物均只含C、O兩種元素，氧等離子體預處理后棉織物表面的C質量分數下降，O質量分數升高。由圖2b、圖2d可以看出，氧等離子體預處理前，棉織物在288.0、286.5和285.0 eV處的峰分別對應CO、C—O和C—C/C—H；氧等離子體預處理后，棉織物纖維在288.0、286.5和285.0 eV處的峰仍然存在，在289.0 eV處出現新峰，這歸因于O—CO的產生［10］。

圖2 氧等離子體預處理前后棉織物的XPS譜

由表1可以看出，氧等離子體預處理后，棉織物的C質量分數從83.8%下降到65.5%，O質量分數從16.2%上升到34.5%，O、C質量比從0.19上升到0.53；另外，C—C/C—H由58.7%下降為36.8%，CO、C—O和O—CO質量分數均增加，這表明氧等離子體預處理增加了棉織物纖維中含氧官能團的數量。

表1 氧等離子體預處理前后元素組成及官能團對比

由圖3可以看出，氧等離子體預處理前棉織物纖維的表面較光滑，表面粗糙度為56.8 nm；氧等離子體預處理后棉織物纖維的表面明顯變粗糙，表面粗糙度為264.3 nm。

圖3 氧等離子體預處理前(a)后(b)棉織物纖維的SEM圖

2.2 RGO整理氧等離子體預處理棉織物的導電性及耐水洗性

由圖4可知，GO-P-棉織物在10.1°、14.7°、16.7°、22.8°處存在衍射峰，分別對應氧化石墨烯的(100)晶面和棉織物纖維的(101)、(10)和(002)晶面，表明氧化石墨烯成功附著于棉織物表面。RGO-P-棉織物在10.1°處的衍射峰消失，推測氧化石墨烯已被還原；還原后棉織物的特征衍射峰增強，這歸因于氧化石墨烯被還原增加了棉織物纖維的結晶性能［11］。另外，RGO-P-棉織物的XRD圖譜中未發現還原氧化石墨烯的衍射峰，這可能是由于還原氧化石墨烯的衍射峰相對較弱，而棉織物纖維的衍射峰較強。

圖4 GO-P-棉織物(a)和RGO-P-棉織物(b)的XRD譜

由圖5可知，GO-P-棉織物在1 355、1 590 cm-1處的峰分別對應氧化石墨烯的D峰和G峰，表明氧化石墨烯成功附著于棉織物纖維表面。還原后D峰和G峰的位置分別為1340、1585 cm-1，另外，ID/IG由0.85升高為1.05，這表明氧化石墨烯已被還原。

由表2可以看出，GO或RGO整理氧等離子體預處理棉織物的表面電阻低于GO或RGO整理未預處理棉織物。這是由于氧等離子體預處理后，棉織物纖維表面更粗糙，含氧官能團增加，有利于氧化石墨烯的附著。水洗后棉織物的表面電阻都上升，這是由于水洗會使棉織物表面的氧化石墨烯和還原氧化石墨烯脫落，水洗20次后，RGO-P-棉織物的表面電阻為54.3 kΩ/sq，仍低于未水洗RGO-棉織物。

表2 石墨烯整理氧等離子預處理棉織物水洗前后的表面電阻

3 結論

氧等離子體預處理可以增加棉織物纖維中的含氧官能團以及表面粗糙度，有利于增加石墨烯在棉織物表面的附著力，增強RGO整理棉織物的導電性以及耐洗性。