碳納米管對棉織物的表面改性

馮 云，梁敏依，莊佳麗，范琴琴，郭曉俊

（1.寧波海關技術中心，浙江寧波 315000；2.寧波獅丹努集團有限公司，浙江寧波 315000）

碳納米管又名巴基管，是一種具有特殊結構的一維量子材料，徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。碳納米管作為一維納米材料，自20 世紀90 年代初被發現以來，由于其前所未有的物理和化學性質，例如熱學、力學和電學特性［1-4］，在材料科學和工程的大多數領域成為實際應用的理想選擇和研究對象。目前，利用碳納米管作為改性劑［5］以提高傳統聚合物材料的光電子［6-7］和機械［8-9］性能，并賦予這些材料新的功能，是一個熱門的研究方向。

本研究介紹了碳納米管對棉織物的功能化涂層改性對其性能的影響。

1 實驗

1.1 材料及設備

材料：純棉平紋織物，聚丙烯酸丁酯（PBA），多壁碳納米管（CNT，采用催化化學氣相沉積法合成，未經進一步純化，直徑10～30 nm，長度0.5～40.0 μm，比表面積100～150 m2/g）。

設備：Instron 3365 型材料試驗機，JEOL JSM-6335F 型掃描電子顯微鏡（FE-SEM），Atlas M233M 型垂直燃燒儀，UV1000F 型防紫外線系數測試儀（美國藍菲）。

1.2 碳納米管對棉纖維的改性

首先，用聚丙烯酸丁酯與碳納米管配制CNTPBA 乳液［10］，采用浸軋-干燥-固化整理工藝對棉織物進行改性［11］。

具體操作如下：用非離子洗滌劑對棉織物進行清洗，去除棉織物表面的蠟、油脂和其他整理劑，干燥備用；碳納米管表面接枝PBA，得到CNT-PBA 乳液；棉織物在CNT-PBA 乳液中浸泡1 min，通過245.2 kPa 壓力的軋車，帶液率60%，然后在80 ℃下預烘5 min，再在120 ℃下定形3 min；樣品用去離子水沖洗幾次以除去吸附的碳納米管和表面活性劑，最后在120 ℃下干燥3 min。

1.3 測試

表面形貌：普通未改性棉纖維和碳納米管改性棉纖維的微觀表面形貌用掃描電子顯微鏡進行觀察。

拉伸強度：根據GB/T 3923.2—2013《紡織品 織物拉伸性能第2 部分：斷裂強力的測定（抓樣法）》進行測試。

撕破強度：根據GB/T 3917.1—2009《紡織品 織物撕破性能第1 部分：沖擊擺錘法撕破強力的測定》進行測試。

燃燒性能：根據GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續燃時間的測定》中的垂直燃燒法測試。

防紫外線性能：根據GB/T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評定》進行測試。

2 結果與討論

2.1 表面形貌

涂層處理前后棉纖維的表面形貌如圖1 所示，圖1a、圖1b 分別為改性前的棉纖維和碳納米管改性后的棉纖維。由圖1 可以看出，改性前棉纖維的表面相對比較光滑，而改性后的棉纖維表面相對比較粗糙，被一層致密的碳納米管均勻覆蓋。

圖1 改性前（a）和碳納米管改性后（b）棉纖維的掃描電子顯微鏡圖

2.2 機械性能

采用不同用量碳納米管改性處理后，棉織物的機械性能如表1 所示。由表1 可以看出，經碳納米管改性處理后，棉纖維無論是拉伸強度還是撕破強度都大大提高，隨著碳納米管用量的增加，拉伸強度和撕破強度顯著增加。結合掃描電鏡照片可以發現，碳納米管高度交聯在棉纖維表面，形成一個碳納米管涂層，對棉纖維起到了很好的加固和包裹作用，從而提高了棉纖維整體的機械性能。

表1 不同用量碳納米管改性棉纖維的機械強度

2.3 阻燃性能

紡織品的阻燃性能可通過描述其燃燒狀態及燃燒持續時間來表征，例如是否可點燃、燃燒的狀態以及持久燃燒（陰燃）的時間長短等。垂直燃燒試驗結果見表2。由表2 可以看出，未處理棉織物、0.5%和1.0%的碳納米管改性棉織物可以直接點燃，完全燃燒；當碳納米管用量增加到2.0%時，改性棉織物無法完全燃燒，呈燒焦狀，且燃燒或陰燃時間持續250 s，阻燃性能有所提升。因為當碳納米管用量較低時，碳納米管的數量不夠在棉纖維上形成連續的保護層，用量增加后，碳納米管在棉纖維表面形成了連續的保護層，阻燃性能提高。當碳納米管的用量增加到3.0%以上時，改性棉纖維具有很好的阻燃性能，說明棉纖維上已經均勻覆蓋包裹了一層致密的碳納米管，促進固體炭的形成以保護芯部的棉纖維不被燃燒。

表2 不同用量碳納米管改性棉纖維的阻燃性能

2.4 防紫外線性能

根據波長，紫外線可以分為3 個波段：UVA（320～400 nm）、UVB（290～320 nm）和UVC（100～290 nm）。因為UVC 被地球平流層臭氧所吸收，所以到達地面上的紫外線只有波長為290～400 nm 的紫外線。UVA會使表皮曬黑，而UVB 會引起皮膚紅斑和灼傷。在紡織品防紫外線性能的評價標準中，紫外線防護指數UPF 值被廣泛使用，表3 總結了未改性和碳納米管改性棉織物的防紫外線性能。由表3 可知，隨著碳納米管用量的增加，UPF 值逐漸增大，0.5%碳納米管改性棉纖維的UPF 值已經達到50+，具有很好的防紫外線性能。這是由于改性棉纖維表面的碳納米管覆蓋均勻，纖維縫隙更小，對光線遮蔽能力更強；此外，碳納米管的顏色屬于深色，也可以有效吸收紫外線輻射。

表3 不同用量碳納米管改性棉纖維的防紫外線性能

3 結論

采用CNT-PBA 乳液對織物進行浸軋高溫固化工藝處理，使碳納米管均勻包覆于天然棉纖維表面，并對其功能性進行測試。由于碳納米管在棉纖維表面均勻覆蓋，改性棉纖維比普通棉纖維表現出了優異的機械強度、阻燃性能和防紫外線性能。這種碳納米管改性技術對特殊功能的紡織品開發具有很大的研究意義和潛在的應用價值。