等离子体处理对石墨烯复合棉织物性能的影响

技术专论等离子体处理对石墨烯复合棉织物性能的影响杨 盈 陈卓明 何 姗 辛斌杰 刘晓霞(上海工程技术大学,上海,201620)摘要: 探讨等离子体处理对石墨烯复合棉织物性能的影响㊂采用等离子体技术处理棉织物,结合浸渍-还原法在棉织物表面沉积还原石墨烯薄层㊂测试了等离子体处理过程中氧氩比例㊁处理时间和处理功率等因素对棉织物导电性能㊁微观形貌㊁耐水洗性能和表面浸润性能的影响,进而讨论了等离子体处理对棉织物与石墨烯之间黏合牢度的影响㊂研究结果表明:在氧氩比例为3∶9㊁处理时间为25m i n㊁处理功率为230W时所获得的石墨烯复合棉织物黏合牢度较理想㊂认为:通过等离子体处理能有效增强棉织物表面粗糙度,增加棉织物与石墨烯之间的黏合牢度,从而提高复合棉织物的导电性能㊂关键词: 等离子体;浸渍-还原法;石墨烯;黏合牢度;导电织物中图分类号:T S101.3 文献标志码:A 文章编号:1000-7415(2019)04-0001-05I n f l u e n c e o fP l a s m aT r e a t m e n t o nG r a p h e n eC o m p o s i t e dC o t t o nF a b r i cP r o p e r t yY A N GY i n g C H E NZ h u o m i n g H ES h a n X I NB i n j i e L I UX i a o x i a(S h a n g h a iU n i v e r s i t y o fE n g i n e e r i n g S c i e n c e,S h a n g h a i,201620)A b s t r a c t I n f l u e n c e o f p l a s m a t r e a t m e n t o n g r a p h e n e c o m p o s i t e d c o t t o n f a b r i c s p r o p e r t y w a s d i s c u s s e d.P l a s-m a t e c h n o l o g y w a s a d o p t e d t o t r e a t c o t t o n f a b r i c s.I mm e r s i o n-r e d u c t i o nm e t h o dw a s c o m b i n e d f o r t h ed e p o s i t i o n a n d r e d u c t i o no f g r a p h e n e t h i n l a y e r o n t h e s u r f a c e o f c o t t o n f a b r i c.T h e i n f l u e n c e o f t h e e l e m e n t s l i k e o x y g e n a r-g o n p r o p o r t i o n,t r e a t m e n t t i m e,t r e a t m e n t p o w e r a n ds oo nd u r i n gp l a s m a t r e a t m e n t o nt h e p r o p e r t i e so f c o t t o n f a b r i c s l i k e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y,m i c r o s t r u c t u r e,w a s h a b i l i t y a n d s u r f a c e i mm e r s i o n p r o p e r t y w e r e t e s t e d.M o r e-o v e r,i n f l u e n c eo f p l a s m at r e a t m e n to na d h e s i o nf a s t n e s sb e t w e e nc o t t o nf a b r i ca n d g r a p h e n ew a sf u r t h e rd i s-c u s s e d.T h e r e s e a r c hr e s u l t s s h o w e dt h a t t h ea d h e s i o n f a s t n e s so f g r a p h e n e c o m p o s i t e dc o t t o n f a b r i cw a sb e t t e r w h e nt h e o x y g e n a r g o n p r o p o r t i o nw a s3∶9,t h e t r e a t m e n t t i m ew a s25m i n a n d t h e t r e a t m e n t p o w e rw a s230W.I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f c o t t o n f a b r i c c a nb e e f f e c t i v e l y e n l a r g e d t h r o u g h p l a s m a t r e a t m e n t. T h e a d h e s i o n f a s t n e s sb e t w e e nc o t t o nf a b r i ca n d g r a p h e n ec a nb ee n h a n c e d.T h e nt h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o m p o s i t e d c o t t o n f a b r i c i s i n c r e a s e d.K e y W o r d s P l a s m a,I mm e r s i o n-r e d u c t i o n M e t h o d,G r a p h e n e,A d h e s i o nF a s t n e s s,C o n d u c t i v eF a b r i c1 研究背景随着科学技术的迅速发展,静电的危害已不仅局限于安全生产和服用舒适性等方面,与此同基金项目:上海高校青年教师培养资助计划项目(Z Z G C D16028);上海工程技术大学引进人才科研启动基金(G C D-X Q2016-27);上海工程技术大学市级大学生科研创新训练项目(c s1809004)作者简介:杨盈(1997 ),女;陈卓明,通信作者,讲师,c h e n z-h u o m i n g178074@163.c o m收稿日期:2018-01-02时,在电子通讯㊁军事㊁医疗和人工智能等方面出现了对智能纤维和智能织物更高的导电和防静电要求[1]㊂石墨烯是一种独特的二维碳纳米材料,由于其优异的透光率㊁导电性㊁机械性能㊁热稳定性和化学稳定性等,被广泛应用于光电㊁能源㊁材料㊁生物医学等领域[2-4]㊂目前,许多研究集中在通过石墨烯优越的导电性能对纺织材料进行表面改性处理㊂有研究表明,通过还原法制备的石墨烯复合棉织物导电性能得到了明显改善[5-6]㊂为了增强氧化石墨烯(以下简称G O)与织物之间的黏合牢度以改善导电织物的耐用性能,一般采用=================================================硅烷偶联剂(K H-560)等化学试剂对织物进行预处理,然而此方法需要消耗化学试剂,对环境存在水污染,不符合绿色节能减排的要求[7-8]㊂等离子体处理技术作为一种环境友好型表面整理方法,通过气体体系对织物进行预处理,属于干性系列的反应体系,节水节能且环境污染和公害少,目前受到了广大研究者的青睐[9-10]㊂本文以棉织物为基布,采用等离子体对棉织物表面进行刻蚀,使棉织物表面的基团活化,然后采用浸渍-还原法将石墨烯沉积到预处理后的棉织物表面,从而获得黏合牢度良好的石墨烯复合棉织物㊂探究等离子体刻蚀过程不同氧氩比例㊁处理时间和功率对棉织物与石墨烯的黏合牢度的影响,并对石墨烯复合棉织物的导电性能㊁微观形貌㊁耐水洗性能和表面浸润性能进行研究分析㊂2 试验部分2.1 材料和设备材料:纯棉机织物,单位面积质量60g/m2,经密511.5根/10c m,纬密511.5根/10c m㊂将其裁剪成15c m×15c m的方形布样㊂G O粉末(固含量42.78%);水合肼(质量分数80%)用于还原G O㊂所用试剂均为分析级试剂㊂设备:K Q-50B型超声波清洗器;H G-9075A 型电热鼓风干燥箱;P E C V D-601型全自动等离子体化学气相沉积;S Z T-2C型四探针测试仪;J E-O L J S M-840型扫描电子显微镜;K R U S SD S A30型接触角测试仪㊂2.2 试验方法首先采用一定量的丙酮与氢氧化钠混合溶液对纯棉织物进行2h密封超声清洗,然后用去离子水漂洗直至溶剂去除干净,接着放入80℃烘箱中干燥5h㊂将烘干的棉织物放入等离子体设备中进行表面处理;将处理后的棉织物浸渍在装有质量分数0.8%的G O分散液烧杯中,将其整体放入60℃恒温水浴锅处理1h制备得到G O复合棉织物; 二浸二轧”工艺处理(压力0.2M P a,残余率70%),随后放入90℃且质量分数为80%水合肼稀释液中还原5h,使用去离子水冲洗完毕后放入80℃烘箱中干燥5h得到石墨烯复合棉织物㊂研究等离子体处理工艺参数(非聚合性单体种类㊁处理功率和处理时间)对石墨烯复合棉织物导电性能的影响规律㊂2.3 测试与表征采用四探针测试仪研究不同样品的表面电阻,并取5次测量结果的平均值进行导电性能分析㊂采用扫描电子显微镜观察等离子处理前后棉织物以及石墨烯复合棉织物的表面微观形貌㊂参照G B/T3921 2008‘纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度“测试样品不同洗涤次数后的表面电阻,取5次测量结果的平均值,以评价织物的耐水洗牢度㊂根据G B/T30447 2013‘纳米薄膜接触角测量方法“,使用接触角测试仪研究不同样品的表面浸润性能㊂3 结果与讨论3.1 导电性能根据本课题组先前的研究结果可知,未经等离子体预处理制备得到的石墨烯复合棉织物的表面电阻为76.3kΩ/s q㊂表1是经过不同等离子体参数处理后石墨烯复合棉织物的表面方阻㊂其中:复合织物A的处理功率170W,处理时间15m i n;复合织物B的O2∶A r为3∶9,处理时间15m i n;复合织物C的O2∶A r为3∶9,处理功率230W㊂表1显示,不同等离子体处理工艺(除了采用纯氧气等离子体处理)在一定程度上降低了石墨烯复合棉织物的表面电阻,使其导电性能得到改善㊂在氩气含量较高的氧氩混合等离子体处理下,即O2∶A r为3∶9),石墨烯复合棉织物的表面电阻值较低,并达到4.1kΩ/s q;随着混合气体中氧气含量的增加,织物的表面电阻值逐渐增加,并在纯氧气等离子体处理时升至120kΩ/s q㊂此外,随着等离子体处理功率由110W增加至140W,织物的表面电阻值出现了明显的下降,后续随着处理功率的增加,表面电阻保持缓慢下降趋势,在230W时达到2.6kΩ/s q㊂与处理功率相似,石墨烯复合棉织物的表面方阻随着等离子体处理时间的增加呈现逐渐下降趋势,并在25m i n时降至1.7kΩ/s q,表明其导电性能逐步得到改善㊂这主要由于一定程度的等离子体处理在不破坏棉织物的表面性能前提下,能有效地对棉织物表面进行刻蚀,并且随着混合气体中氧气含量的减少以及处理功率和时间的增加,等离子体处理对棉织物的刻蚀效果逐渐增强,因此进一步增加了G O在棉纤维表面的沉积含量,使得还原得到的石墨烯增多并且在棉织物表面的=================================================分布更加密集,进而使得石墨烯的间隙变小,从而逐步构建形成连续均匀的导电网络,满足了电子流通,最终提高了织物的导电性能[11]㊂因此,本文进一步研究了等离子体处理中,不同比例的氧气和氩气混合气体对棉织物表面形貌的影响㊂表1 石墨烯复合棉织物在不同等离子体处理参数下的表面方阻3.2 微观形貌图1是不同氧气与氩气比例等离子体处理前后棉纤维的扫描电镜图㊂如图1所示,未经等离子体处理的棉纤维表面粗糙不平整,存在天然卷曲和扁平带状褶痕㊂经过O 2∶A r 为3∶9的等离子体处理后,棉纤维表面出现了明显的突起,棉纤维的表面粗糙度进一步增加,然而随着混合气体中氧气含量的增加,等离子体的刻蚀效果逐渐减弱,棉纤维表面粗糙度降低,并且当O 2∶A r 达到9∶3时,棉纤维表面出现了明显的裂痕㊂上述研究结果表明,当混合气体中氩气含量较高时,等离子体对棉纤维的刻蚀效果较为明显㊂(a )原棉纤维 (b )O 2∶Ar 为3∶9(c )O 2∶A r 为6∶6 (d )O 2∶A r 为9∶3图1 不同氧氩比例等离子体处理棉纤维的扫描电镜图图2是等离子体处理前后的棉纤维经过浸渍-还原法制备得到的石墨烯复合棉织物的扫描电镜图㊂由于O 2∶A r 为3∶9的等离子体处理增加了棉纤维表面的粗糙度,从而增强了石墨烯与棉纤维的结合力,使沉积到棉纤维表面的还原石墨烯含量增加,填补了纤维和纱线之间的空隙,见图2(a )和图2(b )㊂图2(c )和图2(d )显示,经等离子体处理后,石墨烯在棉织物表面的分布更加密集,从而减少了石墨烯之间的间隙,使其能够构建形成完整连续的导电网络㊂可见,微观形貌的研究结果与导电性能的研究结论相一致㊂(a )原棉织物(1000倍)(b )石墨烯复合棉织物(1000倍)(c )原棉织物(20000倍)(d )石墨烯复合棉织物(20000倍)图2 等离子体处理前后织物扫描电镜图3.3 耐水洗性能表2列出了石墨烯复合棉织物水洗前后的方阻值㊂由表1可见,采用O 2∶A r 为9∶3和12∶0进行等离子体处理后的石墨烯复合棉织物在水洗20次以后的方阻值大于处理前㊂其主要原因是采用氧气含量较多的混合气体进行等离子体处理的刻蚀效果较弱,使原棉纤维表面的粗糙度降低,从而减弱了石墨烯和棉纤维的结合力,该试验结果与微观形貌结论相一致㊂而经过其他等离子体参数处理后的石墨烯复合棉织物,其方阻=================================================值在水洗20次后均小于未经等离子体处理石墨烯复合棉织物水洗20次以后的方阻值,说明采用一定工艺参数的等离子体处理棉织物能有效改善石墨烯与棉织物的黏合牢度,进一步减少了石墨烯在水洗过程中的脱落,从而提高了石墨烯复合棉织物的导电耐水洗性能㊂此外,等离子体处理后的石墨烯复合棉织物在洗涤20次后的织物方阻值明显小于未经等离子体处理的石墨烯复合棉织物㊂研究结果进一步表明,采用一定参数下的等离子体处理能有效刻蚀棉纤维表面,从而加强石墨烯与棉纤维的结合力,提高石墨烯复合棉织物的导电持久性能㊂表2 等离子体处理对石墨烯复合棉织物水洗后方阻值的影响图3是基于等离子体处理前后的石墨烯复合棉织物在水洗前后的扫描电镜图㊂由图3可见,未经等离子体处理的石墨烯复合棉织物,其石墨烯膜层在水洗后出现破损断裂,而经过等离子体处理的石墨烯复合棉织物,其石墨烯膜层在水洗20次后仍保持良好的完整性㊂上述结果表明,等离子体处理能有效增强石墨烯与棉织物的黏合牢度,从而一定程度上改善了石墨烯复合棉织物的导电耐水洗性能㊂(a )未处理织物水洗前 (b )未处理织物水洗20次(c )处理织物水洗前 (d )处理织物水洗20次图3 石墨烯复合棉织物扫描电镜图3.4 表面浸润性能等离子体处理前后的原棉织物以及石墨烯复合棉织物的表面浸润性能可通过测试静态接触角表征[12]㊂根据 润湿模型”原理,经测试可知,当水滴接触等离子体处理前后的棉织物表面均被立刻吸收,说明等离子体处理没有影响棉织物良好的亲水性能㊂而石墨烯复合棉织物的水静态接触角为96.1°,并且经过等离子体处理后(O 2∶Ar 为3∶9,170W ,15m i n )的水静态接触角增加至103.9°㊂这主要由于等离子体处理增强了石墨烯与棉织物的黏合牢度,使沉积到棉纤维表面的还原石墨烯含量增加,并填充了纤维与纤维之间的空隙,一定程度阻碍了水分子的渗透㊁吸收和毛细效应,使得等离子体处理后的石墨烯复合棉织物的疏水性能有所改善[13]㊂4 结论研究以棉织物为基底,采用浸渍-还原法在棉织物表面沉积石墨烯制备具有良好导电性能的石墨烯复合棉织物㊂为了提高导电织物的耐水洗性能和导电持久性能,采用了等离子体技术对棉织物进行预处理㊂研究结果表明,在氩气含量较高的氧氩混合气体条件下(O 2∶Ar 为3∶9),对棉=================================================织物进行一定时间和功率的等离子体处理能有效增强其表面粗糙程度,而且石墨烯复合棉织物的导电性能随着处理时间和功率的增加呈现上升趋势㊂此外,等离子体处理可增加棉织物与石墨烯之间的黏合牢度,从而提高棉织物的导电耐水洗性能㊂最终制备的石墨烯复合棉织物在柔性可穿戴电子传感器等电子器件上具有良好的应用前景㊂参考文献:[1] 张红.静电对电子元器件的危害与有效防护[J ].电子技术与软件工程,2018(10):94-95.[2] 史文贤.石墨烯电极及其在有机光电子器件中的应用[J ].科技信息,2012(14):120-121.[3] 冯昕钰,樊国栋,刘超.石墨烯薄膜的制备及其在电子材料中的应用[J ].材料导报,2015(13):44-48.[4] 祝钦,刘晓霞,俞侃,等.一种石墨烯银复合织物电极的制备与研究[J ].棉纺织技术,2017,45(6):21-24.[5] 陈卓明,杨盈,何姗,等.高导电石墨烯/银复合棉织物的制备及性能研究[J ].上海纺织科技,2018,46(8):12-15,34.[6] H ES h a n ,X I NB i n j i e ,C H E NZ h u o m i n g ,e t a l .F u n c -t i o n a l i z a t i o no fC o t t o nb y R e d u c e dG r a ph e n eO x i d e f o r I m p r o v e dE l e c t r i c a l C o n d u c t i v i t y [J ].T e x t 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,2017(7):21901-21905.㊃信息窗㊃‘棉纺织技术“第二十四次编委会在苏州召开‘棉纺织技术“第二十四次编委会于2019年3月20日 21日在江苏苏州举行,共有35位编委及5位特邀代表专程莅临会场共商‘棉纺织技术“期刊发展大计㊂会议由‘棉纺织技术“期刊资深编委阎磊教授级高级工程师主持,陕西省纺织科学研究院院长㊁‘棉纺织技术“期刊社社长刘强致欢迎词㊂‘棉纺织技术“期刊李小兰主编做了题为 发乎于心践之于行开创期刊高质量发展新时代”的工作报告,总结了期刊近两年在提高期刊学术质量和编校质量㊁探索出版规律㊁致力媒体融合等方面取得的成绩和存在的疑惑㊂会上,各位编委及代表对编辑部两年来的工作给予了充分肯定,并紧密围绕期刊如何更有效地履行社会责任㊁媒体融合如何满足纺织行业需求㊁期刊学术评价指标提升与服务企业的初心如何更好契合等问题进行了深入研讨㊂编委们畅所欲言,纷纷为‘棉纺织技术“期刊的发展献计献策,不仅更加坚定了‘棉纺织技术“服务于企业的初心,更指明了期刊今后的努力方向,提出了期刊今后的工作重点,例如:将院校㊁纺机企业㊁纺织企业联合起来,打通知识链条并取长补短,充分发挥行业合力取得共赢;加大行业热点和难点的报道,尤其是当下热点 智能纺专题,引导行业理性㊁健康发展;加快媒体融合步伐,拓展知识服务模式等㊂会议在紧张㊁热烈㊁有序的氛围中圆满结束㊂编委们提出的建议,编辑部将在今后的工作中不断探讨㊁实践㊁落实,秉承初心办好期刊,勇担历史使命,为新时代的纺织行业做出新的㊁更大的贡献㊂本刊通讯员=================================================。