GO用量对氧化石墨烯改性棉织物和RGO/棉织物防紫外线性能的影响

采用原位自还原法制备了还原氧化石墨烯改性棉织物，通过正交试验得出了较优制备工艺：氧化石墨烯质量分数1.14%（omf），还原温度90℃，还原时间2.5 h，pH值3。测试了还原氧化石墨烯改性棉织物的抗菌性能、防紫外线性能、耐水洗性能和断裂强力。

结果表明：负载氧化石墨烯可以有效改善棉织物的抗菌性能、防紫外线性能；经过原位自还原后，还原氧化石墨烯改性棉织物的抗菌性能、防紫外线性能和断裂强力均有所提高；在50次标准水洗后，还原氧化石墨烯改性棉织物的防紫外线性能和抗菌性能仍然优良。

认为：经过还原氧化石墨烯改性后，棉织物具有较好的抗菌性能和防紫外线性能，织物耐水洗性较好，断裂强力提升。

棉织物柔软透气、吸湿性好，是纺织服装行业使用量较大的织物材料。随着人民生活水平的提高，传统的棉织物已不能完全满足人们的需求，多功能纺织品的需求越来越大。功能改性棉织物是在保留其原有优良性能的前提下，赋予棉织物抗菌、防紫外线、导电等功能

石墨烯具有优异的电学、磁学、力学、热学等物理和化学性能，在纳米电子器件、生化传感器、太阳能电池、超级电容器、锂离子电池及复合材料等领域应用前景广阔。有科研工作者设想将石墨烯负载在棉织物上，但石墨烯与棉织物之间没有亲和力，难于与棉织物直接结合。氧化石墨烯（以下简称GO）是石墨烯的重要衍生物，其表面具有羧基、羟基等含氧官能团，使其带负电荷，片层之间通过静电排斥作用，可达到较好的分散效果，在水溶液中也能均匀分散。采用不同的还原方法，如化学还原剂还原法、水热/溶剂热还原法、电化学还原法和微波辅助还原法等可得到还原氧化石墨烯（以下简称RGO）。

下述研究基于GO上的含氧官能团能与棉织物的活性位点发生吸附，采用原位自还原法制备了还原氧化石墨烯改性棉织物（以下简称RGO/棉织物），对其形貌进行了表征，分析了GO用量对氧化石墨烯改性棉织物（以下简称GO/棉织物）和RGO/棉织物防紫外线性能的影响，测试了棉织物原样和RGO/棉织物的抗菌性能、耐水洗性、拉伸性能等。

实验部分

1、试验原料和仪器织物

棉织物（C27.8×C27.8425×228）。药品有GO（自制）、去离子水、JFC。仪器有JA2003型上皿电子天平、101AB⁃1型电热恒温鼓风干燥箱、Datacolor Tools Plus型测色配色仪、EM⁃30型扫描电镜、IS10型傅里叶红外光谱测试仪、912E型纺织品防紫外性能测试仪、YG（B）342D型织物感应式静电测试仪、YG（B）065H⁃250型强力仪。

2、试验及测试方法

RGO/棉织物的制备：称取一定量的GO溶解在去离子水中，超声波处理30min，得到均匀分散的GO溶液；将5cm×5cm棉织物浸入GO溶液，初次浸渍1h，烘干，多次重复“浸⁃烘”操作，直至GO溶液完全处理到棉织物上；将GO/棉织物于85℃~95℃还原2h~3h，制得RGO/棉织物，制备流程如下图所示。

β值：由于GO/棉织物呈黄棕色，所以试验以Δb值反映GO/棉织物的还原程度。采用Datacolor Tools Plus型测色配色仪，在D65/10°光源下，测试GO/棉织物还原前后的b值，试样测试3次，取平均值，计算其Δb值。

扫描电子显微镜（SEM）测试：采用EM⁃30型扫描电子显微镜观察棉织物原样和RGO/棉织物的表观形貌。

傅里叶红外光谱测试：采用IS10型傅里叶红外光谱仪对棉织物原样与RGO/棉织物进行红外光谱测试分析。

防紫外线性能测试：参照AS/NZS 4399—1996《日光防护服评定和分级》，按照式（1）计算紫外线防护系数UPF值，TUVA为长波紫外线透射比，TUVB为短波紫外线透射比。下表为紫外防护系数和防护等级。

UPF=5.374/（4.705TUVB+1.025TUVA）（1）

抗菌性能测试：参照GB/T 20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》，选取金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作为试验菌种，按式（2）计算抑菌率Y，Wb为标准空白试样震荡接触18 h~24 h后烧瓶内的活菌浓度，Wa为抗菌织物试样震荡接触18 h~24 h后烧瓶内的活菌浓度。

Y=（Wb-Wa）/Wb×100%（2）

耐洗性能测试:参照FZ/T 73023—2006《抗菌针织品》中附录Ｃ的简化洗涤条件及程序，对RGO/棉织物分别进行5次、20次、30次、50次洗涤。洗涤条件及工艺：用2 g/L标准合成洗涤剂，在浴比1∶30、水温（40±2）℃的条件下，洗涤5 min，然后在室温下用水清洗2 min，记为洗涤一次。将洗涤后的RGO/棉织物进行防紫外线性能测试和抗菌性能测试。

拉伸性能测试:上图RGO/棉织物的制备过程参照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》，测试处理前后棉织物的拉伸性能。

实验结果

1、正交试验

为了解GO在棉织物上的负载还原情况，在单因素试验基础上，进行L（934）正交试验，因素水平设计见下表。以Δb值反映GO负载棉织物的还原程度。Δb值越大，GO被还原的程度越高，所负载的RGO越多，试验结果见下表。

分析表中数据可知，RGO/棉织物的最佳制备工艺为：GO用量1.14%（omf），还原温度90℃，还原时间2.5h，pH值为3；由极差R分析可知，上述4个因素对棉织物Δb值的影响顺序依次为：还原温度>pH值>还原时间>GO用量。

2、SEM分析

按照上述试验方法制备RGO/棉织物，对棉织物和RGO/棉织物进行SEM表征，如下图所示。图（a）中棉织物表面的纤维表面光滑，呈扁平带状并具有天然扭曲，图（b）中棉织物表面的纤维被一层有褶皱的片状薄膜物质覆盖。

3、傅里叶红外光谱分析

下图为棉织物原样和RGO/棉织物的傅里叶红外光谱图。由图可见，棉织物原样的傅里叶红外光谱在3340cm-1、2900cm-1、1345cm-1和1050cm-1处均存在明显的吸收特征峰，分别代表—OH伸缩振动峰、—CH伸缩振动峰、—CH弯曲振动峰和C—O伸缩振动峰。与棉织物原样相比，RGO/棉织物的光谱上没有出现新特征峰，也无特征峰的明显偏移，但在3340cm-1~1 050cm-1范围内上述特征峰的峰强均有不同程度增大，这表明由碳原子组成并带有少量官能团的RGO负载到了棉织物上。

4、RGO/棉织物的性能

防紫外线性能：采用上述测试方法测试不同GO用量下GO/棉织物和RGO/棉织物的TUVA和TUVB，计算UPF值，结果见下表。由表可知，棉织物原样的UPF值为16.17，其自身防紫外线性能不佳，GO/棉织物和RGO/棉织物的UPF值均有所增长，且RGO/棉织物的UPF值明显高于GO/棉织物的UPF值。GO/棉织物达到了表中所划分的较好防护级别，说明GO可赋予棉织物一定的防紫外线性能；RGO/棉织物的UPF值最大值可达56.09，达到了表中所示的非常优异的防护级别，即RGO可进一步提高棉织物的UPF值，使其拥有更好的防紫外线性能。

抗菌性能：将大肠杆菌与金黄色葡萄球菌作为测试菌种，按照上述测试方法测试棉织物原样、GO/棉织物和RGO/棉织物的抗菌性能，抑菌图如下所示，（a）为棉织物原样对大肠杆菌的抑菌图，（b）为GO/棉织物对大肠杆菌的抑菌图，（c）为RGO/棉织物对大肠杆菌的抑菌图，（d）为棉织物原样对金黄色葡萄球菌的抑菌图，（e）为GO/棉织物对金黄色葡萄球菌的抑菌图，（f）为RGO/棉织物对金黄色葡萄球菌的抑菌图。抑菌率测试结果见下表。由下图、表可知，棉织物原样上大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落数分别为3841CFU、4248CFU，棉织物本身不具备抗菌性能。负载GO后，GO/棉织物上大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落数目分别减少至1186 CFU和905CFU，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到69.1%和78.7%，说明GO可起到提高棉织物抗菌性能的作用；经还原处理后，RGO/棉织物上大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落数目分别减少至453 CFU和412 CFU，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别提高至88.2%和90.3%，可知拥有更锐利片层结构的RGO可进一步提高棉织物的抗菌性能。

耐水洗性能：按照上述的水洗方式，以最佳工艺制备出的RGO/棉织物在40℃下分别进行5次、10次、30次、50次洗涤，测试并计算洗涤后RGO/棉织物的防紫外性能和抑菌率，以此评价原位自还原制备RGO/棉织物的防紫外线性能和抗菌耐水洗性能，结果见下表。由下表可知，随着水洗次数增加，RGO/棉织物的紫外线防护系数和抑菌率变化不大，即RGO/棉织物经过多次洗涤仍具优异的防紫外线性能和抗菌性能，这可能是因为通过自还原将溶于水的GO还原为不溶于水的RGO，使其难以从棉织物上脱落，故RGO/棉织物具有优异的耐水洗性。

拉伸性能：采用上述测试方法测试棉织物原样和RGO/棉织物的断裂强力和断裂伸长率，分析棉织物的力学性能，结果见下表。由表可知，棉织物原样的经向、纬向断裂强力依次为409N和264N，负载RGO后，RGO/棉织物的经、纬向断裂强力则分别提高至566N和349N，表明负载RGO可提高棉织物的断裂强力；另外，与棉织物原样相比，RGO/棉织物的经向、纬向断裂伸长率分别由12.05%和11.48%提升至14.80%和12.95%，说明负载RGO对棉织物的断裂伸长率有一定提升。

结论

原位自还原法可制备RGO/棉织物，且使RGO片层均匀负载于棉织物上；RGO/棉织物的最佳制备工艺：pH值为3，GO用量1.14%（omf），还原温度90℃，还原时间2.5 h。GO的负载可以有效改善棉织物的抗菌性能和防紫外线性能，原位自还原处理后，可以进一步提高RGO/棉织物的抗菌性能和防紫外线性能，且在50次标准水洗后，RGO/棉织物的防紫外线性能和抗菌性能仍然优良；负载RGO对棉织物的断裂强力和断裂伸长率有一定提升。

审核编辑 ：李倩