一种耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物及其制备方法与流程

本发明属于功能纺织品领域，具体涉及一种耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物及其制备方法。

背景技术：

随着材料科学和纳米技术等新兴学科的发展，新材料和纳米技术等成为21世纪的研究热点，并被广泛应用于电子信息、生物医学、机械制造等领域。由于各学科的相互交叉与渗透，将导电新材料与纺织面料相结合制备具有优良导电性能的功能纺织品已成为纺织领域的研究热潮。

石墨烯自2004年被a.geim和k.novoselov发现以来，由于其独特的二维平面结构和优越的光学、电学特性等优点，成为近几年的研究热点之一，其优异的透光率、电子迁移率和导电率、力学性能和机械延展性、良好的热稳定性与化学稳定性，使其在光电子器件领域具有广泛的应用前景。然而石墨烯不易分散加上普通浸渍带来的易脱落问题，使其在织物上的运用较少，为了提导电织物的质量，拓展导电织物的应用领域，满足实际应用的需求，制备导电耐水洗的纺织材料仍是当今研究的热点。

技术实现要素：

本发明提供一种耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物，该复合棉织物增强石墨烯与棉织物的界面粘结强度，大幅提升复合棉织物的导电性和耐水洗强度，提高复合棉织物的质量，扩展其应用领域，提升商业价值。

本发明还提供一种耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物的制备方法，该方法简单易控，解决简单浸渍导致的导电性不强及不耐水洗的缺陷。

本发明的技术方案为，一种耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物，包括棉织物基体、附着在棉织物基体上的石墨烯单片层和附着在石墨烯单片层上的银薄膜，所述棉织物基体由棉织物纤维构成，棉织物纤维表面接枝有硅烷偶联剂；所述石墨烯单片层由石墨烯纳米片组成，通过所述硅烷偶联剂的交联作用，石墨烯纳米片附着在棉织物纤维表面，并在棉织物纤维间穿插延伸，由石墨烯纳米片构成的石墨烯单片层以嵌入形式附着在棉织物基体上，提高石墨烯单片层与棉织物的结合度，提高复合织物的韧性和抗断裂强度；所述银薄膜由银颗粒组成，所述银颗粒嵌入石墨烯纳米片并填充石墨烯纳米片间间隙，银薄膜以嵌入形式附着在石墨烯单片层上，进一步提高复合织物的韧性和抗断裂强度。

嵌入石墨烯纳米片并填充石墨烯纳米片间间隙的银颗粒，连接石墨烯纳米片，提高石墨烯纳米片的致密性，进而增强石墨烯单片层的致密性和结合度，提高石墨烯单片层的导电性能。石墨烯单片层上附着的银薄膜还可为石墨烯单片层提供保护，减缓对石墨烯单片层的破坏。

构成银薄膜的银颗粒紧密相连，提高银薄膜的致密性、结合度和连接性，提高银薄膜的导电性和耐水洗性。石墨烯单片层与银薄膜的相互结合，进一步提高棉织物的导电性能和耐水洗性。

所述银薄膜的厚度为600～1500nm，优选为900～1200nm。

所述银薄膜呈网状分布，网状分布的银薄膜的横向和纵向宽度为纳米级尺度。采用网状分布的银薄膜，在保证高导电性能的同时，降低银的使用量，节约投入成本，且提高石墨烯/银复合棉织物的通透性。

一种耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物的制备方法，步骤包括：

(1)棉织物用含碱有机溶剂清洗后，浸入硅烷偶联剂水溶液进行表面修饰，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物；

(2)将表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物浸入氧化石墨烯水溶液中，经恒温浸渍的“一浸一轧”得到表面附着氧化石墨烯单片层的棉织物；

(3)表面附着氧化石墨烯单片层的棉织物浸入还原剂水溶液还原，并干燥得到表面附着石墨烯单片层的棉织物；

(4)以表面附着石墨烯单片层的棉织物为基底，以银为靶材，抽真空后，充入不活泼气体并保持基底旋转的情况下，进行磁控溅射，在棉织物表面附着的石墨烯单片层上附着银薄膜，得到石墨烯/银复合棉织物。

为在石墨烯单片层上镀覆粘结网状分布的银薄膜，表面附着石墨烯单片层的棉织物基底表面固定覆盖有格栅。

硅烷偶联剂与氧化石墨烯通过化学键合交联，形成网状结合部，增强氧化石墨烯与棉织物结合的牢固性和致密性，及氧化石墨烯纳米片结构的稳固性，进而增强石墨烯与棉织物结合的牢固性和致密性，及石墨烯纳米片结构的稳固性。

步骤(1)中，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾或碳酸钠，优选为氢氧化钠；所述有机溶剂为丙酮、脂肪醇醚化合物(脂肪醇聚氧乙烯醚)或者脂肪酸甲酯的乙氧基化合物；优选为丙酮；有机溶剂中碱的质量分数为35％～50％，优选为50％。

步骤(1)中，棉织物用含碱有机溶剂清洗后，用去离子水漂洗并干燥，清洗的方式为超声或浸泡，优选为超声，更优选为密封超声。清洗的时间为1.5～5小时，优选为2小时。干燥的温度为60～85℃，优选为80℃；干燥的时间为3～7小时，优选为5小时。

步骤(1)中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1：30～50，优选为1：40；硅烷偶联剂水溶液中硅烷偶联剂的质量分数为10％～20％，优选为15％～17％；浸入硅烷偶联剂水溶液进行表面修饰的温度为50℃～90℃，优选为70～90℃；时间为30～90分钟，优选为60～90分钟。

步骤(2)中，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1：150～500，优选为1：250；氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的质量分数为0.2％～1％，优选为0.6％～1％；恒温浸渍的温度为20℃～100℃，优选为60℃～100℃；恒温浸渍的时间为30～150分钟，优选为90～120分钟。

步骤(3)中，棉织物与还原剂水溶液的浴比为1：150～500，优选为1：250；还原剂有水合肼、柠檬酸钠、硼氢化钠或者维生素c等，优选为水合肼；还原剂水溶液中还原剂的质量分数为5％～20％，优选为13％～17％；还原的温度70～90℃，优选为85～90℃；还原的时间为3～9小时，优选为5小时。

步骤(3)中，干燥的温度为60～85℃，优选为80℃；干燥的时间为3～7小时，优选为5小时。

步骤(4)中，不活泼气体为氩气、氦气或者氮气中的任意一种或组合，优选为氩气；不活泼气体的纯度为98％～99.9％，优选为99.9％；真空度为2.0×10^-4～7.5×10^-4pa，优选为5.0×10^-4pa；气体流速为8.5～11sccm，优选为10sccm；基底转速为80～120r/min，优选为100r/min；磁控溅射的功率为100～300w，优选为200～300w；磁控溅射的时间为10～30min，优选为10～20min。

步骤(4)中，表面附着石墨烯单片层的棉织物基底与银靶材之间距离为100mm。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过将棉织物浸渍在硅烷偶联剂溶液中对棉织物进行表面修饰，使织物表面产生自由基，形成活性点，对棉织物表面进行清洗、接枝和活化，增强氧化石墨烯或者石墨烯与棉织物的界面粘结强度，及氧化石墨烯或者石墨烯纳米片结构的牢固度，提升棉织物的导电和耐水洗性能。

(2)本发明采用浸渍法在棉织物表面粘结氧化石墨烯，再经过后期还原得到石墨烯。氧化石墨烯具有较为丰富的羧基、羟基及环氧基，在溶剂中分散性好，便于在棉织物表面的粘结附着。

(3)本发明通过测控溅射技术，在棉织物表面粘结附着的石墨烯上粘结镀覆银颗粒，经磁控溅射技术，银颗粒嵌入石墨烯纳米片，并填充石墨烯纳米片间的空隙，提高石墨烯单片层致密性、结合度和稳固性的同时，在石墨烯单片层上形成紧密相连的银薄膜，石墨烯片层和银薄膜的结合，大幅度提升石墨烯的导电及耐水洗性能。

(4)本发明制备的耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物，具有优良的导电性和耐水洗性，提高棉织物的质量，扩展其应用领域，提升其商业价值。

附图说明

图1为本发明耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物制备方法的流程示意图。

图2为本发明实施例1耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物制备过程中各材料的sem图(a-i和a-ii是棉织物，a-i为a-ii的放大sem图；b-i和b-ii是接枝有硅烷偶联剂的棉织物，b-i为b-ii的放大sem图；c-i和c-ii是附着有氧化石墨烯的棉织物，c-i为c-ii的放大sem图；d-i和d-ii是附着有石墨烯的棉织物，d-i为d-ii的放大sem图)。

图3为本发明实施例1耐水洗导电石墨烯/银复合棉织物的sem图(e-i和e-ii是石墨烯/银复合棉织物，e-i为e-ii的放大sem图)。

图4为本发明实施例6耐水性导电石墨烯棉织物(a)、银薄膜呈网状分布的石墨烯/银复合棉织物(b)的实物图。

具体实施方式

本发明提供了一种导电耐水洗石墨烯/银复合棉织物，其制备的基本过程如图1所示，下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1

1.棉织物的浸渍硅烷偶联剂预处理：首先将纯棉织物(其电镜图如图2中a-i和a-ii所示)浸入溶有氢氧化钠的丙酮溶液中密封超声清洗2小时，丙酮溶液中氢氧化钠的质量分数为50％，然后用去离子水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5小时。然后将烘干的棉织物浸渍在硅烷偶联剂质量分数为16.7％的硅烷偶联剂水溶液中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1:40，50℃恒温水浴预处理30min，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物，其电镜图如图2中b-i和b-ii所示。

2.石墨烯棉织物的制备：将预处理后的棉织物自硅烷偶联剂水溶液中取出并浸渍在氧化石墨烯质量分数为1％的氧化石墨烯水溶液中，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，100℃恒温水浴浸渍120min，经“一浸一轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯棉织物，其电镜图如图2中c-i和c-ii所示，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原9小时，棉织物与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥5小时得到石墨烯棉织物，其电镜图如图2中d-i和d-ii所示。

3.石墨烯/银复合棉织物的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯棉织物上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯棉织物基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至5.0×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度为99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为100r/min。300w溅射功率下溅射10min，制备得到石墨烯/银复合棉织物，其电镜图如图3中e-i和e-ii所示。

本实施例制备的石墨烯/银复合棉织物的导电性能数据为2.71ω/sq，水洗20次后得到的数据为200kω/sq，亲水角为145°。

实施例2

1.棉织物的浸渍硅烷偶联剂预处理：首先将纯棉织物(其电镜图结果与图2中a-i和a-ii相似)浸入溶有氢氧化钠的丙酮溶液中密封超声清洗5小时，丙酮溶液中氢氧化钠的质量分数为35％，然后用去离子水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5小时。然后将烘干的棉织物浸渍在硅烷偶联剂质量分数为19％的硅烷偶联剂水溶液中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1:30，70℃恒温水浴预处理60min，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物，其电镜图结果与图2中b-i和b-ii相似。

2.石墨烯棉织物的制备：将预处理后的棉织物自硅烷偶联剂水溶液中取出并浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍90min，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:155，经“一浸一轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中c-i和c-ii相似，再放入76℃、水合肼质量分数为10％的水合肼水溶液中还原7小时，棉织物与水合肼水溶液的浴比为1:155，接着放入70℃烘箱中干燥5小时得到石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中d-i和d-ii相似。

3.石墨烯/银复合棉织物的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯棉织物上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯棉织物基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至7.0×10^-4pa，然后以9sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为110r/min。250w溅射功率下溅射10min，制备得到石墨烯/银复合棉织物，其电镜图结果与图3中e-i和e-ii相似。

本实施例制备的石墨烯/银复合棉织物的导电性能数据为9.31ω/sq，水洗20次后得到的数据为346kω/sq，亲水角为141°。

实施例3

1.棉织物的浸渍硅烷偶联剂预处理：首先将纯棉织物(其电镜图结果与图2中a-i和a-ii相似)浸入溶有氢氧化钠的丙酮溶液中密封超声清洗3小时，丙酮溶液中氢氧化钠的质量分数为45％，然后用去离子水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5小时。然后将烘干的棉织物浸渍在硅烷偶联剂质量分数为15％的硅烷偶联剂水溶液中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1:45，90℃恒温水浴预处理90min，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物，其电镜图结果与图2中b-i和b-ii相似。

2.石墨烯棉织物的制备：将预处理后的棉织物自硅烷偶联剂水溶液中取出并浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.6％的氧化石墨烯水溶液中，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:350，60℃恒温水浴浸渍150min，经“一浸一轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中c-i和c-ii相似，再放入90℃、水合肼质量分数为17％的水合肼水溶液中还原5小时，棉织物与水合肼水溶液的浴比为1:350，接着放入75℃烘箱中干燥6小时得到石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中d-i和d-ii相似。

3.石墨烯/银复合棉织物的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯棉织物上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯棉织物基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至3.5×10^-4pa，然后以8.5sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为90r/min。200w溅射功率下溅射10min，制备得到石墨烯/银复合棉织物，其电镜图结果与图3中e-i和e-ii相似。

本实施例制备的石墨烯/银复合棉织物的导电性能数据为13.6ω/sq，水洗20次后得到的数据为433kω/sq，亲水角为137°。

实施例4

1.棉织物的浸渍硅烷偶联剂预处理：首先将纯棉织物(其电镜图结果与图2中a-i和a-ii相似)浸入溶有氢氧化钠的丙酮溶液中密封超声清洗4小时，丙酮溶液中氢氧化钠的质量分数为35％，然后用去离子水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5小时。然后将烘干的棉织物浸渍在硅烷偶联剂质量分数为11％的硅烷偶联剂水溶液中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1:50，90℃恒温水浴预处理90min，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物，其电镜图结果与图2中b-i和b-ii相似。

2.石墨烯棉织物的制备：将预处理后的棉织物硅烷偶联剂水溶液中取出并浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.4％的氧化石墨烯水溶液中，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:480，40℃恒温水浴浸渍60min，经“一浸一轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中c-i和c-ii相似，再放入85℃、水合肼质量分数为8％的水合肼水溶液中还原3小时，棉织物与水合肼水溶液的浴比为1:480，接着放入60℃烘箱中干燥7小时得到石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中d-i和d-ii相似。

3.石墨烯/银复合棉织物的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯棉织物上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯棉织物基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至2×10^-4pa，然后以9.5sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为85r/min。150w溅射功率下溅射10min，制备得到石墨烯/银复合棉织物，其电镜图结果与图3中e-i和e-ii相似。

本实施例制备的石墨烯/银复合棉织物的导电性能数据为19.8ω/sq，水洗20次后得到的数据为475kω/sq，亲水角为135°。

实施例5

1.棉织物的浸渍硅烷偶联剂预处理：首先将纯棉织物(其电镜图结果与图2中a-i和a-ii相似)浸入溶有氢氧化钠的丙酮溶液中密封超声清洗3.5小时，丙酮溶液中氢氧化钠的质量分数为50％，然后用去离子水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5小时。然后将烘干的棉织物浸渍在硅烷偶联剂质量分数为15.6％的硅烷偶联剂水溶液中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1:43，90℃恒温水浴预处理90min，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物，其电镜图结果与图2中b-i和b-ii相似。

2.石墨烯棉织物的制备：将预处理后的棉织物自硅烷偶联剂水溶液中取出并浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.2％的氧化石墨烯水溶液中，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:300，30℃恒温水浴浸渍30min，经“一浸一轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中c-i和c-ii相似，再放入70℃、水合肼质量分数为11％的水合肼水溶液中还原1小时，棉织物与水合肼水溶液的浴比为1:300，接着放入80℃烘箱中干燥3.5小时得到石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中d-i和d-ii相似。

3.石墨烯/银复合棉织物的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯棉织物上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯棉织物基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至6.0×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为100r/min。100w溅射功率下溅射10min，制备得到石墨烯/银复合棉织物，其电镜图结果与图3中e-i和e-ii相似。

本实施例制备的石墨烯/银复合棉织物的导电性能数据为23.4ω/sq，水洗20次后得到的数据为510kω/sq，亲水角为133°。

实施例6

1.棉织物的浸渍硅烷偶联剂预处理：首先将纯棉织物(其电镜图结果与图2中a-i和a-ii相似)浸入溶有氢氧化钠的丙酮溶液中密封超声清洗5小时，丙酮溶液中氢氧化钠的质量分数为38％，然后用去离子水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5小时。然后将烘干的棉织物浸渍在硅烷偶联剂质量分数为17％的硅烷偶联剂水溶液中，棉织物与硅烷偶联剂水溶液的浴比为1:30，75℃恒温水浴预处理60min，得到表面接枝有硅烷偶联剂的棉织物，其电镜图结果与图2中b-i和b-ii相似。

2.石墨烯棉织物的制备：将预处理后的棉织物自硅烷偶联剂水溶液中取出并浸渍在氧化石墨烯质量分数为1％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍90min，棉织物与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“一浸一轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯棉织物，其电镜图结果与图2中c-i和c-ii相似，再放入76℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原5小时，棉织物与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入70℃烘箱中干燥5小时得到石墨烯棉织物，石墨烯/复合棉织物图片如图4(a)所示，其电镜图结果与图2中d-i和d-ii相似。

3.石墨烯/银复合棉织物的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯棉织物上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯棉织物基底与银靶材之间的距离为100mm。将格栅固定覆盖在石墨烯棉织物表面，将磁控溅射真空腔抽真空度至6×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为100r/min。150w溅射功率下溅射10min，制备得到银薄膜呈网状分布的石墨烯/银复合棉织物，石墨烯/银复合棉织物图片如图4(b)所示，其电镜图结果与图3中e-i和e-ii相似。

本实施例制备的石墨烯/银复合棉织物的导电性能数据为7.89ω/sq，水洗20次后得到的数据为373kω/sq，亲水角为133°。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。