碳纳米管(CNTs)和石墨烯一经发现便引起人们广泛关注。它们规整的微观结构和纳米级尺度使其具有特殊的电学、力学、热学和化学等性能。CNTs和石墨烯在储能、电容、复合材料、催化等方面的应用都有大量研究报道。为了实现CNTs和石墨烯在特定领域中的应用,对其修饰改性的研究日益增多。CNTs通过一定的氧化方法在其表面引入反应性含氧基团,使之能与带有功能基团的化合物发生反应。对石墨烯的功能化,目前主要以氧化石墨烯(GO)为基材,它是氧化还原法制备石墨烯的中间产物,表面带有大量的羟基、环氧基和羧基,可为后续的功能化提供活性位点。碳纳米材料在纺织化学领域的应用研究已有报道,主要是将其与纺织材料复合后得到具有一定功能的纺织品。本研究选择CNTs和GO作为两种基材,分别接枝阻燃和拒水功能基团,得到同时带有两种功能组分的CNTs和GO纳米颗粒。将改性碳纳米颗粒分散在选定的介质中,用浸渍-烘干法施加于棉,希望通过一步加工使被加工物具有两种或以上功能,而常规功能化学试剂赋予纺织品多种功能难以一步完成。在对CNTs进行功能修饰之前,需要对其进行表面活化,尝试不同的氧化方法制备表面带有羧基占优或者羟基占优活性基的CNTs-COOH或CNTs-OH。至于GO的制备,是以天然鳞片石墨为原料,用改进Hummers方法制备GO,对氧化剂用量及氧化工艺条件进行了优化。同时,为了增加GO表面的羟基量,用有机小分子乙醇胺与GO表面的环氧基进一步反应,研究不同p H值对产物羟基量的影响。关于功能基团的选择,考虑环保因素,以全氟己基作疏水功能组分;以亚磷酸二甲酯和三聚氯氰作为阻燃功能组分。活化后的CNTs和GO表面羟基与全氟己基碘通过亲核取代反应引入全氟己基链,得到疏水改性的CNTs(CNTs-F)和GO(GO-F);活化后的CNTs和GO的表面羟基与丙烯酰氯发生酯化反应使CNTs和GO表面带有C=C,从而可与亚磷酸二甲酯发生加成反应,得到带有阻燃元素P的CNTs(CNTs-P)和GO(GO-P);活化后的CNTs和GO依次接枝全氟己基链、含N组分三聚氯氰和亚磷酸二甲酯得到多组分改性的CNTs(CNTs-multi)和GO(GO-multi)。用X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)表征和分析得到的CNTs-F、CNTs-P、CNTs-multi、GO-F、GO-P和GO-multi的元素组成、结构和热性能。通过观察超声分散后分散液的均匀性,筛选出分别适用于上述碳纳米颗粒的分散介质。用浸渍-烘干法将它们分别施加于棉。CNTs直接施加于棉未明显提高棉的阻燃性。CNTs-multi/棉试样火柴法试验中可被点燃、燃烧,但熄灭后有一定量的残渣,基本保持了织物原来的轮廓。微型量热仪(MCC)测定最大热释放速率PHRR和总热释放THR降低显著,达65%以上。根据TGA数据计算,试样中棉组分的成炭量由于P元素的引入而增加。从场发射扫描电镜(FE-SEM)图像观察分析,CNTs-P/棉和CNTs-multi/棉燃烧后形成的残余物紧实,碳材料的网状结构比较完整。因此推测在燃烧过程中碳纳米颗粒释出的含磷的酸与纤维素发生反应形成交联,缩短改性CNTs和燃烧产生的无定形炭之间的距离,使两者抱合得更紧密,从而使两者之间产生起稳定作用的π-π电子连接,对阻燃有贡献。CNTs-F/棉的静态水接触角(CA)达到149.1o。本实验设计条件下得到的多功能碳纳米管CNTs-multi全氟链接枝量较低,因此CNTs-multi/棉的CA为67.5o。同时测定了棉织物的导电和抗紫外性能。CNTs-multi/棉的表面电阻为225.6 kΩ/□,UPF值达到121。GO-P/棉和GO-multi/棉火柴法试验可被点燃、燃烧,但火焰熄灭后有一定量的残渣,基本保持了织物原来的轮廓。FE-SEM图像可看到燃烧残余物紧实,石墨烯的片层结构仍然完整。GO-multi/棉的PHRR和THR值较未处理棉织物均有显著的降低。TGA数据计算得出P和N元素的引入使试样棉组分的成炭量增加。同时,GO-P/棉以较低的加上量和含磷量显示出比CNTs-P/棉较好的阻燃性。与CNTs-multi/棉比较,GO-multi/棉的疏水效果稍提高,CA为93.4o。这可能与石墨烯的层状结构较之CNTs的管状结构能够获得更有效的粗糙度有关。同时测定了施加改性GO后棉的导电性能和抗紫外性能。GO-multi片层的缺陷化程度更高,GO-multi/棉的表面电阻大大升高,超过四探针测试仪的量程(105 kΩ/□)。GO-multi/棉的抗紫外性能得到了很大提高,其UPF值达到了253。不论是CNTs-multi还是GO-multi,上述合成反应过程中各功能组分均需与CNTs-OH或GO上的羟基发生反应,因此各功能成分的接枝量受到限制,为解决该问题,选择具有高反应活性的P-Cl的六氯环三磷腈(HCCP)作为阻燃功能成分,HCCP分子中同时含有P原子和N原子,应具备磷-氮协同阻燃作用的条件。HCCP又可作为桥基连接GO和具有C6全氟链的全氟己基乙醇。优化合成反应条件在GO表面引入以上功能组分。同样用XPS、FTIR与TGA表征分析得到的GO-HCCP和GO-HCCP-F。两者的功能组分含量较高,GO-HCCP含P 8.74 wt%,N 6.94 wt%;GO-HCCP-F含P 6.18 wt%、N 4.76 wt%和F 33.0 wt%。利用原子力显微镜(AFM)数据推测功能化成分在GO表面的分布状态。将GO-HCCP-F分散到六氟异丙醇中,用浸渍-烘干法施加于棉。得到的GO-HCCP-F/棉的阻燃性能不及GO-multi/棉,但疏水性能提高,CA达到131.3o。AFM测得GO-HCCP-F在六氟异丙醇中的片层厚度为12.31 nm,XRD测试层间距为1.33 nm,估计在六氟异丙醇中GO-HCCP-F形成9层左右的聚集体,分散状况不良,因此需要较大加上量才能获得较好拒水效果。阻燃性较差可能的原因是不具备阻燃作用的全氟己基乙基链主要分布在GO-HCCP-F的最外层,可能对环磷腈与棉的接触形成一定阻隔,甚至可能在环磷腈发挥阻燃作用前发生裂解而助燃,削弱和抵消了环磷腈对棉织物的阻燃作用。测得GO-HCCP-F/棉的UPF值为500,TUVA和TUVB均为0.01%和0.01%。该织物具有优异的抗紫外性能。