氧化鋅納米棒改性滌綸綢緞的超疏水與抑菌性能＊

齊高璨,張 煥,袁志好

(天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米材料與技術(shù)研究中心,天津 300384)

應(yīng)用技術(shù)

氧化鋅納米棒改性滌綸綢緞的超疏水與抑菌性能＊

齊高璨,張 煥,袁志好

(天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米材料與技術(shù)研究中心,天津 300384)

采用溫和的濕化學(xué)法在滌綸綢緞的表面生長(zhǎng)一層取向排列的氧化鋅納米棒陣列。利用 X射線衍射儀和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和表面形貌觀察,通過(guò)液滴形狀分析系統(tǒng)及紙片法抑菌實(shí)驗(yàn)對(duì)其濕潤(rùn)性和抑菌性進(jìn)行表征和測(cè)量。結(jié)果表明:經(jīng)氧化鋅納米棒表面改性的滌綸綢緞與水的接觸角達(dá)到 148°,展現(xiàn)出良好的超疏水性能;同時(shí),經(jīng)取向氧化鋅納米棒陣列改性后的滌綸綢緞對(duì)致病性大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細(xì)菌表現(xiàn)出了良好的抑制作用。該產(chǎn)品在服裝和包裝等行業(yè)有著誘人的應(yīng)用前景。

ZnO納米棒;表面改性;超疏水;抗菌

自從荷葉表面的多級(jí)微/納米結(jié)構(gòu)與其表面超疏水和自清潔性能的關(guān)系被發(fā)現(xiàn)以來(lái)[1],人造超疏水表面已經(jīng)引起人們的廣泛興趣。人造超疏水表面通常通過(guò)構(gòu)造粗糙表面和使用低表面能物質(zhì) (如有機(jī)蠟狀物)改性的方法來(lái)獲得[2]。然而目前已發(fā)展的超疏水化過(guò)程,要么制備條件苛刻、需要昂貴的原料,要么使用了對(duì)環(huán)境或皮膚有潛在危險(xiǎn)的物質(zhì)(如有機(jī)氟化物),這大大限制了這種超疏水技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái),c軸取向的氧化鋅微 /納米結(jié)構(gòu)也被用于一些剛性基底 (例如:硅片、玻璃片)的超疏水改性。在這些研究中,由于 ZnO棒的尺寸太大不足以形成超疏水表面,因此使用低表面能物質(zhì)——鏈烷酸,進(jìn)一步表面改性是必要的。筆者報(bào)道一種基于在滌綸綢緞表面生長(zhǎng)一層氧化鋅納米棒的超疏水改性方法,該方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好,操作溫度低于 90℃,特別適合紡織面料這些不耐熱的材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 氧化鋅納米棒表面改性滌綸綢緞的制備與表征

商用滌綸綢緞——色丁布料 (100%滌綸),被選擇作為實(shí)驗(yàn)的樣品;ZnO納米棒表面改性采用的是與文獻(xiàn)[3]相近的溶液種子膜生長(zhǎng)方法。首先將經(jīng)過(guò)水和乙醇超聲清洗的滌綸綢緞浸泡在溫度約為60℃的氧化鋅溶膠中[4],并提拉 3次使其表面形成ZnO納米顆粒晶種層,然后再放入由 0.025 mol/L硝酸鋅和 0.025 mol/L六次甲級(jí)四胺組成的水溶液中,在 90℃的水浴加熱溫度下反應(yīng) 3 h[5](注:實(shí)際反應(yīng)體系的溫度應(yīng)該比 90℃的水浴溫度低),所得樣品用去離子水清洗后,再放入 60℃干燥箱中真空干燥,獲得超疏水改性后的樣品。

采用日本電子的 JS M-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品表面形貌進(jìn)行觀察,利用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的 D/MAXⅢ-C型 X射線衍射儀 [Cu靶,λ =0.154 18 nm,40 kV,150mA,掃描速度為4(°)/min]對(duì)樣品進(jìn)行物相分析 ,使用德國(guó) Krüss公司生產(chǎn)的DSA100型液滴形狀分析系統(tǒng)測(cè)量樣品表面的水接觸角。

1.2 抗菌實(shí)驗(yàn)

抗菌實(shí)驗(yàn)選用的是常見(jiàn)的兩種致病菌:致病性大腸桿菌 (O78)和金黃色葡萄球菌[6],這兩種菌種均是從中國(guó)獸藥監(jiān)查所菌種室購(gòu)買(mǎi)。將培養(yǎng)后的菌液稀釋并均勻地涂敷在普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂平皿上,再將經(jīng)滅菌處理后的滌綸綢緞剪成直徑約為 6 mm的圓片,并分別放在平皿上,加蓋置于 37℃溫箱中培養(yǎng)24 h后,用游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌圈直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

圖1給出了經(jīng)氧化鋅納米棒改性后的滌綸綢緞的表面形貌。由圖 1可見(jiàn),在滌綸綢緞的纖維表面上均勻、密集地生長(zhǎng)著一層 ZnO納米棒,納米棒直徑約在 50～70 nm,滌綸綢緞的表面因納米棒的存在而高低起伏,有較高的表面粗糙度。根據(jù)圖 1 c中的插圖可見(jiàn),ZnO納米棒的頂端為完整的六邊形結(jié)構(gòu),表明頂端為 ZnO(001)晶體面,即為 [001]取向生長(zhǎng)。圖 2為相應(yīng)的 X射線衍射圖。圖 2表明,所生長(zhǎng)的 ZnO納米棒為c軸取向的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),這與掃描電鏡分析所得出的結(jié)論一致。

圖1 氧化鋅納米棒表面改性的滌綸綢緞的掃描電鏡照片

圖2 表面改性后樣品的 XRD譜圖

2.2 疏水性能

圖3給出了改性前后滌綸綢緞與水接觸角的測(cè)量結(jié)果。改性前樣品的接觸角約為 53.8°,表現(xiàn)為親水性,而經(jīng) ZnO納米棒陣列膜表面改性后樣品的接觸角卻高達(dá) 147.8°,展現(xiàn)出優(yōu)越的憎水性能。由此可見(jiàn),通過(guò)上述環(huán)境友好的無(wú)機(jī)物 ZnO的直接改性 (無(wú)需有機(jī)蠟狀物的進(jìn)一步改性),就可以在親水的滌綸綢緞表面形成一個(gè)類(lèi)荷葉效應(yīng)的超疏水表面,從而有可能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自清潔功能。

圖3 水滴在滌綸綢緞樣品上的形貌照片

2.3 抑菌性能測(cè)試

比較了改性前后滌綸綢緞對(duì)致病性大腸桿菌(O78)和金黃色葡萄球菌的抑菌性能,通過(guò)測(cè)量抑菌圈直徑可以評(píng)價(jià)其抑菌效果。一般說(shuō)來(lái),抑菌圈直徑越大,抑菌效果越好,抑菌圈直徑大于 7 mm時(shí)為抗菌產(chǎn)品。改性前原料對(duì)兩種試驗(yàn)的病原菌沒(méi)有任何抑菌作用,而經(jīng)過(guò) ZnO納米棒陣列膜表面改性的滌綸綢緞對(duì)致病性大腸桿菌 (O78)和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為 10 mm和 11 mm,均超過(guò)被認(rèn)為是抗菌產(chǎn)品的抑菌圈直徑,這表明改性后的滌綸綢緞不僅具有優(yōu)越的憎水特性,同時(shí)還具有良好的抗菌功能,這是使用有機(jī)蠟狀物超疏水改性難以達(dá)到的。

3 結(jié)論

通過(guò)在滌綸綢緞表面生長(zhǎng)一層c軸取向的 ZnO納米棒陣列膜,可以使其由親水性向超疏水性轉(zhuǎn)變,并使其擁有良好的抗菌功能,同時(shí)還有望具有自清潔功能。這種多功能布料在醫(yī)用紡織產(chǎn)品、防水服飾、高檔服裝以及包裝等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。

[1] BarthlottW,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces[J].Planta,1997,202(1):1-8.

[2] 陳姚,于欣偉,鐘智欣,等.新型疏水沉淀二氧化硅的制備[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2005,37(2):18-20.

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[6] 郭廣生,甄志超,俞行.無(wú)機(jī)納米材料的改性及其在紡織工業(yè)中的應(yīng)用[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2004,36(3):45-47.

Superhydrophobic and antibacter ial properties of modified terylene satin with zinc oxide nanorods

Qi Gaocan,Zhang Huan,Yuan Zhihao
(Nanom aterials&Nanotechnology Research Center,School of M aterials Science&Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300191,China)

Superhydrophobic terylene satin modified with aligned zinc oxide(ZnO)nanorodswas prepared by a tepidtemperature wet chemical route.Structure and morphology of productwere characterized by X-ray diffractometer and fieldemission scanning electron microscopy.Drop shape analysis system and paper-disk method was used to test its wetting and antibacterial properties.Results showed that the nanorod-modified terylene satin had a water contact angle of 148°,which showed a good hydrophobicity.Meanwhile,bacteriostatic test indicated that the modified terylene satin with aligned ZnO nanorods had a good inhibiting activity to pathogenic escherichia coli and staphylococcus aureus etc..Therefore,the product has an attractive application prospect in gar ment and packaging industries.

ZnO nanorods;surface modification;superhydrophobicity;antibacterial property

TQ132.41

A

1006-4990(2010)04-0058-02

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(207008);國(guó)家自然科學(xué)基金(20671070)。

2009-10-30

齊高璨 (1985— ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榧{米材料制備化學(xué),已發(fā)表論文 1篇。

聯(lián) 系 人:袁志好

聯(lián)系方式:qigaocan123@163.com