Ag/TiO2聯合整理棉織物的抗紫外線性能研究

高大偉+王麗麗+周青青+賈高鵬+房海堂+朱海燕

摘要：首先用低溫等離子體對棉織物進行處理，然后采用溶膠-凝膠法和光還原沉積法相結合對棉織物進行抗紫外線整理。采用差熱-熱重分析法、掃描電子顯微鏡和元素分析等測試技術分析和研究了織物的熱穩定性、表面形貌及元素組成，并探討了AgNO3溶液的濃度對織物抗紫外線性能的影響。結果表明：Ag和TiO₂成功整理到織物上，改性后織物熱穩定性有明顯提高；當AgNO3濃度為0.09 mol/L時，織物的紫外線防護系數能達到60+；低溫等離子體處理能顯著提高納米Ag及TiO₂在棉織物表面的吸附量及結合牢度，進而提高織物的抗紫外線性能和耐水洗性能。

關鍵詞：溶膠-凝膠；光沉積；抗紫外線整理；棉織物

中圖分類號：TS195.6 文獻標志碼：A

Study on the Anti-ultraviolet Finishing of Cotton Fabrics by Ag/TiO₂

Abstract： Sol-gel and photo-deduction deposition process were used to finish the cotton fabric. The thermal stability， morphology， structure and composition were characterized by TGA， SEM and EDS. The UV resistance performance was also investigated. The results showed that Ag and TiO₂ were successfully finished to the fabric and the thermal stability of the fabric improved very much after finishing. The UPF value of the fabric can reach 60+ when 0.09 mol/L AgNO3 was used. Furthermore， the fabric treated by low-temperature oxygen plasma showed improved UV resistance and good fastness to washing.

Key words： sol-gel； photodeposition； anti-ultraviolet radiation； cotton fabric

近年來，由于工業化進程的加速，導致空氣污染嚴重，致使大氣層中的臭氧層遭到嚴重破壞，甚至局部地區出現臭氧層空洞，到達地球表面的紫外線輻射大大增加。許多專家認為皮膚病和皮膚癌等疾病的罪魁禍首都是由紫外線輻射引發的，所以保護人體避免受過量紫外線輻射，對紡織品進行防紫外線整理已經到了刻不容緩的地步。納米材料因其獨特性能已在許多領域具有廣泛應用前景，運用納米技術對織物進行功能整理，可改善織物抗紫外線、抗老化、和抗靜電等性能。

納米二氧化鈦（TiO₂），具有比表面積大、表面活性中心多、吸附能力強和光催化活性高等優異性能，同時納米TiO₂，對紫外線中的UVA（315 ～ 400 nm）和 UVB（290 ～315 nm）都有良好的屏蔽和反射作用；納米銀（Ag）也具有較強的抗紫外屏蔽效果和殺菌作用，在紡織品和衛生用品等方面已獲得廣泛的應用。Ag/TiO₂納米材料在紫外光區和可見光區對光的吸收都比較強，可以有效改善織物的抗紫外線性能。純棉織物具有吸濕性能好、光澤柔和、手感柔軟和穿著舒適等特點被絕大多數消費者所接受，本研究采用溶膠-凝膠法和光還原沉積法相結合，將Ag/TiO₂，整理劑通過一浸一軋工藝整理到純棉織物上，并研究織物的抗紫外線性能、耐水洗性能和熱穩定性等。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

藥品：鈦酸丁酯（國藥集團化學試劑有限公司）、無水乙醇（江蘇彤晟化學試劑有限公司）、鹽酸（和源化工貿易有限公司）、硝酸銀（和源化工貿易有限公司），均為分析純。

織物：純棉織物克重101 g/m2；經紗細度35S，緯紗細度30S；經向紗線密度440根/10 cm，緯向紗線密度220根/10 cm。

實驗儀器：HD-1B低溫等離子體改性處理儀（常州中科常泰等離子體科技有限公）；Nano-ZS納米粒度與電位分析儀（英國 Malvern公司）；Dsc-100 示差掃描量熱儀（南京大展機電技術研究所）；S-3500N 掃描電子顯微鏡（HITACHI公司）；Rigaku Micromax-002 X射線衍射儀（R-AXIS IV++）；YG（B）912E紡織品防紫外線性能測試儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）；MU505型臺式軋車（北京紡機所）；Y802N恒溫烘箱（江蘇啟東實驗儀器廠）。

1.2 低溫等離子體處理

將10 cm×10 cm的棉織物置于低溫等離子體的處理腔體中，處理氛圍為O2，功率為150 W，處理時間為 5 min。1.3 TiO₂溶膠制備

取180 mL去離子水和18 mL鹽酸充分混合后形成溶液A；取54 mL鈦酸丁酯和144 mL無水乙醇充分混合后形成溶液B。將A溶液置于磁力攪拌器上，使其高速攪拌，將溶液B用滴管緩慢加入溶液A中，添加的速度約為 1 滴/s，滴加完畢后，繼續在磁力攪拌器上強力攪拌30 min，最終得到淡黃色透明溶膠，然后靜置24 h備用。

1.4 棉織物整理工藝

室溫浸漬TiO₂溶膠（10 min）→軋至帶液率為70%→80℃預烘 5 min→120 ℃焙烘 3 min。

1.5 光還原沉積Ag

經上述整理后的織物浸漬不同濃度的AgNO3液（1 min）→軋至帶液率為70%→紫外燈下照射 1 h（8 W，254 nm）→60 ℃干燥。2 結果與討論

2.1 Ag/TiO₂整理對棉織物抗紫外線性能的影響

織物在AgNO3溶液整理后，測試棉織物的抗紫外線性能，結果如表 1 所示。

由表 1 可知，Ag能進一步提高織物的抗紫外線性能，AgNO3的濃度不同，棉織物抗紫外線性能也不同，即隨著AgNO3濃度的增加，TiO₂整理棉織物的抗紫外線性能也隨之增加，當AgNO3濃度為0.09 mol/L時，紫外線防護系數能夠達到60.45，當AgNO3濃度增大到0.2 mol/L時，TiO₂整理棉織物紫外線防護系數可達65.27，但增幅不明顯，因此TiO₂整理棉織物可采用0.09 mol/L 的AgNO3整理以進一步提高抗紫外性能。

2.2 等離子體處理對抗紫外線性能及耐水洗性能的影響

經低溫等離子體處理后的棉織物的抗紫外線性能及耐水洗性能如表 2 所示，其中AgNO3的濃度為0.09 mol/L。

由表 2 可知，經低溫等離子處理的棉織物用納米TiO₂和AgNO3整理后的抗紫外線性能和耐水洗性能均有很大的提高，UPF值較未處理試樣提高了約20%，水洗10次后織物的UPF值保持率在95%左右，這說明低溫等離子體處理能明顯提高Ag和TiO₂在棉織物表面的的吸附量和結合牢度，從而提高棉織物的抗紫外線性能和耐洗性。

2.3 織物表面形貌及組成（圖 1）

圖 1 為織物原樣和整理后試樣的掃描電鏡圖和EDS譜圖，可以看出，織物的纖維表面在整理前后發生了改變，與原樣相比，整理后試樣的纖維表面變得凹凸不平并有一些粒狀物質附著，這主要是由于Ag和TiO₂附著在纖維表面而形成的，EDS圖譜進一步說明了Ag和TiO₂的存在。

2.4 織物的熱重分析（圖 2）

從圖 2 可以得出在375 ℃之前，經Ag/TiO₂聯合整理后棉織物質量損失較多，主要原因可能是由于織物中含有較多水分所致，另外Ag和TiO₂包覆在纖維表面，在升溫的過程中造成纖維內部溫度高于其表面溫度，造成織物在升溫初始階段質量損失較多的緣故。當溫度繼續升高時，織物的質量損失都趨于穩定，在600 ℃時經Ag/TiO₂聯合整理后的棉織物的質量損失率與織物原棉相比下降了約18%，這說明經紫外整理后的棉織物熱穩定性有較大提高。

3 結論

本文研究了Ag/TiO₂聯合整理對棉織物抗紫外線性能和熱穩定性能的影響，并研究了低溫等離子體處理對棉織物抗紫外性能及耐水洗性能的影響，具體結果如下：

（1）Ag能進一步提高經TiO₂整理后棉織物的抗紫外線性能，當AgNO3濃度為0.09 mol/L時，棉織物的抗紫外性能較好；

（2）低溫等離子處理能顯著提高納米Ag及TiO₂在棉織物表面的吸附量及結合牢度，進而提高織物的抗紫外線性能和耐水洗牢度，棉織物經等離子體處理后UPF值較處理前提高了約20%，水洗10次后UPF值保持率在95%左右。

（3）經等離子體處理、納米Ag及TiO₂整理后的棉織物熱穩定性有較大提升，質量損失率降低了約18%。

參考文獻

[1] Kim C H，Kim B H and Yang K S. TiO₂ nanoparticles loaded on graphene/carbon composite nanofibers by electrospinning for increased photocatalysis[J]. Carbon，2012，50（7）：2472-2481.

[2] Kan C W and Au C H. Effect of biopolishing and UV absorber treat- ment on the UV protection properties of cotton knitted fabrics[J]. Carbohydrate Polymers，2014，101：451-456.

[3] Grifoni D，Bacci L，Di Lonardo S，et al. UV protective properties of cotton and flax fabrics dyed with multifunctional plant extracts[J]. Dyes and Pigments，2014，105：89-96.

[4] Zhao C，Feng B，Li Y，et al. Preparation and antibacterial activity of titanium nanotubes loaded with Ag nanoparticles in the dark and under the UV light[J]. Applied Surface Science，2013，280：8-14.

[5] Shao D，Gao D，Wei Q，et al. Structures and properties of the polyacrylonitrile fabric coated with ZnO-Ag composites[J]. Applied Surface Science，2010，257（4）：1306-1309.

[6] Lv J，Su L，Wang H，Liu L，et al. Enhanced visible light photocatalytic activity of TiO₂ nanotube arrays modified with CdSe nanoparticles by electrodeposition method[J]. Surface & Coatings Technology，2014，242：20-28.

[7] 鄭維家，陳志勛. 納米TiO₂復合光催化劑的制備及其工藝優化[J]. 應用化工，2013，42（3）：463-466.

[8] 王健，聶振明，何開棘，等. TiO₂/SnO2復合光催化劑的制備及性能[J].光譜實驗室，2012，29（3）：1322-1325.

[9] Wang Y，Li Z，Tian Y，et al. Facile method for fabricating silver-doped TiO₂ nanotube arrays with enhanced photoelectrochemical property[J]. Materials Letters，2014，122：248-251.

[10] Liu X，Liu Z，Lu J，et al. Electrodeposition preparation of Ag nanoparticles loaded TiO₂ nanotube arrays with enhanced photocatalytic performance[J]. Applied Surface Science，2014，288：513-517.

[11] 張瑩，燕寧寧，朱忠其，等. Ag-TiO₂光催化劑的制備、性能及機理研究[J]. 功能材料，2013，44（2）：172-176.

[12] Dastjerdi R and Mojtahedi M R M. Multifunctional melt-mixed Ag/TiO₂ nanocomposite PP fabrics： Water vapour permeability， UV resistance， UV protection and wear properties[J]. Fibers and Polymers，2013，14（2）：298-303.

[13] 徐小峰，咸春穎，林萍，等. 納米TiO₂在棉織物抗紫外整理中的應用[J]. 東華大學學報（自然科學版），2009，35，（1）：74-78.

[14] Ibrahim N A，Refaie R，Ahmed A F. Novel approach for attaining cotton fabric with multi-functional properties[J]. Journal of Industrial Textiles，2010，40（1）：65-83.