納米ZnO整理對蠶絲織物抗紫外線性能的影響

劉 慧， 徐英蓮

(浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

納米ZnO整理對蠶絲織物抗紫外線性能的影響

劉 慧， 徐英蓮

(浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

為提高蠶絲織物防紫外線性能，采用鈦酸酯偶聯(lián)劑制備納米ZnO水溶膠，對織物進行防紫外線整理。使用Lambda900紫外分光光度計，測試波長280～400 nm范圍的紫外線透過率，以織物的紫外線透過率和UPF值作為其防紫外線性能的評價指標，采用正交試驗設計方法，探討納米ZnO整理蠶絲織物的最優(yōu)整理工藝。試驗結(jié)果表明：納米ZnO質(zhì)量濃度對整理后織物的UPF值影響最大，其次是偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度、超聲振蕩時間。優(yōu)化工藝條件為：納米ZnO質(zhì)量濃度18 g/L、偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度12 g/L、超聲分散時間20 min。整理前后織物的平均紫外線透過率由27.09%降低到2.46%，UPF值從2.624增加到35.428；納米ZnO整理織物具有較優(yōu)的抗紫外線持久性。

納米ZnO； 鈦酸酯偶聯(lián)劑； 蠶絲織物； 紫外線透過率

蠶絲纖維是一種天然蛋白質(zhì)纖維，耐光性較差。近年來，由于環(huán)境污染導致臭氧層破壞，紫外線危害日趨嚴重。在此環(huán)境下，對蠶絲織物進行防紫外線整理十分必要[1-2]。

無機類的納米ZnO作為織物后整理材料，其效能已得到證明：Ashrafi等[3]在絲纖維表面進行納米ZnO的涂層，表明納米ZnO在吸收和分散紫外輻射方面比普通尺寸的更有效。Vigneshwaran等[4]通過軋烘焙工藝將納米ZnO附著于棉織物表面，使得棉織物在350 nm的透射率從80%降至20%。表明納米ZnO具有量子限域特性、小尺寸效應、表面效應等特殊性能，對特定波長的光吸收帶有藍移現(xiàn)象，對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象[5-6]。因此，納米ZnO在較寬的紫外范圍內(nèi)有較強的屏蔽作用。

從生態(tài)環(huán)境、人體安全和高效、耐持久等方面切入，探討蠶絲織物的后整理材料和方法。本文利用鈦酸酯偶聯(lián)劑制備納米ZnO水溶膠，使納米ZnO能夠更好得與蠶絲結(jié)合，改善蠶絲織物的防紫外線性能，增加其耐洗牢度。采用正交試驗法，研究納米ZnO質(zhì)量濃度、偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度、超聲分散時間對蠶絲織物整理效果的影響，對測試結(jié)果使用直接分析法和方差分析法得出優(yōu)化工藝條件。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

織物：電力紡蠶絲織物，面密度為64 g/m2。

試劑：平平加O(實驗用)、水溶性納米ZnO(紹興光催化公司，20 nm，99.5%)、鈦酸酯偶聯(lián)劑201(AR)(南京道寧化工有限公司)。

儀器：EL-300A型電子天平，HH-S型恒溫水浴鍋，DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，KQ-400KDB型數(shù)控超聲波清洗器，101-3型不銹鋼數(shù)顯電熱鼓風干燥箱，Lambda 900紫外分光光度計。

1.2 試驗方法

納米顆粒由于其表面的不飽和懸鍵易吸附H原子而發(fā)生團聚，所具備的特性也將隨之減弱。因此，在使用前應確保納米顆粒分散均勻。另外納米粒子與纖維的結(jié)合力較差，整理效果的耐洗性較差[7-8]。針對這2個問題，本文利用鈦酸酯偶聯(lián)劑制備納米ZnO水溶膠。

1.2.1 蠶絲織物前處理

將蠶絲織物裁成6 cm×6 cm大小，稱取質(zhì)量，按1∶30的浴比浸入平平加O溶液(質(zhì)量分數(shù)為1%)中，于30 ℃浸漬15 min，取出晾干作為原樣。

1.2.2 納米ZnO水溶膠的配制

配制一定質(zhì)量濃度的納米ZnO水溶液，高速攪拌15 min后超聲波分散一段時間，再加入一定質(zhì)量濃度的鈦酸酯偶聯(lián)劑，超聲波分散一段時間，得到納米ZnO水溶膠，具體工藝參數(shù)如表1所示。

1.2.3 蠶絲織物整理

水浴鍋加熱至40 ℃，放入納米ZnO水溶膠和處理過的織物，浴比為1∶30，每隔5 min用玻璃棒翻動織物，使得浸漬均勻，50 min后取出試樣，浸漬、烘干，烘干溫度為80 ℃，時間為3 min，再將試樣放到浴比為1∶30的去離子水中攪拌3 min，將清洗后的試樣室溫晾干。

表1 正交試驗計劃表

1.3 性能測試

1.3.1 防紫外線性能測試

按照GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》，使用Lambda900紫外分光光度計，測試波長在280～400 nm范圍的紫外線透過率。根據(jù)下式計算紫外線防護系數(shù)UPF值。

式中：Eλ為相對紅斑的紫外線光譜效能；Sλ為太陽光譜輻射能；Tλ為波長為λ時試樣的紫外線透過率。因為在UV-A波段Eλ值很小，UV-B波段Eλ非常高，因此UPF主要反映UV-B防護等級。本文計算的是波長280～320 nm的UPF值。

紫外線透過率越小，UPF值越大，紫外防護效果越好。

1.3.2 耐久性能測試

為了分析織物抗紫外線的持久性，對整理后的織物分別進行5、10、20次洗滌。參照FZ/T 73023—2006《抗菌針織品》附錄C的簡化洗滌條件及程序，具體洗滌方法是：采用質(zhì)量濃度為2 g/L的標準合成洗滌劑，浴比為1∶30，水溫為(40±3)℃，加入試樣洗5 min，然后用自來水清洗2 min，計為洗滌1次[9-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米ZnO整理蠶絲織物較優(yōu)工藝分析

2.1.1 紫外線透過率

圖1示出9種不同工藝條件下試樣的紫外線透過率。由圖可知，與蠶絲織物原樣比較，經(jīng)過納米ZnO整理，紫外線透過率明顯降低，但整理工藝參數(shù)對織物的抗紫外線效果有較大的影響。

由圖1可知，蠶絲織物對不同波長的紫外光透射效果不同：波長在280～300 nm時，紫外線透過率較低，之后突然升高，穩(wěn)定在較高水平。這主要是由于波長為279～292 nm時，剛好與蠶絲蛋白質(zhì)中酪氨酸和色氨酸的吸收特征相接近，它們會與紫外線發(fā)生光化反應，吸收紫外線，減少紫外線對人體皮膚的傷害，但這也會使蠶絲蛋白質(zhì)分子主鏈的肽鍵斷裂，分子鏈裂解，蠶絲泛黃變色，影響織物的性能。也就是說在279～292 nm時蠶絲織物是犧牲自身來達到防紫外線效果的。當波長越來越高時，它自身不再具有防紫外線功能，紫外線透過率升高。

由圖1還可知，經(jīng)納米ZnO整理織物的紫外光透射效果為：整理后試樣的紫外線透過率都有所降低，尤其波長在300～380 nm之間變化最為明顯。這是因為在此范圍內(nèi)，蠶絲本身不再具有良好的防紫外線功能，原樣的紫外線透過率變得很高。而試樣經(jīng)過整理后，表面會吸附納米ZnO，當ZnO顆粒粒徑小于100 nm時，其禁帶寬度約增加到4.5 eV，可以很好地吸收280～350 nm波長的紫外線[5]，阻隔紫外線的透射，從而起到紫外防護作用。

2.1.2 UPF值

根據(jù)測得的紫外線透過率，計算這9種不同工藝條件下試樣的UPF值，結(jié)果如表2所示。原樣的UPF為2.624，經(jīng)過納米ZnO整理后織物的UPF值增大，紫外防護性能提高。為了探討各因素對整理后UPF值影響的大小，對數(shù)據(jù)進行直觀分析和方差分析[11]。

2.1.2.1 直觀分析 通過比較相應的T值得出各因子3個水平間的差異，指標值越大越好。從表2

表2 UPF值及直觀分析計算表

可看出，使整理后的UPF值達到最大的水平組合是A3B2C3，即納米ZnO質(zhì)量濃度為18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度為12 g/L，超聲分散時間為20 min時可以使UPF達到最大，紫外防護性能最佳。

隨著納米ZnO質(zhì)量濃度提高，織物表面吸附的ZnO顆粒增多，納米ZnO紫外線阻隔效果明顯。但當ZnO質(zhì)量濃度達到一定程度后，吸附值趨于穩(wěn)定，這說明纖維表面單位面積上納米粒子的數(shù)量達到飽和。此時容易產(chǎn)生納米ZnO顆粒團聚，織物表面出現(xiàn)一些白斑，納米ZnO的抗紫外線性能不再提高，而且織物的手感等服用性能會受影響，因此，必須選擇合適的納米ZnO質(zhì)量濃度。

鈦酸酯偶聯(lián)劑的官能團—OR能夠與納米ZnO表面的吸附水發(fā)生偶聯(lián)形成較強的氫鍵，在納米ZnO的表面形成緊密的有機單分子層，使納米ZnO表面得到改性，達到良好的分散效果。另外由于羥基基團能改善納米粒子與纖維間的相容性，產(chǎn)生共價鍵，提高二者間的結(jié)合牢度[8]。因此，需要適量選擇對納米顆粒有很好分散作用的偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑的質(zhì)量濃度過高，會使體系的穩(wěn)定性變差。

由于超聲分散是利用超聲空化產(chǎn)生的高溫高壓等來削減納米顆粒間的作用力，防止納米粒子團聚，達到良好的分散效果[12]。經(jīng)超聲波作用，在開始時隨著時間的延長沉淀量的減少比較明顯，但如果時間過長，體系破乳，沉淀量會慢慢增多，不利于ZnO的分散穩(wěn)定[12]。

2.1.2.2 方差分析 表3示出UPF方差分析表。由表可知，因子A(納米ZnO質(zhì)量濃度)對結(jié)果影響最大，其次是B(偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度)和C(超聲分散時間)。對于顯著因子A應該選擇其最好的水平，因為其水平變化會造成指標的顯著不同[11]。而對于因子B和C，可以根據(jù)降低成本、操作方便來選擇較低水平，即納米ZnO質(zhì)量濃度取18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度和超聲分散時間視具體需要而定。

表3 方差分析表

注：F0.99(2,2)=99，F(xiàn)0.95(2,2)=19.0，F(xiàn)0.90(2,2)=9.0。顯著性表示：F≥F0.99(2,2)，特別顯著；F0.99(2,2)>F≥F0.95(2,2)，顯著；F0.95(2,2)>F≥F0.90(2,2)，較顯著；F0.90(2,2)>F，不顯著。

綜上所述，納米ZnO整理蠶絲織物的優(yōu)化工藝條件為：納米ZnO質(zhì)量濃度18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度12 g/L，超聲分散時間20 min。在上述優(yōu)化工藝條件下，整理前后織物的紫外線透過率由27.09%降低到2.46%，UPF值從2.624增加到35.428。

2.2 抗紫外線耐久性能分析

將原樣、未經(jīng)洗滌的試樣和經(jīng)過不同洗滌次數(shù)的試樣分別放入紫外分光光度計中，測試波長在280～320 nm范圍的紫外線透過率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：洗滌后的整理織物在280～320 nm波長范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的抗紫外線性能；隨著洗滌次數(shù)的增加，織物的紫外線透過率有提高的趨勢。在280～320 nm波長范圍內(nèi)，原樣的紫外線透過率為27.09%，未經(jīng)過洗滌的試樣為2.46%，經(jīng)過5次洗滌后為4.68%，10次洗滌后為7.86%，20次洗滌后為9.64%。洗滌后試樣紫外線透過率逐漸提高，但明顯低于原樣。這是因為在偶聯(lián)劑作用下納米ZnO與蠶絲纖維間產(chǎn)生了共價鍵，連接牢度提高。但隨著洗滌次數(shù)的增加，織物表面的部分納米顆粒脫落，導致防紫外線性能降低，因此，以后的試驗中可以在整理液中加入適于蠶絲織物的黏合劑，加強其固著牢度，提高耐洗性能。

3 結(jié) 論

1)蠶絲織物經(jīng)過納米ZnO整理后，其紫外線透過率普遍降低，并且在波長300～380 nm范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定處于較低的水平，但整理工藝參數(shù)對織物的抗紫外線效果有較大的影響。

2)對UPF值進行直觀分析和方差分析得到納米ZnO整理蠶絲織物的優(yōu)化工藝：納米ZnO質(zhì)量濃度為18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度為12 g/L，超聲分散時間為20 min。在此工藝條件下，織物的紫外線透過率由整理前的27.09%降到2.46%，UPF從整理前的2.624增加到35.428。

3)對織物進行耐久性能測試發(fā)現(xiàn)，洗滌后的試樣能夠保持穩(wěn)定的抗紫外線性能，即納米ZnO整理后的織物具有較優(yōu)的抗紫外線持久性。

FZXB

[1] 周蓉, 劉杰. 抗紫外線紡織品的研究與產(chǎn)品設計[J]. 紡織學報, 2004, 25(2): 89-91. ZHOU Rong, LIU Jie. The development and design of the anti-ultraviolet fabric[J]. Journal of Textile Research, 2004, 25(2): 89-91.

[2] 王卓睿, 邢建偉, 徐成書. 紡織品無機納米紫外線屏蔽劑研究進展[J]. 紡織學報, 2015, 36(8): 27-31. WANG Zhuorui, XING Jianwei, XU Chengshu. Development of Nano inorganic UV blocking agents for fabrics[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(8): 27-31.

[3] ASHRAFI M H, KIUMARSI A, KHAJAVI R, et al. Microscopic characterization of silk fibers coated with ZnO nanoparticles[J]. AIP Conference Proceedings, 2007, 929(1): 220-223.

[4] VIGNESHWARAN N, KUMAR S, KATHE A, et al. Functional finishing of cotton fabrics using zinc oxide-soluble starch nanocomposites[J]. Nanotechnology, 2006, 17: 5087-5095.

[5] 林艷紅, 王德軍, 肇啟東, 等. 納米ZnO納米粒子結(jié)構(gòu)對光電量子限域特性的影響[J]. 高等學?；瘜W學報, 2003(11): 2077-2079. LIN Yanhong, WANG Dejun, ZHAO Qidong, et al. Effect of ZnO nanoparticle structure on photo-electric quantum confinement properties of photogenerated charges[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2003(11): 2077-2079.

[6] 袁吉仁, 李要球, 鄧新華. 納米ZnO的光吸收特性研究[J]. 南昌大學學報, 2006, 28 (4): 329-331. YUAN Jiren, LI Yaoqiu, DENG Xinhua. Study on the light absorption proterties of Nano-ZnO[J]. Journal of Nanchang University, 2006, 28 (4): 329-331.

[7] 劉吉平, 田軍. 紡織科學中的納米技術(shù)[M]. 北京: 中國紡織出版社, 2003: 80-126. LIU Jipin, TIAN Jun. Nano Technology in Textile Science[M]. Beijing: Chinese Textile & Apparel Press, 2003: 80-126.

[8] 謝孔良. 功能性紡織品新型后整理技術(shù)研究動向[J]. 紡織導報, 2003(6): 122-124. XIE Kongliang. The new trend of finishing technology in functional textile[J]. China Textile Leader, 2003(6):

122-124.

[9] 陳蕾. 針織物納米抗菌防螨/防紫外復合整理研究及服用性能評價[D]. 上海: 東華大學, 2012: 32-34. CHEN Lei. Study on composite finishing treatment with anti-bacterial, anti-mite and UV resistance for knitted fabric and wearing properties evaluation[D]. Shanghai: Donghua University, 2012: 32-34.

[10] 吳秋蘭. 納米粉體整理對棉織物防紫外性能的研究[J]. 中國纖檢, 2012(3): 132-134. WU Qiulan. Study on anti-UV functional finishing of cotton fabrics with nano-powder material[J]. China Fiber Inspection, 2012(3): 132-134.

[11] 茆詩松, 周紀薌, 陳穎. 試驗設計[M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2004: 117-146. MAO Shisong, ZHOU Jixiang, CHEN Ying. Experimental Design[M]. Beijing: China Statistics Press, 2004: 117-146.

[12] 程友剛, 徐帥. 納米ZnO 整理劑的改性分散工藝研究[J]. 非織造布, 2010, 18(2): 11-14. CHEN Yougang, XU Shuai. Study on modification of nano-ZnO[J]. Nonwovens, 2010, 18(2): 11-14.

Influence of nano-ZnO finishing on anti-UV properties of silk fabrics

LIU Hui, XU Yinglian

(KeyLaboratoryforAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Nano-ZnO was modified by titanate coupling agent and then used in anti-UV finishing for improving the anti-UV properties of silk fabrics. Then Lambda 900 UV spectrophotometer was used to measure the UV transmittances in the wavelength range from 280 nm to 400 nm， and the UV transmittances and UPF values of the finished fabrics were used to evaluate UV resistance. Moreover orthogonal experiments were designed to determine the optimum process. The results showed that the optimum finishing conditions were as followed: nano-ZnO concentration has remarkable effect on the UPF value, followed by coupling agent concentration and ultrasonic treatment time; and the optimal parameters for anti-UV finishing is nano-ZnO concentration 18 g/L, coupling agent concentration 12 g/L, and ultrasonic treatment time 20 min. The average UV transmittance reduced from 27.09% to 2.46%, the UPF value increased from 2.624 to 35.428, and the treated silk fabric had good laundering durability.

nano-ZnO; titanate coupling agent; silk fabric; UV transmittance

10.13475/j.fzxb.20150800205

2015-08-03

2016-02-15

劉慧(1992—)，女，碩士生。研究方向為現(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品研究。徐英連，通信作者，E-mail: xy16000@126.com。

TS 131.9

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