納米氧化鋁鋅在棉織物隔熱整理中的應用

喬巨濤，張維，張寶劍，王碩，楊文秀

（河北科技大學紡織服裝學院，河北石家莊050018）

隨著生活水平的提高，人們對紡織品的要求不僅局限于能夠御寒保暖，而且還要求具有一定的特殊功能，包括防水、阻燃、抗紫外、抗菌、隔熱等。隔熱紡織品可以廣泛應用于遮陽傘、帳篷等夏季戶外防護面料，能夠有效阻擋太陽光，在炎炎夏日給人們送去涼爽。當太陽光照射到紡織品表面時會發生吸收、透過、反射等現象。其中對反射型隔熱材料研究最多，作用機理是反射可見光和近紅外光區的輻射能[1]。

納米無機顏料ZnO、TiO2、CeO2、SnO2具有較大的折射率，能有效屏蔽近紅外區域的太陽光（780～2 600 nm），并對紫外線區域具有較強的吸收能力，可以作為優良的隔熱和防紫外線材料[2-3]。王科林等[4]制備了納米TiO2聚氨酯復合涂層織物，織物具有優良的隔熱性能和機械性能。Xiao等[5]采用溶膠-凝膠法制備TiO2/SiO2殼核結構的復合涂料，并將此涂料加入到涂層中，能夠有效提高涂層的隔熱性能。

納米氧化鋁鋅（AZO）相比氧化鋅具有更高的光譜選擇性，可以作為燃料電池的抗反射涂層，能夠有效屏蔽近紅外線[6-9]。Soumya等[10]制備出AZO與聚丙烯酸甲酯復合涂料，并應用于玻璃表面涂層中，結果證明涂層具有較強的自清潔以及紅外屏蔽性能。涂層能夠屏蔽波長為363～1 100 nm的光，并能夠提高紅外反射率，經2%AZO涂飾的玻璃表面，輻射溫度可以降低9.3℃。此外，經涂飾后的玻璃表面具有抗劃傷和防凍功能。Zhang[11]等通過沉淀法合成AZO納米花和納米棒，并將其混入聚丙烯酸酯涂層中，制備出具有隔熱性能的復合涂層。

本實驗通過研究納米AZO的制備條件，制備出平均粒徑在300 nm以下的AZO分散液，并對純棉織物進行整理，獲得附著AZO的純棉織物。對織物表面形態、XRD、紅外透過率以及隔熱性能進行表征，制備出能夠有效屏蔽太陽光的隔熱紡織品。

1 實驗

1.1 材料和儀器

織物：15 tex×15 tex，461根/10 cm×441根/10 cm純棉斜紋織物。藥品：二水醋酸鋅[Zn（CH3COO）2·2H2O]、九水硝酸鋁[Al（NO3）3·9H2O]、氫氧化鈉（NaOH）、氨水（NH3·H2O）（均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司），無水乙醇（天津市科密歐化學試劑有限公司），聚乙二醇300（廣東光華科技股份有限公司），分散劑SN5040（臺灣中亞化學有限公司）。實驗用水均為去離子水。儀器：S-4800場發射掃描電子顯微鏡（日本日立公司），D/MAX-2500 X射線衍射儀（日本Rigaku公司），LS-609激光粒度儀（珠海歐美克儀器有限公司），UV3600紫外-可見-近紅外分光光度計（日本島津公司），YG（B）026H電子織物強力機（溫州大榮紡織儀器有限公司），WSD-2型數顯白度儀（上海平軒科學儀器有限公司）。

1.2 負載納米AZO織物的制備[10]

1.2.1 納米AZO分散液的制備

稱取4.25 g乙酸鋅和0.225 g硝酸鋁溶于200 mL去離子水中，加入10 mL聚乙二醇300，用1 mol/L氫氧化鈉溶液調節pH=10.0～10.5，攪拌4 h。合成的AZO前驅體溶膠通過離心分離，蒸餾水洗滌數次，最后一次用乙醇洗滌，80℃烘24 h。烘干后的粉末用馬弗爐在500℃下煅燒1 h，得到納米AZO淡黃色粉末。

將6 g納米AZO分散于200 mL水中（質量分數為3%），加入3滴分散劑SN5040，超聲分散30 min，球磨6 h，得到淡黃色納米AZO分散液。

1.2.2 納米AZO涂層整理工藝

二浸二軋（軋液率60%～70%）→預烘（80℃，5 min）→焙烘（120℃，3 min）。反復浸軋烘干3次，得到附有AZO的棉織物。

1.3 測試

表觀形態：采用場發射掃描電子顯微鏡觀察。

粒徑：采用激光粒度儀測定。

XRD：采用X射線衍射儀進行表征，CuKα射線，波長λ=1.541 8?，掃描范圍5°～90°。

透過率：采用紫外-可見-近紅外分光光度計進行測定。

白度：采用數顯白度儀測定。將織物折疊4層，在不同部位測量4次，取平均值。

隔熱性能：采用自制隔熱裝置（如圖1所示，箱體為聚苯乙烯泡沫，箱體內腔大小為26 cm×18 cm×15 cm，箱體上方開口14 cm×12 cm，并均分為4塊區域，將碘鎢燈置于聚苯乙烯泡沫箱上方30 cm處）測試，織物置于箱體開口的上方，溫度探頭置于箱底，打開碘鎢燈，箱體內溫度隨時間延長而升高，每隔5 min記錄一次溫度，直到達到平衡。

圖1 隔熱裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 納米AZO顆粒的組成和結構

從圖2中可以看出，納米AZO的X射線衍射峰與ZnO標準卡片（JCPDS No.36-1451）一致，這些衍射峰與 標 準ZnO（100）、（002）、（101）、（102）、（110）和（103）晶面相對應，說明鋁摻雜沒有形成新的物相。

圖2 納米AZO XRD圖

2.2 納米AZO分散液的性能

2.2.1 分散性能

取3%的納米AZO分散液置于10 cm試管中，靜置一定時間，測定上層清液高度。記錄放置不同時間后上層清液高度，結果見表1。

表1 納米AZO沉降性能

由表1可以看出，經過球磨分散的納米AZO分散液沉降72 h后上層清液為2.1 cm，具有一定的分散穩定性。

2.2.2 粒徑

由圖3可以看出，經過球磨后的AZO顆粒分布比較均勻，顆粒粒徑大部分分布在161～1 725 nm，平均粒徑為282 nm。

圖3 納米AZO分散液粒徑分布圖

2.3 表征

2.3.1 掃描電鏡

由圖4可知，織物表面被納米顆粒均勻覆蓋，在高溫焙烘下納米顆粒團聚成膜。

圖4 棉織物整理前（a）后（b）的掃描電鏡圖

2.3.2 XRD

由圖5可知，在22.8°處極強的衍射峰對應纖維素纖維的（200）晶面，而14.8°和16.6°分別對應（110）晶面的反射峰和衍射峰[12]。經過整理后，在31.8°、34.5°、36.3°處出現3個較強的衍射峰，分別對應AZO（100）、（002）、（101）晶面，證明納米AZO覆蓋在棉織物表面。

圖5 納米AZO整理前（a）后（b）棉織物的XRD圖

2.3.3 隔熱性能

由圖6可知，以未整理的棉織物作為隔熱層，60 min照射后箱底溫度為74.7℃；以1%AZO整理的棉織物作為隔熱層，箱底溫度為74.1℃，具有一定的隔熱效果。棉織物的隔熱效果隨AZO質量分數增加而增強。經3%AZO整理的棉織物可使箱底溫度降至70.4℃，比未整理棉織物低4.3℃。繼續增加AZO質量分數，隔熱效果增加不明顯，這可能是因為整理液質量分數過高影響納米顆粒在織物表面的附著。

圖6 AZO整理棉織物鋁板溫度隨時間的變化曲線

由圖7可知，經過AZO整理后棉織物對190～2 600 nm范圍內的輻射都有較好的屏蔽效果，尤其是紫外線部分（190～400 nm），透過率基本為零，從而證明整理后的棉織物不僅擁有優良的隔熱效果，還具有極強的抗紫外能力。

圖7 棉織物整理前（a）后（b）的透過率曲線圖

2.4 織物性能

如表2所示，經過AZO整理的棉織物經緯向斷裂強力會有一定程度的下降，但降低幅度不大；由于納米AZO經煅燒后發黃，因此整理后的織物白度降低，由75.1降為65.2。

表2 整理前后織物的性能

3 結論

（1）采用共沉淀法成功制備出納米氧化鋁鋅粉體（AZO），通過球磨分散制備出質量分數為3%、平均粒徑為282 nm的納米AZO分散液。

（2）采用3%AZO整理的棉織物能夠有效地降低布下溫度4.3℃，具有優良的隔熱效果，并且具有抗紫外功能。經整理后，織物白度和斷裂強力均有一定程度的下降。