除甲醛功能窗簾的特性研究及開發

陳夢穎 陳慰來 沈建春 岑柳莎

摘 要：為了開發具有除甲醛效果的新型功能性窗簾，以滌綸網絡絲和光觸媒紗線作為原料，設計了4種不同組織結構的織物，采用超聲浸軋、預烘和定形進行光催化后整理。采用X射線衍射儀、紫外-可見光分光光度計和電子掃描顯微鏡對光催化后整理的織物進行表征觀察，并對其基本性能和除甲醛性能進行測試。結果表明：通過光催化整理能夠使改性納米TiO2負載到織物上并發揮可見光催化作用降解甲醛。其中8枚3飛緯緞結構的織物除甲醛效率最高，在可見光下16 h的除甲醛率就達到90%以上，水洗10次后仍具有除甲醛效果，其基本性能滿足家紡裝飾布的要求。

關鍵詞：甲醛治理;可見光催化;光觸媒纖維;超聲波;功能性織物

Abstract：In order to develop a new functional curtain with the effect of removing formaldehyde， polyester interlaced yarn and photocatalyst yarn were used as raw materials to design 4 fabrics with different weave structures. The photocatalytic finishing was carried out by ultrasonic padding， prebaking and sizing. The fabrics finished by photocatalysis were characterized by X-ray diffractometer， ultraviolet-visible spectrophotometer and electronic scanning microscope， and their basic properties and formaldehyde removal performance were tested. The test results showed that the modified nano-TiO2 could be loaded onto the fabric by photocatalytic finishing and play a visible-light photocatalytic effect to degrade formaldehyde. Among them， 8/3 weft satin structure had the highest formaldehyde removal efficiency， and the formaldehyde removal rate was more than 90% under visible light for 16 h. After washing for 10 times， there was still formaldehyde removal effect， and the basic performance met the requirements of home textile decorative cloth.

Key words：formaldehyde treatment; visible-light photocatalytisis; photocatalyst fiber; ultrasonic wave; functional fabric

現代人約有3/5以上的時間在室內度過，室內空氣質量的優劣直接關系到人體健康。甲醛作為主要的室內空氣污染氣體，會引起鼻咽癌、白血病等[1-2]。目前治理甲醛污染問題的方法主要有通風換氣法、物理吸附法、生物凈化法等[3]。光催化技術中以TiO2為代表的n型半導體光催化劑氧化降解甲醛的優點最為突出[4]，在常溫下就能將吸附在TiO2表面的水和氧氣還原或者氧化為氫氧自由基（·OH）和超氧陰離子（·O-2），與甲醛氣體先反應生成中間體HOCOH，HOCOH生成最終產物為CO2和H2O[5-6]，成為治理室內空氣污染的新技術。

近幾年室內裝飾布朝“適用、經濟、綠色、美觀”的方向發展，利用室內裝飾物治理空氣質量問題成為發展的新趨勢。窗簾的比表面積大，易富集污染氣體，且生產技術成熟，以其作為載體負載除甲醛劑，制成具有除甲醛功能的紡織品符合現今家紡裝飾布的發展趨勢。Shabani等[7]采用浸軋干燥法將Fe3O4/TiO2負載在棉織物上，此方法制備的多功能棉織物具有良好的光催化性能但其耐用性較欠缺。周存等[8]采用同質涂層法將氮摻雜TiO2粉末負載于聚酯（PET）織物上，提高了織物的耐洗性，但涂層法對織物的手感、透氣性等具有較大影響。

采用功能性原料和后整理工藝相結合的方式制備性能優異的除甲醛功能窗簾。以光觸媒紗線和滌綸網絡絲作為原織物的原料，通過超聲浸軋→預烘→定形的后整理方式將改性納米TiO2負載到織物上，對窗簾織物的基本性能和除甲醛性能進行測試，并對織物的耐用性進行研究，為具有降解甲醛效果的綠色紡織品的開發提供建議。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：16.7 tex光觸媒紗線（浙江上虞弘強彩色滌綸有限公司）、16.7 tex滌綸網絡絲（紹興左順紡織品有限公司）、可見光催化整理劑（大阪鈦技術有限公司）。

實驗儀器：WP 6912型空氣質量檢測儀（深圳市天美意科技有限公司）;自制甲醛檢測箱;JCY-2型接觸角測量儀（上海方瑞儀器有限公司）;KQ5200DE型數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）;P-A0立式電動小軋車（紹興鴻靖紡織機械設備有限公司）;DGG-9240B型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司）;AR223CN型電子天平（奧豪斯儀器有限公司）;ARL XTRA型X射線衍射儀（瑞士Thermo ARL公司）;Lanbda 365型紫外-可見光分光光度計（美國PE公司）;JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（日本株式會社）;YG026H型多功能電子織物強力機（寧波紡織儀器廠）;YG541型織物折皺彈性儀（寧波紡織儀器廠）;YG461型電腦式透氣性測量儀（寧波紡織儀器廠）。

1.2 實驗方法

1.2.1 織物的制備

1.2.1.1 織物的織造

設計了兩種窗簾織物，選用意大利K88劍桿織機進行織造，具體的窗簾織物試樣的規格參數如表1所示。圖1為織物試樣的組織結構圖。

1.2.1.2 織物預處理

首先將織物放入非離子洗滌劑中，在室溫下洗滌20 min，去除織物表面的雜質，使用去離子水充分水洗干凈，室溫下晾干待用。

1.2.1.3 光催化整理

將預處理后的織物放入可見光觸媒整理劑中，并在65 ℃下超聲浸漬處理30 min。利用軋車對織物進行軋壓（軋液率為75%～85%），將織物在85 ℃下預烘5 min。通過二浸二軋二預烘之后，在120 ℃下定形3 min，織物表面負載的改性納米TiO2達到一定的負載量。同時按式（1）使用增重法測定改性納米TiO2在試樣織物表面的負載量（QT/（mg/g））。

1.2.2 甲醛去除率的測試

實驗自主設計的甲醛測試裝置如圖2所示。該甲醛測試裝置模擬室內居住環境，測試織物的除甲醛性能。測試裝置用0.5 m×0.5 m×1 m的不透光亞克力板制成，在亞克力箱頂面有一個20 cm×20 cm的矩形孔和直徑為1.5 cm的圓形孔。矩形孔用于放入樣品和讀取空氣檢測儀的數值，實驗時用30cm×30 cm的透明亞克力蓋板蓋住并用凡士林密封。圓形孔為電線接入口，方便裝置內設備的接入。

利用調溫調濕裝置將測試箱內的溫度控制在25 ℃，相對濕度控制在50%。測試前使用空氣質量檢測儀對箱內空氣質量進行檢測，確保箱內空氣清新。將等量劣質油漆作為甲醛氣體釋放源放入甲醛檢測裝置，打開攪拌風扇模擬室內空氣微循環，放置30 min后記錄下此時的甲醛測試裝置內甲醛濃度C0。打開蓋板，放入30 cm×50 cm的樣品，打開日光燈，記錄甲醛檢測儀上t小時的示數，記為Ct，連續測定24 h。按式（2）計算出織物的甲醛去除率。

1.2.3 測試方法

織物與水的接觸角測試：對織物進行水接觸角測試，水量為2 μL，當水滴與織物接觸5 s后凍結圖像，計算織物與水的接觸角。

X射線衍射（XRD）分析：測試條件為λ=0.154 nm，掃描速度2°/min，掃描范圍15°～80°，步寬0.20。

UV-Vis光譜分析：掃描范圍400～800 nm，掃描間隔1 nm，分辨率1 nm。

拉伸強力測試：按GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分》測定。

透氣性：按GB 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》測定。

折皺回復性：在試樣的平整處，用凸形印章印上經、緯試樣各10塊，正面對折與反面對折各半。將試樣剪下后按要求放置織物折皺彈性儀上測試織物經、緯向的折皺回復角。

織物耐洗性測試：按GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》測定。

2 結果與討論

2.1 光觸媒纖維性能分析

光觸媒纖維是一種含有TiO2的改性聚酯纖維，其結構如圖3所示。光觸媒纖維表面不平整，有深淺不一的溝槽，并且分布著TiO2。表面的TiO2在光照條件下可催化反應水分子和氧氣分解產生高氧化性的氫氧自由基（·OH）和超氧陰離子（·O-2）。

普通的聚酯纖維只在大分子的兩端各有一個羥基（-OH），不含有其他親水基團，因此親水性差。光觸媒纖維含有TiO2，TiO2具有超親水特性[9]，可以改善織物的親水性。使用水接觸角測量儀對1—4號試樣進行水接觸角測試，試樣的測試結果一致，如圖4所示，織物5 s后均能完全潤濕，這說明光觸媒纖維能改善織物的親水性，提高織物的吸附能力，在后整理工藝中有助于織物負載整理劑。

2.2 XRD分析

TiO2晶型分為銳鈦型、金紅石型和板鈦礦，銳鈦型TiO2晶體的比表面積最大，光催化效果最好[10-11]。使用X射線衍射儀對可見光催化整理劑、光催化整理前織物和光催化整理后織物進行分析，其XRD譜圖如圖5所示。

根據圖5顯示，可見光催化整理劑的XRD譜線a在2θ為25.7°、37.4°、48.3°和55.1°附近出現明顯的衍射特征峰，與銳鈦型TiO2的[101]、[004]、[200]和[105]晶面的衍射特征吸收峰一致[12]。光催化整理前的織物由于光觸媒紗線表面的TiO2較少，其特征峰被滌綸的特征峰所掩蓋，因此織物的XRD譜線b只在2θ為17.8°、23.0°和25.9°附近出現滌綸的特征衍射峰。譜線c中出現了滌綸纖維及可見光催化整理劑的特征衍射峰，這意味著織物表面成功地負載上了改性納米TiO2。

2.3 UV-Vis光譜分析

對光催化整理后的織物在可見光區域（波長400～800 nm）進行光譜分析。圖6所示，織物經過光催化整理后在可見光區域具有光吸收能力。改性納米TiO2的可見光吸收能力與其光催化活性有著直接關系，織物對可見光區域有吸收能力，則表示其能夠利用可見光進行光催化。

2.4 SEM分析

采用掃描電子顯微鏡對光催化后整理前后的試樣表面微觀形貌進行觀察，如圖7所示。織物在光催化整理前纖維表面具有少量TiO2粒子。通過光催化整理后，織物表面負載大量改性納米TiO2。通過超聲浸軋后可見光催化整理劑中的改性納米TiO2沒有發生團聚，并負載在纖維表面，這是賦予織物良好光催化性能的關鍵所在。

2.5 除甲醛效果分析

按照1.2.1的方法制備除甲醛功能性窗簾織物，同時計算織物負載可見光整理劑的負載量（QT）。并將經過光催化整理前后的織物分別作為光催化載體在可見光條件下應用于甲醛的催化降解實驗中，測定反應過程中甲醛氣體的含量（Ct）。

2.5.1 光催化整理對窗簾織物除甲醛效果的影響

表2是甲醛檢測裝置放入樣品前后的C0、C24和D24，由表2可知，經過光催化整理后織物的甲醛凈化能力明顯提高。分析其原因：可見光催化整理劑負載在織物表面，織物表面納米TiO2增多，提高甲醛與納米TiO2的接觸概率，從而提升織物的甲醛凈化能力。光催化整理前織物的除甲醛有略微的差別，其中8枚3飛緯緞織物的除甲醛率最高，是由于其緯組織點最多且組織結構較松散，利于光觸媒纖維和甲醛接觸，從而更快速地催化降解甲醛。

2.5.2 組織結構對窗簾織物除甲醛效果的影響

圖8是光催化整理后不同組織結構織物的可見光整理劑負載量（QT）和反應過程中甲醛氣體的含量（Ct）。根據式（2）計算出測定反應過程中織物甲醛去除率D8%、D16%、D24%的變化，結果如表3所示。

由圖8（a）可知，3上1下斜紋織物和2上2下斜紋織物的負載量相對較小，5枚2飛緯面緞紋織物的負載量有所增加，8枚3飛緯面緞紋織物的負載量最大，可達到63.114 mg/g。在相同光催化后整理條件下，織物負載量受兩方面的影響：一是織物的結構松緊程度。8枚3飛緯面緞紋的組織結構較疏松，在超聲波條件下，改性納米TiO2更容易進入到織物內部并負載在纖維表面;二是織物表面光觸媒纖維的比例。8枚3飛緯面緞紋織物的緯組織點比另外3種組織結構織物的多，且其織物表面緯紗浮線比例也最高，因此織物表面具有更多的光觸媒纖維，能夠負載更多的改性納米TiO2。

由圖8（b）可知，在前12 h測試裝置內甲醛質量濃度下降較快，織物去除甲醛速率較快，后12 h甲醛降解速率慢慢減緩，最終甲醛質量濃度穩定在0.011 mg/m3。3上1下斜紋織物和2上2下斜紋織物負載的改性納米TiO2量幾乎相等，所以其Ct的變化幾乎一致。根據表3所示，4種組織結構的樣品24 h的除甲醛率一樣，改性納米TiO2負載最多的8枚3飛緯面緞紋織物的Dt%在16 h時最先達到穩定狀態。這是由于在甲醛起始濃度相同的情況下，窗簾織物負載可見光整理劑的負載量越高，負載在纖維表面的TiO2越多，產生的·OH和·O-2越多，能夠增加與空氣中甲醛分子的接觸機會，甲醛分子更容易被催化降解。因此窗簾織物的負載量越高，其除甲醛速率越快。光催化除甲醛的整個反應過程中TiO2只起到了催化效果，在甲醛被催化降解的過程中不會消耗TiO2，所以織物負載量的多少并不會影響最終的除甲醛效果。4種織物的C24最終趨于穩定是由于空氣中含有的少量甲醛分子很難與·OH和·O-2接觸從而難以被氧化降解。

2.6 基本性能分析

對織物光催化整理前后的拉伸強力、透氣性和折皺回復性進行測試，結果如表4所示。織物經過光催化整理后的經緯向拉伸強力、經緯向的抗皺性和透氣性均有下降。這可能是由于TiO2的強氧化性和超聲波對纖維造成損傷，使纖維大分子鏈發生部分斷裂，對纖維的強力造成損傷，導致織物的宏觀力學性能下降，但是經過光催化整理的織物的斷裂強力仍達到GB/T 19817—2005《紡織品 裝飾用織物》中懸掛類和覆蓋類用織物優等品的斷裂強力的要求。經過后整理的織物抗皺性增強，這是由于纖維表面負載的改性納米TiO2對織物和紗線有束縛，導致折皺回復角變大。透氣性變差的原因是由于改性納米TiO2粒子的存在減少了織物的空隙。

2.7 織物耐洗性研究

為了考察具有除甲醛功能的窗簾織物的耐用性能，將光催化整理后的8枚3飛緯緞織物分別洗滌2次、4次、6次、8次和10次，將其在可見光條件下應用于甲醛的降解反應中，同時測定計算反應過程中甲醛去除率D24，結果如表5所示。

由表5可知，織物經過水洗后其除甲醛率不斷降低。經過2次水洗后，織物24 h除甲醛率僅下降了5.27%，說明經過超聲浸軋和預烘定形，改性納米TiO2與織物之間具有較好的負載牢度。經過4次水洗后，織物D24%下降比較明顯，因為多次水洗使織物表面部分改性納米TiO2脫落，織物的除甲醛效率降低。織物經過8次和10次水洗后，其24 h的除甲醛率在50%以上，這是由于經過多次水洗之后只有少量的改性納米TiO2負載在纖維表面，此時光觸媒纖維發揮光催化作用，能夠催化降解一部分的甲醛。因此，此工藝流程制備的除甲醛窗簾織物具有良好的耐用性。

3 結 論

a）采用超聲浸軋→預烘→定形的后整理方法將改性納米TiO2負載到織物上，用X射線衍射儀、紫外-可見光分光光度計和電子掃描顯微鏡對光催化后整理后的窗簾織物進行表征，結果表明改性納米TiO2成功負載在窗簾織物上，且窗簾織物在可見光下可發揮光催化除甲醛作用。

b）不同組織結構的光觸媒-滌綸織物經過相同的光催化后整理工藝負載改性納米TiO2的量不同。織物表面光觸媒紗線浮線越長，織物結構越疏松，織物負載的改性納米TiO2越多，催化降解甲醛的速率越快，但不會影響最終去除甲醛的效果。8枚3飛緯面緞紋織物的負載量最高，除甲醛速率最快，16 h的除甲醛率為90.35%，并達到穩定狀態。經光催化后整理的窗簾織物的強力、折皺回復性和透氣性略有下降。

c）通過光催化后整理的織物經過6次水洗，窗簾織物24 h的除甲醛效果仍能達到59.32%。但由于超聲浸軋是物理吸附，多次水洗后織物負載的改性納米TiO2會減少，此時光觸媒纖維能夠發揮光催化除甲醛的作用。因此，此工藝流程制成的除甲醛功能窗簾織物經過10次水洗之后仍具有除甲醛效果，具有較好的耐用性。

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