霧化納米TiO2制備自清潔棉織物及其性能

張艷艷，吳永鴻，王宗乾，李長龍，劉新華，劉向東

(1.安徽工程大學 紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000；2.浙江理工大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 31000)

棉織物具有吸濕透氣、柔軟舒適、價格低廉等優良性能，在家紡、服裝和軍工中應用廣泛。隨著科技的發展和人類生活水平的不斷提高，人們對棉紡織品性能的要求也逐步提高。近年來已制得了許多高性能棉織物，如抗菌、疏水、導電、阻燃、自清潔等。自清潔紡織品因能減少環境污染、節省人力資源，越來越受到消費者的青睞。

“自清潔”是在無外界因素作用下，物質自身能將污漬清除的能力。納米TiO在紫外光照射下可產生光生電子和空穴，實現織物的自清潔性能。現有的自清潔棉織物一般采用后整理法，運用這些方法制得的自清潔棉織物存在一些缺點，如納米粒子與棉織物之間結合牢度不夠高、棉織物上殘存大量對人體有害的化學試劑、對棉織物固有優良性能破壞大以及反應工藝復雜等，在實際生產應用中受到限制。因此，開發新型、安全高效的自清潔棉織物具有重要的現實意義。

采用“霧化處理”法將納米TiO以共價鍵的形式接枝到棉織物表面上制備自清潔棉織物，克服納米TiO和棉織物結合不牢固缺點的同時有效控制TiO的用量，降低改性處理對棉織物固有優良性能的影響，對人體安全性高，為開發新型自清潔棉織物提供實驗基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及化學藥劑

平紋純棉織物(規格：經密600 根/10 cm，緯密 300 根/10 cm，厚度0.42 mm，平方米質量 120 g/m，表面積35.2 m/g，紹興啟東紡織有限公司)；聚乙烯吡咯烷酮(上海展云化工有限公司)；納米二氧化鈦(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；聚丙烯酸50%水溶液(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；二烷基硫酸鈉(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。

1.2 實驗方法

(1)棉織物前處理。將十二烷基磺酸鈉溶于去離子水中，配成普通洗滌劑，在150 mL含有0.2%該洗滌劑的水溶液中旋轉清洗棉織物1 h，水溫控制在35 ℃，轉速控制在45±2 rpm，清洗，干燥棉織物。再經無水乙醇超聲清洗棉織物15 min×2 次，超純水超聲清洗15 min×2 次并干燥。裁剪成50 mm×50 mm和160 mm×40 mm,備用。

(2)納米TiO溶液的制備。將0.1 g聚乙烯吡咯烷酮溶于100 mL超純水中，恒溫水浴加熱至35 ℃，攪拌10 min。稱取0.1 g納米TiO溶于上述溶液中，并且用HUP-100型細胞破碎機在第三檔上高速剪切10 min使納米TiO充分分散均勻。靜止該分散液4 h，備用。

(3)棉織物表面改性。取2 mL聚丙烯酸50%水溶液稀釋至100 mL，將經過前處理的潔凈棉織物完全浸沒入聚丙烯酸的稀的水溶液中1 h使纖維素大分子與聚丙烯酸充分接觸，取出棉織物晾干至濕增重為80%～100%左右，然后將棉織物于180 ℃烘箱里反應5 min。取出反應后的棉織物洗去表面未反應的聚丙烯酸，干燥，備用。

(4)霧化處理制備自清潔棉織物。檢查霧化器氣密性，量取配制好的納米TiO分散液的上層清液7 mL倒入霧化杯中，連接裝置，調好秒表，啟動霧化器開關，經霧化的納米TiO溶液呈霧滴狀從噴霧器出口噴射出，將1.2(3)制備的改性棉織物置于噴霧器出口3～5 cm處，對棉織物進行單面霧化處理，每塊50 mm×50 mm的棉織物約5 min噴涂均勻，然后將棉織物平整地放置于表面皿中，于180 ℃烘箱中反應5 min。為防止納米TiO的量過少而致使棉織物表面負載上的TiO量太少，重復噴霧TiO步驟3次，因為當納米級微粒存在于溶液中時易發生團聚，所以要配制極稀的TiO溶液才能使棉織物表面附著上既不影響棉織物固有的優良性能，同時又具備顆粒大小適宜、符合理想自潔效果的TiO。洗去棉織物上未反應的納米TiO，干燥。霧化處理制備自清潔棉織物反應機理圖如圖1所示。

圖1 霧化處理制備自清潔棉織物反應機理圖

1.3 測試部分

(1)紅外測試。采用美國Nicolet公司的Nicolet Avatar 370傅立葉變換紅外光譜儀對經納米TiO單面霧化處理后的棉織物表面成分進行表征及分析。安裝ATR衰減全反射附件裝備，掃描范圍設定為700～4 000 cm，掃描次數設定為128次，掃描測試時的環境溫度、濕度恒定。

(2)掃描電子顯微鏡測試。采用日本電子株式會社產的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡對經納米TiO單面霧化處理后的棉織物表面形貌進行測試及表征。測試電壓設定為3 kV，觀察前鍍金處理以增加其導電性，便于二次電子成像。

(3)自清潔測試。采用生活中常見的有色液體作為棉織物的污染源對經納米TiO單面霧化處理后的棉織物試樣做自清潔性能測試，污染源包括辣椒油、桑葚汁、黑枸杞茶和咖啡。將棉織物樣品剪裁成8 mm×20 mm的小樣條，將各棉織物小樣條分別浸潤在這些污染源中20 min，使棉織物樣條充分沾染上污染源，取出棉織物樣條吸除多余污染劑，晾至重量不超過濕增重的80±5%后將這些小樣條置于暗箱高強度紫外分析儀中，每隔固定時間拍照，記錄棉織物樣條上污染源試劑的顏色變化。

(4)色度分析。將天然棉織物和負載上納米TiO的棉織物都分別用辣椒油、鮮桑葚汁、黑枸杞茶、咖啡做污染處理，并及時測出各棉織物對應各顏色的反射率，記為0 h時的數據，用紫外光對帶有污染試劑的本研究制備的棉織物和天然棉織物進行照射處理，在24 h、36 h、60 h時分別再次測得反射率，記為棉織物上TiO自清潔效果的量化數據。

2 結果與分析

2.1 經納米TiO2處理棉織物表面成分分析

實驗測試了天然棉織物和經納米TiO單面霧化處理后的紅外光譜，結果如圖2所示。由圖2可知，b、c試樣相比于a試樣均在1 722 cm處出現了新的特征峰，對應酯基中的C=O的伸縮振動峰，證明處理后的棉織物表面上出現了酯基,自清潔單體納米TiO微粒已成功接枝到棉織物上。曲線c相對于曲線b的酯基峰較弱，分析是大量TiO顆粒的存在對ATR掃描反射過程造成了一定的干擾。

圖2 天然棉織物和改性棉織物的紅外譜圖

2.2 經納米TiO2處理棉織物表面形貌分析

用場發射掃描電子顯微鏡觀察了天然棉織物、經納米TiO單面霧化處理后的棉織物表面TiO的性征，結果如圖3所示。由圖3可知，天然棉織物表面沒有聚合物層，比較光滑平整，經納米TiO單面霧化處理后的棉織物表面出現明顯且較均勻分布的TiO顆粒。

圖3 天然棉織物和TiO2改性棉織物的SEM形貌

2.3 經納米TiO2處理后的棉織物自清潔性能

采用生活中常見的4種不同污染源對棉織物做了自清潔測試，觀察經納米TiO處理后的棉織物在紫外光照下的光催化自清潔效果，結果如圖4所示。從左到右分別是用辣椒油、鮮桑葚汁、黑枸杞茶和雀巢咖啡對棉織物做污染處理，從上到下依次是被污染的棉織物在365±5 nm的紫外光連續輻射下棉織物的自潔效果圖。由圖4可知，空白棉織物上的污漬經過60 h照射后有一定程度失色，分析是光的熱能帶走一部分的色素分子。經納米TiO處理后的棉織物對平時用餐中常見的辣椒油的自潔效果尤為顯著，照射36 h后經TiO處理過的棉織物表面上鮮艷的辣椒油的顏色幾乎完全褪去。處理后的棉織物對黑枸杞茶和鮮桑葚汁的自清潔效果次之，黑枸杞茶和鮮桑葚汁的主要成分是花青素。實驗表明，經TiO處理過的棉織物對辣椒油和花青素的自清潔效果很好。對咖啡的自清潔作用，在紫外光下輻射60 h，處理后的棉織物表面基本都恢復了本色，說明負載了納米TiO顆粒的棉織物對不同的污染劑的自清潔效果略有差異。

圖4 天然棉織物和TiO2處理棉織物的自清潔效果

2.4 色度測試結果分析

實驗測試了天然棉織物和制備的棉織物浸上辣椒油后從0 h到60 h，棉織物表面對光的反射率曲線圖，結果如圖5所示。對比圖5a、圖5b相同時刻的曲線可知，制得的棉織物在紫外光照36 h后棉織物表面對光的反射率明顯增大，而未做處理的棉織物在所有時間內對光的反射率有略微增大的趨勢，考慮是光照的熱量帶走棉織物表面的一部分顏色和分子運動使微量顏色分子離開棉織物表面的結果。由制備的自清潔棉織物(見圖5b)對光的反射率曲線走勢可知，隨著紫外光照時間的延長，制得的自清潔棉織物表面的紅色在60 h時表現為明顯降低，隨著紫外光照時間的延長，被污染的棉織物對光的反射率增大，棉織物表面變亮、顏色變淺，證明了制備的棉織物具有良好的自清潔性能。

圖5 二氧化鈦負載前后棉織物的自清潔效果色度圖

3 結論

通過“霧化處理”法將納米TiO以共價鍵的形式穩定接枝到棉織物表面制備自清潔棉織物。結果表明，親水型的納米TiO粒子、聚丙烯酸和纖維素大分子之間形成了穩定的酯基，納米TiO成功地接枝在棉織物表面上，制得的自清潔棉織物對生活中一些常見污漬有明顯的自清潔效果，棉織物表面納米TiO微粒分布均勻。“霧化處理”法具有單體用量少，聚合反應過程可控、操作簡單、反應條件溫和、設備簡單、無需后處理等優點，彌補了前人制備的自清潔棉織物工藝過程繁瑣、棉織物表面化學試劑殘留量過大影響人體健康等諸多缺陷。制得的自清潔棉織物對人體健康的安全性好，實用性高，符合現代生態紡織品的開發理念。