自清潔技術在織物中的應用

文/張慢樂 唐 俊

1 引言

現代社會，環境污染和資源短缺越來越受到人們的關注，也成為紡織服裝行業面臨的一大難題。面料經過加工整理后，表面具有超疏水或降解污染物的特性，此類面料稱為自清潔面料。使用此類面料，可以有效減少洗滌次數，甚至達到免洗，從而減少洗滌劑的使用，以達到節水、節能和環境友好的目的。除此，還可以屏蔽和消解細菌、病毒、殺蟲劑和污漬等污染物，避免其通過呼吸道或皮膚對人體帶來傷害。具有自清潔功能的織物具有一個自清潔表面，廣泛應用于生化防護服裝、日常服裝和衛生保健等領域。

2 織物自清潔技術分類

織物的自清潔技術有不同的機理，大致分為三種：物理、化學和生物。其實現過程各有不同，本文選取了工業生產潛力較大的幾種技術分別進行介紹。

2.1 物理-超疏水化表面技術

根據表面動態潤濕的原理，在運動狀態下，超疏水化表面水滴處于Cassie態，近似于圓球體的水滴在表面張力的作用下類似于球體滾動，在疏水化表面，雜質尺寸小于圓球體的水滴尺寸時，由于疏水化表面對雜質的粘附小于水滴對雜質的粘附，所以水滴包裹著雜質顆粒一起運動，從而清除雜質。

1） 基于仿生學的原理來構建材料表面結構，以此獲得仿生自清潔表面，這是目前較常見的自清潔技術。許多動植物（如水稻葉、荷葉和蝴蝶翅膀）有超疏水和自清潔的效果，最典型的就是“荷葉效應”。

在掃描電鏡和原子力學顯微鏡下，德國科學家觀察了荷葉的葉面結構，闡明荷葉拒水自潔的原理。荷葉效應的關鍵是表面的微觀和納米結構。紡織物首先要有基本的拒水性能，其次需在表面形成納米尺度的粗糙度，兩者結合在一起產生織物的自清潔效果。

瑞士蘇黎世大學的科學研究人員把粒徑40nm的硅樹脂微粒涂覆在聚酯纖維表面，使整理后的聚酯纖維獲得拒水性能。它的原理是經過納米樹脂整理的織物表面和水之間產生永久的空氣層。

BASF公司開發的Mincor TX TT，它模擬荷葉的微觀結構，把納米粒子嵌在聚合物基質里，賦予織物耐久的納米結構表面，是真正具備納米結構的自清潔紡織產品。

2） 對紡織物表面進行改性，用低表面能的硅氟改性劑對其表面進行修飾，獲得超疏水化表面。

改進的NanoSphere涂層整理技術對棉和天然纖維的混紡織物進行C6氟碳整理后獲得拒污、拒水和拒油的性能，使織物具有持久的耐水洗效果。

2.2 化學-光催化表面處理技術

光催化效應是在光照的條件下用光敏材料分解污漬，使面料具有抗菌性和防臭性。光催化自潔面料的性能主要是從面料的自潔效率和耐用性能兩個方面進行評價。自潔效率主要和納米材料的光催化效率相關，耐用性能和納米材料與紡織品的有效作用力有關系，目前的研究熱門方向主要集中在TiO與ZnO兩大類材料。

1）納米二氧化鈦（TiO）

TiO是n型半導體材料。在吸收一定能量的光子后，TiO表面形成了電子空穴對，具有很強的氧化還原能力，氧化還原周圍的物體，這就是光催化原理。光催化技術可分解很多難降解的有機物，從而抑制細菌生長和病毒活性，實現自清潔。在光催化反應中，TiO僅僅提供了反應場所，其利用光能轉化為化學反應需要的能量，本身沒有參與化學反應，所以具有持久性。

TiO溶解在樹脂中，形成溶膠-凝膠，通過后期加工浸漬或者浸軋等方式整理添加到紡織產品中。在熒光燈或者太陽光的照射下，整理后的紡織產品具有抗菌、除臭、防霉、油污分解和空氣凈化的性能，具有廣闊的發展空間。

香港理工大學的沂浩忠教授在滌綸纖維織物和棉纖維織物的表面制備出銳鈦礦型納米TiO薄膜，整理后的滌綸織物，活性藍染料被光催化降解；整理后的棉織物，表面的污漬被光催化降解。

2）納米氧化鋅（ZnO）

在紫外光的照射下ZnO產生自由電子和空穴，進而產生自由基，氧化吸附細菌和有機物，因此具有抗菌除臭的功能。

在棉織物表面，陳佳婕等采用水浴法，六亞甲基四胺和硝酸鋅作為原料，得到形貌規整的ZnO納米棒陣列。整理后的棉織物具有良好的光催化和抗紫外線性能。

3）納米Ag

納米Ag有較大的比表面積和優良的導電性能。在可見光和紫外光的照射下，添加了納米Ag的紡織產品具有殺菌、抗病毒、降解細菌的作用，在沒有光照下，其也具有強效抗菌和殺滅病毒的作用。

墨爾本皇家理工大學（RMIT University）的研究人員研發了經銀和銅納米結構的溶液浸泡的棉紡織基材（cotton textile substrates），當暴露于可見光下時，該納米結構可以產生“熱電子（hot electrons）”，這些熱電子釋放能量，降解有機物。一些經過處理的棉紡織基材在可見光下大約6分鐘可自行清潔。此法低成本和高效率，并可輕易地大規模應用于工業中。

據報道，制備基于可見光光催化降解機制的自清潔織物，把Ag/ TiO粒子均勻地涂覆在PAN纖維表面，此織物在可見光下對亞甲基藍、羅丹明B和紅酒有良好的降解作用和自清潔效果，該織物多次洗滌后仍有良好的光催化效果。

2.3 生物-酶降解技術

在紡織品整理工序中加入具備降解化學污染物和抗菌除臭作用的生物酶，通過酶觸反應可快速降解有機污染物，反應條件較溫和，處理效率高。這方面的報道相對較少。

美國海軍實驗室分子生物學工程中心的研究人員向約500nm厚度的薄膜中添加可有效降解化學毒素的酶，加入薄膜的紡織品可以中和毒素，無殘留有害物質，很好地應用在軍用、民用的防護服整理中。

3 結論

自清潔技術在紡織和服裝產業中有著非常廣泛的應用前景，相關技術的研究現狀表明，許多關鍵問題還有待解決。比如超疏水自清潔表面制備方法需要復雜的工藝設計、精細的納米材料制備技術或者價格昂貴、后續帶來持久污染問題的氟硅處理劑；光催化自清潔表面技術存在功能顆粒在纖維表面穩定負載方法復雜，穩定性不足以及難以在纖維表面均勻分散等問題。生物酶降解技術的效果依賴外部環境的溫和性。生物酶溫度的耐受性不足，容易受酸堿環境和消毒劑的影響而滅活。目前受成本和性能的制約，自清潔技術在紡織服裝領域大多只能停留在概念階段，少部分實現工業化生產的產品也因高昂的市場價格而局限在軍事、農業、生化防護等領域，因此織物的自清潔技術在大規模工業應用之前還需要更多的進步。