楊豆豆,孟家光,白亞琴,涂 莉

(1.西安工程大學(xué) 陜西省2011產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 西安710048;2.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048)

0 引 言

近年來,隨著氟里昂氯烷類物質(zhì)(CIFC)的過度使用以及日益嚴(yán)重的工業(yè)大氣污染,地球的保護(hù)圈——大氣臭氧層越來越薄,地球表面的太陽紫外線輻射量明顯增加,直接危害著人類的健康[1-2]。紡織品作為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?對(duì)其進(jìn)行抗紫外線功能性整理成為研究熱點(diǎn)[3-4]。純棉針織物因性能優(yōu)良成為使用最廣的服裝面料,但在紫外線波長(zhǎng)280～400 nm范圍內(nèi),它的紫外線輻射透過率較高,導(dǎo)致其抗紫外性能很差[5],因此對(duì)純棉針織物進(jìn)行抗紫外整理具有重要意義[6]。

目前常用的有機(jī)類紫外線吸收劑,耐久性較差,且不同程度地存在著毒性或刺激性[7-8];無機(jī)類紫外屏蔽劑容易出現(xiàn)團(tuán)聚、難以分散、效果不持久等弊端。隨著納米技術(shù)的興起,新型無機(jī)抗紫外劑應(yīng)運(yùn)而生,抗紫外效果和各方面性能都優(yōu)于粉體級(jí)抗紫外劑[9],且具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。其中納米TiO2具有較高的光催化活性、良好的耐氣候性和較強(qiáng)的紫外線屏蔽能力[10],同時(shí)化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒[11-12],被廣泛應(yīng)用在化妝品、服飾、塑料薄膜、涂料、精細(xì)陶瓷及催化劑等領(lǐng)域[13]。納米SiO2作為一種無毒、無味、無污染的無機(jī)非金屬材料,粒徑小,比表面積大,表面吸附能力強(qiáng),表面能大,化學(xué)純度高,分散性能好[14],具有極強(qiáng)的紫外反射與吸收、紅外反射等特性,添加到織物中能達(dá)到抗紫外和保健的作用,同時(shí)還增加了織物的隔熱性、耐磨性[15]。無機(jī)氧化物涂膜整理是使織物獲得抗紫外性能的途徑之一,其中溶膠-凝膠技術(shù)是最簡(jiǎn)單的方法[16],其操作簡(jiǎn)便且整理效果好。

基于納米TiO2和納米SiO2的優(yōu)良性能,本文采用溶膠-凝膠技術(shù),以鈦酸正四丁酯為前驅(qū)物,制得納米TiO2溶膠;以正硅酸乙酯為前驅(qū)物,制得納米SiO2溶膠;再將納米TiO2溶膠和納米SiO2溶膠按2∶1的比例配置成納米TiO2/SiO2復(fù)合溶膠，對(duì)純棉針織物進(jìn)行抗紫外整理,研究織物整理前后的抗紫外效果、耐水洗性及服用性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 19.6 tex單紗織造的本白純棉緯平針圓機(jī)織物,織物規(guī)格為20 cm×20 cm,橫密為62行/5 cm,縱密為82列/5 cm。

1.1.2 試劑 鈦酸正四丁酯(TEOT)(C16H36O4Ti,化學(xué)純,中國醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)試劑公司)；正硅酸乙酯(TEOS)(C2H5)4SiO4,化學(xué)純,西安化學(xué)試劑廠)；三乙醇胺(C6H15NO3，分析純,蚌埠新科試劑廠)；無水乙醇(分析純,西安三浦化學(xué)試劑廠)；氨水(分析純,西安三浦精細(xì)化工廠)；冰醋酸(分析純,西安化學(xué)試劑廠)；去離子水。

1.1.3 儀器 JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器(常州國華精密儀器廠);85-2型恒溫磁力攪拌器(上海浦東光學(xué)儀器廠);CQ-25-6B型超聲波清洗器(上海新超超聲波儀器有限公司);電熱恒溫水浴鍋(上海醫(yī)療器械五廠);YMPO-01S-8型手動(dòng)手搖小軋車(萊州元茂儀器有限公司);101C-2B型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠);CARY50型紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)(美國瓦里安公司);YG(B)026D-500型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)；YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)；Y561織物透氣性測(cè)試儀(寧波紡織儀器廠)；SW-12型A耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)(無錫紡織儀器廠)。

1.2 方法

1.2.1 納米氧化物溶膠的制備 1) 在室溫下,將0.1 mol的鈦酸正四丁酯和3 mol的無水乙醇放入燒杯中混合,在恒溫磁力攪拌器下攪拌20 min使前驅(qū)物充分溶解,并在攪拌的過程中加入0.1 mol三乙醇胺作為穩(wěn)定劑,記為A溶液;取1.5 mol的無水乙醇、4 mol的去離子水和0.08 mol的催化劑冰醋酸均勻混合,記為B溶液;將B溶液緩慢滴入A溶液中,攪拌1 h使混合液均勻,密封保存一定時(shí)間得到穩(wěn)定的納米TiO2溶膠[17]。

2) 在室溫下,將1 mol的無水乙醇與0.1 mol的正硅酸乙酯充分混合配制成C溶液;再將1.5 mol的去離子水與0.06 mol的氨水充分混合配制成D溶液。在一定溫度下劇烈攪拌D溶液，并將其緩慢滴加到C溶液中,滴加完后繼續(xù)攪拌一定時(shí)間,使正硅酸乙酯充分水解。最后密封保存在廣口瓶中,一段時(shí)間后得到穩(wěn)定的納米SiO2溶膠[18]。

3) 在室溫下,將制備好的納米TiO2溶膠和納米SiO2溶膠按2∶1的體積比緩慢加入三口燒瓶中,在加入的過程中使用恒溫磁力攪拌器進(jìn)行攪拌,待兩者滴加完全后,使用恒溫磁力攪拌器繼續(xù)攪拌2 h。為了確保納米TiO2溶膠和納米SiO2溶膠充分混合,再將三口燒瓶移至超聲波清洗器中進(jìn)行超聲分散處理,處理時(shí)間為1 h,最終得到納米TiO2/SiO2復(fù)合溶膠。

1.2.2 純棉針織物納米抗紫外整理工藝 首先對(duì)經(jīng)過前處理的純棉針織物進(jìn)行稱重,采用1∶20的浴比分別量取一定的納米TiO2溶膠、納米SiO2溶膠和納米TiO2/SiO2復(fù)合溶膠放入燒杯中,并將織物分別浸入整理液中。將燒杯放入電熱恒溫水浴鍋中升溫至40 ℃,保溫30 min;隨后將織物取出,使用小軋車對(duì)織物進(jìn)行壓軋,使整理劑充分進(jìn)入纖維,同時(shí)去除織物表面多余的整理劑。最后將整理后的織物分別放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在80 ℃下預(yù)烘20 min,120 ℃下焙烘5 min取出。

2 性能測(cè)試

2.1 紫外光透過率

參照GB/T 17032—1997《紡織品織物紫外線透過率的試驗(yàn)方法》,采用CARY50型紫外可見分光光度計(jì)對(duì)織物整理前后的紫外光透過率進(jìn)行測(cè)試。

2.2 耐久性

根據(jù)JIS洗滌方法[19]對(duì)整理后的“納米抗紫外純棉針織物”進(jìn)行0、10、20和30次洗滌,測(cè)試整理后織物的抗紫外線耐久性。

2.3 織物白度

參照GB/T 8424.2—2001《紡織品 色牢度試驗(yàn) 相對(duì)白度的儀器評(píng)定方法》,分別剪取規(guī)格為5 cm×5 cm的原樣和整理樣各5塊,采用思維士電腦測(cè)色配色系統(tǒng)V2000對(duì)織物整理前后D65光源10°視角下的CIE白度進(jìn)行測(cè)試。將未經(jīng)過水洗的原樣、整理樣和經(jīng)過1次水洗的整理樣折疊成4層放在透孔處進(jìn)行5次測(cè)量,取平均值。

2.4 織物頂破強(qiáng)度

參照GB/T 19976—2005《紡織品頂破強(qiáng)力的測(cè)定-鋼球法》,分別剪取直徑為60 mm的原樣、整理樣圓形試樣各5塊,采用YG(B)026D-500型電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)織物整理前后的頂破強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。每種試樣分別測(cè)試5次,取平均值。

2.5 織物吸濕性

參照GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第1部分:單項(xiàng)組合實(shí)驗(yàn)法》和FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》,采用YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀對(duì)織物整理前后的吸濕性進(jìn)行測(cè)試。分別剪取規(guī)格為5 cm×20 cm的原樣、整理樣經(jīng)向和緯向各5塊。將儀器先預(yù)熱30 min,溫度設(shè)定為27 ℃,水槽中加水2 500 mL。預(yù)熱過后,將水溫上升到27 ℃。將布條掛在架子上,調(diào)節(jié)垂直標(biāo)尺的0刻度線與水面平齊,開始計(jì)時(shí),30 min后,測(cè)出織物吸濕水位上升的高度。經(jīng)向和緯向各測(cè)試5次,取其平均值。

2.6 織物透氣性

參照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)試》,采用Y561織物透氣性測(cè)試儀對(duì)織物整理前后的透氣性進(jìn)行測(cè)試。分別剪取規(guī)格為20 cm×20 cm的原樣、整理樣各10塊,選擇8 mm的銳孔孔徑,設(shè)定相關(guān)參數(shù),在測(cè)試界面下初始化氣壓傳感器,壓緊試樣手柄,開始測(cè)試。達(dá)到設(shè)定壓差時(shí),儀器自動(dòng)換算出測(cè)試結(jié)果并停止測(cè)試。原樣和整理樣各測(cè)試10次,取其平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 透過率

采用CARY50型紫外可見分光光度計(jì)對(duì)原樣、納米SiO2溶膠整理樣、納米TiO2溶膠整理樣、納米復(fù)合溶膠整理樣進(jìn)行紫外光透過率測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出:在3個(gè)整理樣中,使用納米SiO2溶膠整理的布樣,其紫外光透過率較高;使用納米TiO2溶膠整理的布樣,其紫外光透過率次之;使用納米復(fù)合溶膠整理的布樣,其紫外光透過率最低。相對(duì)于純棉針織物原樣而言,經(jīng)過這3種納米溶膠整理的織物都具有較好的抗紫外性能。這主要是因?yàn)榧{米溶膠充分浸入到織物的纖維間,填補(bǔ)了纖維和紗線間的空隙,隨著溶劑受熱揮發(fā)會(huì)在織物表面形成致密且連續(xù)性的薄膜[20]；同時(shí)納米SiO2具有極強(qiáng)的紫外光反射與吸收特點(diǎn)[21],納米TiO2具有較高的紫外線屏蔽能力[22],而納米復(fù)合溶膠綜合了兩者的抗紫外特性,在UVB范圍內(nèi)紫外光平均透過率為0.28%,在UVA范圍內(nèi)為0.78%,顯示出優(yōu)異的抗紫外能力。

3.2 耐久性

將經(jīng)過納米復(fù)合溶膠整理的純棉針織物水洗0、10、20、30次,和原樣進(jìn)行紫外光透過率對(duì)比,其測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出:織物洗滌10、20、30次,其在UVB范圍內(nèi)的紫外光透過率稍有上升，但是變化不大。與整理樣水洗0次相比,差率最高為4.87%。說明納米溶膠在純棉針織物上具有穩(wěn)定的牢度。在UVA范圍內(nèi),隨著洗滌次數(shù)的增加,紫外光透過率呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì),特別是在340 nm之后,透過率與洗滌次數(shù)呈正相關(guān)性。紫外光透過率出現(xiàn)升高的原因是經(jīng)過水洗,納米溶膠在織物表面形成的致密薄膜有所損傷,纖維與紗線間隙增大,使得部分紫外光透過。參照GB/T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評(píng)定》可知,總體紫外光透過率較低,經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理的織物在水洗30次后仍具有優(yōu)良的抗紫外性能。

3.3 織物白度

經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理前后織物白度值變化如表1所示。

表 1 整理前后織物白度測(cè)試Tab.1 Fabric whiteness test before and after finishing %

從表1可以看出:經(jīng)過抗紫外整理后,織物的白度有所下降。整理樣未水洗時(shí),白度下降約6.6%;經(jīng)過1次水洗后白度有所提高,但仍較原樣下降約5.2%。這主要是因?yàn)槭褂眉{米復(fù)合溶膠對(duì)純棉針織物進(jìn)行抗紫外整理時(shí),加熱及高溫烘焙均會(huì)使純棉針織物產(chǎn)生泛黃現(xiàn)象,但納米TiO2溶膠本身具有增白的作用[23],且水洗在一定程度上減少了純棉針織物表面復(fù)合溶膠的含量及少量黃漬,最終使得TiO2/SiO2復(fù)合溶膠整理的織物白度下降較少?？偠灾?織物的白度變化不明顯,對(duì)織物的感官視覺效果影響較小。

3.4 織物頂破強(qiáng)度

經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理前后織物頂破強(qiáng)度變化如表2所示。

表 2 整理前后織物頂破性測(cè)試Tab.2 Testing of fabric breakage before and after finishing

從表2可以看出：織物整理前后的斷裂強(qiáng)力出現(xiàn)小幅度的下降。原樣斷裂強(qiáng)力平均值為228.2 N,整理樣斷裂強(qiáng)力平均值為220.2 N,下降了3.51%;平均伸長(zhǎng)率降低1.0%;平均斷裂功下降0.162 8 N·m。這是因?yàn)榻?jīng)納米復(fù)合溶膠整理后的織物經(jīng)歷焙烘時(shí),高溫處理會(huì)破壞纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[24],從而使纖維強(qiáng)力受到了一定程度的損傷。但由于焙烘時(shí)間短,影響不大,強(qiáng)力值稍有下降,可忽略對(duì)織物服用性能的影響。

3.5 織物吸濕性

經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理前后織物吸濕性變化如表3所示。

表 3 整理前后織物吸濕性測(cè)試Tab.3 Moisture absorption test before and after finishing

從表3可以看出:無論是經(jīng)向還是緯向,整理前后織物吸濕性均呈下降趨勢(shì),平均下降約8%,對(duì)織物的服用性能會(huì)造成一定程度的影響,但相對(duì)較小?？椢镂鼭裥韵陆档脑蚴墙?jīng)過納米復(fù)合溶膠整理后,整理劑浸入纖維間隙,并在棉纖維表面形成了一層干凝膠膜,這層干凝膠膜在一定程度上影響了棉纖維大分子上的羥基與環(huán)境中水分的直接接觸[25-26],且這層干凝膠膜填補(bǔ)了纖維表面的凹槽,使纖維表面毛刺減少。

3.6 織物透氣性

經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理前后織物透氣性變化如表4所示。

表 4 整理前后織物透氣性測(cè)試Tab.4 Air permeability test of fabric before and after finishing 單位：L·(m2·s)-1

從表4可以看出:原樣的透氣性為505.5 L·(m2·s)-1,整理樣透氣性為492.3 L·(m2·s)-1。整理前后織物透氣量稍有下降,平均下降約2.6%,變化不大。這主要是因?yàn)榻?jīng)納米復(fù)合溶膠整理后的織物表面形成了一層干凝膠膜,部分納米復(fù)合溶膠填充了織物中微小的空隙,限制了氣流的通過,使得整理后織物的透氣量略有下降[27]。

4 結(jié) 論

1) 經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理后的純棉針織物具有更好的抗紫外效果,在UVB范圍內(nèi)紫外光平均透過率為0.28%,在UVA范圍內(nèi)為0.78%,且水洗30次后,抗紫外性能依然良好。

2) 經(jīng)納米復(fù)合溶膠整理后,純棉針織物的白度、斷裂強(qiáng)力、平均伸長(zhǎng)率、平均斷裂功均有下降;織物吸濕性、織物透氣量也稍有下降，但對(duì)織物的服用性能影響較小,基本上保持了織物原有的風(fēng)格和性能。