氧化锌纳米棒改性涤纶绸缎的超疏水与抑菌性能＊

齐高璨,张 焕,袁志好

(天津理工大学材料科学与工程学院纳米材料与技术研究中心,天津 300384)

应用技术

氧化锌纳米棒改性涤纶绸缎的超疏水与抑菌性能＊

齐高璨,张 焕,袁志好

(天津理工大学材料科学与工程学院纳米材料与技术研究中心,天津 300384)

采用温和的湿化学法在涤纶绸缎的表面生长一层取向排列的氧化锌纳米棒阵列。利用 X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜对产物进行结构分析和表面形貌观察,通过液滴形状分析系统及纸片法抑菌实验对其湿润性和抑菌性进行表征和测量。结果表明:经氧化锌纳米棒表面改性的涤纶绸缎与水的接触角达到 148°,展现出良好的超疏水性能;同时,经取向氧化锌纳米棒阵列改性后的涤纶绸缎对致病性大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌表现出了良好的抑制作用。该产品在服装和包装等行业有着诱人的应用前景。

ZnO纳米棒;表面改性;超疏水;抗菌

自从荷叶表面的多级微/纳米结构与其表面超疏水和自清洁性能的关系被发现以来[1],人造超疏水表面已经引起人们的广泛兴趣。人造超疏水表面通常通过构造粗糙表面和使用低表面能物质 (如有机蜡状物)改性的方法来获得[2]。然而目前已发展的超疏水化过程,要么制备条件苛刻、需要昂贵的原料,要么使用了对环境或皮肤有潜在危险的物质(如有机氟化物),这大大限制了这种超疏水技术的实际应用。近年来,c轴取向的氧化锌微 /纳米结构也被用于一些刚性基底 (例如:硅片、玻璃片)的超疏水改性。在这些研究中,由于 ZnO棒的尺寸太大不足以形成超疏水表面,因此使用低表面能物质——链烷酸,进一步表面改性是必要的。笔者报道一种基于在涤纶绸缎表面生长一层氧化锌纳米棒的超疏水改性方法,该方法工艺过程简单、成本低、环境友好,操作温度低于 90℃,特别适合纺织面料这些不耐热的材料。

1 实验

1.1 氧化锌纳米棒表面改性涤纶绸缎的制备与表征

商用涤纶绸缎——色丁布料 (100%涤纶),被选择作为实验的样品;ZnO纳米棒表面改性采用的是与文献[3]相近的溶液种子膜生长方法。首先将经过水和乙醇超声清洗的涤纶绸缎浸泡在温度约为60℃的氧化锌溶胶中[4],并提拉 3次使其表面形成ZnO纳米颗粒晶种层,然后再放入由 0.025 mol/L硝酸锌和 0.025 mol/L六次甲级四胺组成的水溶液中,在 90℃的水浴加热温度下反应 3 h[5](注:实际反应体系的温度应该比 90℃的水浴温度低),所得样品用去离子水清洗后,再放入 60℃干燥箱中真空干燥,获得超疏水改性后的样品。

采用日本电子的 JS M-6700F型场发射扫描电镜对样品表面形貌进行观察,利用日本理学公司生产的 D/MAXⅢ-C型 X射线衍射仪 [Cu靶,λ =0.154 18 nm,40 kV,150mA,扫描速度为4(°)/min]对样品进行物相分析 ,使用德国 Krüss公司生产的DSA100型液滴形状分析系统测量样品表面的水接触角。

1.2 抗菌实验

抗菌实验选用的是常见的两种致病菌:致病性大肠杆菌 (O78)和金黄色葡萄球菌[6],这两种菌种均是从中国兽药监查所菌种室购买。将培养后的菌液稀释并均匀地涂敷在普通营养琼脂平皿上,再将经灭菌处理后的涤纶绸缎剪成直径约为 6 mm的圆片,并分别放在平皿上,加盖置于 37℃温箱中培养24 h后,用游标卡尺测量抑菌圈直径。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌分析

图1给出了经氧化锌纳米棒改性后的涤纶绸缎的表面形貌。由图 1可见,在涤纶绸缎的纤维表面上均匀、密集地生长着一层 ZnO纳米棒,纳米棒直径约在 50～70 nm,涤纶绸缎的表面因纳米棒的存在而高低起伏,有较高的表面粗糙度。根据图 1 c中的插图可见,ZnO纳米棒的顶端为完整的六边形结构,表明顶端为 ZnO(001)晶体面,即为 [001]取向生长。图 2为相应的 X射线衍射图。图 2表明,所生长的 ZnO纳米棒为c轴取向的六方纤锌矿结构,这与扫描电镜分析所得出的结论一致。

图1 氧化锌纳米棒表面改性的涤纶绸缎的扫描电镜照片

图2 表面改性后样品的 XRD谱图

2.2 疏水性能

图3给出了改性前后涤纶绸缎与水接触角的测量结果。改性前样品的接触角约为 53.8°,表现为亲水性,而经 ZnO纳米棒阵列膜表面改性后样品的接触角却高达 147.8°,展现出优越的憎水性能。由此可见,通过上述环境友好的无机物 ZnO的直接改性 (无需有机蜡状物的进一步改性),就可以在亲水的涤纶绸缎表面形成一个类荷叶效应的超疏水表面,从而有可能进一步实现自清洁功能。

图3 水滴在涤纶绸缎样品上的形貌照片

2.3 抑菌性能测试

比较了改性前后涤纶绸缎对致病性大肠杆菌(O78)和金黄色葡萄球菌的抑菌性能,通过测量抑菌圈直径可以评价其抑菌效果。一般说来,抑菌圈直径越大,抑菌效果越好,抑菌圈直径大于 7 mm时为抗菌产品。改性前原料对两种试验的病原菌没有任何抑菌作用,而经过 ZnO纳米棒阵列膜表面改性的涤纶绸缎对致病性大肠杆菌 (O78)和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为 10 mm和 11 mm,均超过被认为是抗菌产品的抑菌圈直径,这表明改性后的涤纶绸缎不仅具有优越的憎水特性,同时还具有良好的抗菌功能,这是使用有机蜡状物超疏水改性难以达到的。

3 结论

通过在涤纶绸缎表面生长一层c轴取向的 ZnO纳米棒阵列膜,可以使其由亲水性向超疏水性转变,并使其拥有良好的抗菌功能,同时还有望具有自清洁功能。这种多功能布料在医用纺织产品、防水服饰、高档服装以及包装等领域有重要的应用价值。

[1] BarthlottW,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces[J].Planta,1997,202(1):1-8.

[2] 陈姚,于欣伟,钟智欣,等.新型疏水沉淀二氧化硅的制备[J].无机盐工业,2005,37(2):18-20.

[3] Feng Xinjian,Feng Lin,Jin Meihua,et al.Reversible super-hydrophobicity to super-hydrophilicity transition of alighed ZnO nanorod films[J].J.Am.Chem.Soc.,2004,126(1):62-63.

[4] Sakohara S,Tickanen L D,Anderson M A.Luminescence properties of thin zinc oxide membranes prepared by the sol-gel technique:change in visible luminescence during firing[J].J.Phys.Chem.,1992,96(26):11086-11091.

[5] Vayssieres L.Growth of arrayed nanorods and nanowires of ZnO from aqueous solutions[J].Adv.Mater.,2003,15(5):464-466.

[6] 郭广生,甄志超,俞行.无机纳米材料的改性及其在纺织工业中的应用[J].无机盐工业,2004,36(3):45-47.

Superhydrophobic and antibacter ial properties of modified terylene satin with zinc oxide nanorods

Qi Gaocan,Zhang Huan,Yuan Zhihao
(Nanom aterials&Nanotechnology Research Center,School of M aterials Science&Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300191,China)

Superhydrophobic terylene satin modified with aligned zinc oxide(ZnO)nanorodswas prepared by a tepidtemperature wet chemical route.Structure and morphology of productwere characterized by X-ray diffractometer and fieldemission scanning electron microscopy.Drop shape analysis system and paper-disk method was used to test its wetting and antibacterial properties.Results showed that the nanorod-modified terylene satin had a water contact angle of 148°,which showed a good hydrophobicity.Meanwhile,bacteriostatic test indicated that the modified terylene satin with aligned ZnO nanorods had a good inhibiting activity to pathogenic escherichia coli and staphylococcus aureus etc..Therefore,the product has an attractive application prospect in gar ment and packaging industries.

ZnO nanorods;surface modification;superhydrophobicity;antibacterial property

TQ132.41

A

1006-4990(2010)04-0058-02

教育部科学技术研究重点项目(207008);国家自然科学基金(20671070)。

2009-10-30

齐高璨 (1985— ),男,硕士研究生,研究方向为纳米材料制备化学,已发表论文 1篇。

联 系 人:袁志好

联系方式:qigaocan123@163.com