基于簇状氧化锌的抗紫外蚕丝织物整理
2015-05-09刘祖兰李兰倩刘一萍
刘祖兰, 李兰倩, 谭 炼, 刘一萍, 卢 明
(西南大学 纺织服装学院, 重庆 400716)
基于簇状氧化锌的抗紫外蚕丝织物整理
刘祖兰, 李兰倩, 谭 炼, 刘一萍, 卢 明
(西南大学 纺织服装学院, 重庆 400716)
为了赋予蚕丝织物抗紫外性能,采用层层组装技术在蚕丝织物表面构筑簇状氧化锌粒子。采用扫描电镜(SEM)、动态光散射(DLS)表征了簇状氧化锌粒子的表面形态和粒径,测试了蚕丝织物抗紫外效果、透气性等性能。结果表明:采用水热合成法制备的氧化锌粒子呈团簇状,经十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性后氧化锌粒子的粒径为215.9 nm,分散性得到明显提高;整理后的蚕丝织物表面出现簇状氧化锌结构,抗紫外效果随组装层数的增加而增加;同时,层层组装后织物的透气性并未产生明显变化,并具有较好的耐水洗性和耐光性。
层层组装; 簇状氧化锌粒子; 蚕丝织物; 抗紫外性
随着生活水平的提高,人们对纺织品的功能性要求越来越高,研发具有抗紫外功能的蚕丝织物成为一大研究热点。
纺织品常用的抗紫外辐射物质可以分为有机紫外线吸收剂、无机紫外线屏蔽剂[1]和纳米抗紫外线整理剂。有机紫外吸收剂光稳定性较差,易产生色变,使用寿命短,会刺激皮肤。无机紫外线屏蔽剂的主要作用机制是反射或散射紫外线。而氧化锌、二氧化钛[2]等纳米级微粒对UVB全波段具有较强的屏蔽性,而且光稳定性好[3]。氧化锌是六角纤锌矿结构的半导体材料,在室温下禁带宽度为3.37 eV,屏蔽紫外线的波段范围大,折光率小,漫射光率低,透明度高,廉价、无毒,是理想的紫外线屏蔽剂[4]。
赋予织物抗紫外性能的方式主要有纤维功能化和后整理,其中后整理方式包括吸尽法、涂层法、浸轧法和微胶囊加工技术[5]。吸尽法和浸轧法存在整理剂与织物结合牢度较差的问题,涂层法破坏织物手感,微胶囊技术目前尚不成熟。
层层组装(layer-by-layer assembly)是基于物质间的弱力,交替沉积物质来制备复合膜的膜构筑方法[6]。层层组装的概念最早于1966年由杜邦公司应用科学家Iler提出,但并没有引起人们的重视。直到1991年,Decher等[7]采用层层组装的方法制备功能性聚电解质和有机小分子超薄膜,现代层层组装的工作才开启。这一技术有助于实现精细控制膜的组成和结构,适用于大面积、非平面基底上膜的沉积,能保证结合牢度和织物手感。本文采用层层组装的方式将簇状氧化锌粒子整理到蚕丝织物表面,研究组装后蚕丝织物的抗紫外效果、透气性等性能,探讨层层组装技术用于无机氧化物粒子对纺织品抗紫外整理的可行性。
1 实 验
1.1 材料及仪器
织物:桑蚕丝织物,市售(经密53根/cm,纬密53根/cm,平方米质量69 g/m2)。
试剂:硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)、氢氧化钠(NaOH)、硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、六次亚甲基四胺(C6H12N4)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),均为分析纯(成都市科龙化工试剂厂),聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA,工业级,张家港凯宝来环保科技有限公司)。
仪器:KQ2200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司),电热恒温鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂),SHB-D循环水式抽空泵(巩义市予华仪器有限责任公司),YG(B)461D-Ⅱ型数字式织物透气量仪(温州大荣纺织仪器有限公司),IS19-1型积分球(北京普析通用仪器有限公司),ALPHA德国布鲁克傅里叶红外光谱仪(天津布兰顿科技有限公司),Nano-S90纳米粒度仪(马尔文仪器有限公司)。
1.2 整理液制备
1.2.1 制备簇状氧化锌粒子
配制硝酸锌与六次亚甲基四胺混合溶液,摩尔比为1︰1,超声处理10 min,在90 ℃下加热搅拌3 h,过滤,70 ℃烘干,所得白色粉末即为簇状氧化锌粒子[8-9]。
1.2.2 簇状氧化锌粒子改性
用簇状氧化锌粒子配制2 g/L的分散液,超声处理10 min,加入浓度为0.05%的CTAB[10],再超声处理20 min以提高簇状氧化锌粒子的分散性。改性后的簇状氧化锌粒子Zeta电位为+39.45 mV。
1.2.3 组装液的配制
配制质量分数为0.2%的PDDA溶液备用;配制质量浓度为42.63 g/L的Na2SiO3溶液[7],调节pH值至11.4,备用。
1.3 织物表面构筑簇状氧化锌
用热水清洗蚕丝织物以除去表面杂质,自然晾干。
蚕丝织物首先组装两层PDDA/Na2SiO3(即交替循环浸轧PDDA,Na2SiO3为一层,再循环一次为两层),再浸轧改性ZnO粒子分散液,最后组装两层Na2SiO3/PDDA,烘干,为组装了一层簇状ZnO。组装n层簇状ZnO即重复上述过程n次。
1.4 测试与表征
1.4.1 紫外线防护性能测试
采用IS19-1积分球测试织物的透射率,根据透射率评价织物抗紫外线辐射的防护效果。计算公式[11]如下:
式中:T(UVA)为UVA波段的紫外线透过率,%;T(UVB)为UVB波段的紫外线透过率,%;Tλ为波长为λ时的紫外线透过率,%;Δλ为紫外线光波长度间距,nm。
1.4.2 织物透气性测试
采用YG(B)461D-Ⅱ型数字式织物透气量仪测试织物的透气性。
1.4.3 织物紫外线防护性的耐洗性测试
根据GB/T 15552―2007《丝织物试验方法和检验规则》,测试织物抗紫外效果耐洗性。
2 结果与讨论
2.1 微观结构表征
从图1可以看出,制备的ZnO粒子呈簇状。图2是改性前后ZnO粒子的粒径分布。改性前的ZnO平均粒径为535.1 nm,改性后的ZnO平均粒径降低到215.9 nm。与改性前相比,粒径明显减小,在水溶液中的分散性得到提高。
图1 簇状ZnO粒子结构SEM图Fig.1 SEM images of tufted ZnO particles
图2 簇状ZnO粒子的粒径分布Fig.2 Size distribution of tufted ZnO particles
图3是蚕丝织物层层组装ZnO后的SEM照片。从图3可以看出,ZnO粒子呈团簇状吸附组装到蚕丝纤维表面。
图3 ZnO组装蚕丝织物表面SEM图Fig.3 SEM images of silk fabric assembled with ZnO
图4是层层组装前后的蚕丝织物红外谱图。图4中蚕丝织物在1 650.0 cm-1和1 518.7 cm-1处有吸收峰,分别对应酰胺I的无规构象峰和酰胺II的β折叠构象峰[12]。而处理后的蚕丝织物在483 cm-1处出现了一个新的吸收峰,该峰为ZnO的特征峰谱带。说明簇状ZnO粒子已经通过层层吸附的方式组装到蚕丝织物上。
图4 层层组装前后的蚕丝织物红外谱图Fig.4 FT-IR spectrograms of silk fabrics before and after layer-by-layer assembly
2.2 组装层数对蚕丝织物抗紫外性能影响
用1.3所述的方法对蚕丝织物进行处理,对不同层数ZnO组装处理后的织物进行抗紫外性能测试。
图5是不同ZnO粒子层数处理织物的紫外光透过率。从图5可以看出,经过ZnO粒子层层组装处理后,蚕丝织物的抗紫外效果明显增加,并且抗紫外效果随着ZnO组装层数增加逐渐提高。
图5 不同ZnO粒子层数处理织物的紫外光透过率Fig.5 The ultraviolet light transmittance of silk fabrics treated with different layers of ZnO particles
由表1中蚕丝织物抗紫外性能测试数据看出,组装1层簇状ZnO的蚕丝织物与未经任何处理的蚕丝织物相比其UVB、UVA透过率分别降低了62.07%、47.59%。组装簇状ZnO超过7层后,织物抗紫外性能增加不明显,因而之后的实验均以组装7层簇状ZnO的织物(LBL布)为研究对象。
表1 ZnO粒子层数对蚕丝织物紫外防护性能的影响
2.3 对织物透气性的影响
采用织物透气量仪测试组装簇状ZnO粒子前后蚕丝织物的透气性,结果显示,经过簇状ZnO层层组装的蚕丝织物透气性仅比未处理织物降低5%,对织物透气性影响较小。从图6看出,织物经过层层组装簇状ZnO后,织物孔隙几乎没有被堵塞,因而蚕丝织物透气性不会发生明显变化。
图6 处理织物光学显微镜观察照片Fig.6 Optical microscope photograph of the fabric
2.4 紫外光照射对织物抗紫外性能的影响
图7是紫外光照射不同时间对织物的紫外光透过率的影响。从图7可以看出,经过48 h紫外光照射后的织物紫外光透过率明显低于经过24 h紫外光照射的织物。随着照射时间的延长,织物紫外光透过率逐渐下降,织物抗紫外线效果增加。
图7 紫外光照射对蚕丝织物紫外光透过率的影响Fig.7 Effect of UV-irradiation on ultraviolet light transmittance of silk fabrics
2.5 层层组装蚕丝织物的耐洗性
图8是水洗次数对织物紫外光透过率的影响。
图8 水洗次数对织物紫外光透过率的影响Fig.8 Effect of washing times on ultraviolet light transmittance of silk fabrics
从图8可以看出,经过水洗后,织物紫外线透过率提高。随着水洗次数增加,织物抗紫外效果先降低后增加。原因是随着水洗次数增加,散着于织物上的簇状ZnO粒子脱落,而经过层层吸附方式组装到织物上的簇状ZnO粒子则由于聚电解质多次脱水压缩而更为紧密。经过20次水洗后,织物对UVB的透过率为7.47%,对UVA的透过率为14.03%,说明经层层组装处理的织物具有耐久性。
3 结 论
1)经过簇状ZnO层层组装改性后的蚕丝织物抗紫外效果明显提高,透气性没有明显变化。
2)对层层组装后的蚕丝织物进行紫外光照射,发现经过8~48 h紫外光照射后,织物抗紫外效果有所增加。
3)多次水洗过程中,层层组装簇状ZnO的蚕丝织物对紫外线的防护性能先降低后增加。
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Preparation of Uvioresistant Silk Fabrics Based on Tufted Zinc Oxide
LIU Zulan, LI Lanqian, TAN Lian, LIU Yiping, LU Ming
(College of Textiles & Garments, Southwest University, Chongqing 400716, China)
The tufted ZnO particle was constructed on the surface of silk fabrics by layer-by-layer assembly in order to endow the silk fabric with uvioresistant performance. SEM and DLS were used to characterize surface morphology and particle size of tufted ZnO particles and test uvioresistant effect and air permeability of silk fabric. The results show that ZnO particles prepared by hydrothermal method present cluster shape; the particle size of ZnO particles modified by CTAB is 215.9 nm; the dispersity improves significantly; tufted ZnO structure appears on the surface of treated silk fabric; uvioresistant performance of silk fabric enhances with the rise in the layers; meanwhile, air permeability of silk fabric after layer-by-layer assembly has no significant change, and the silk fabric owns good washing fastness and light fastness.
layer-by-layer assembly; tufted ZnO particle; silk fabric; uvioresistant performance
2014-09-15;
2014-11-12
中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(XDJK2013B026);国家级大学生创新创业训练计划(201410635013);本科生科技创新基金项目(1316005)
刘祖兰(1991-),女,硕士研究生,研究方向为功能性纺织品研究。通信作者:卢明,副教授,lumingswu@gmail.com。
doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.03.005
TS195.5
A
1001-7003(2015)03-0021-05 引用页码: 031105