纳米ZnO整理对蚕丝织物抗紫外线性能的影响

刘 慧， 徐英莲

(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018)

纳米ZnO整理对蚕丝织物抗紫外线性能的影响

刘 慧， 徐英莲

(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018)

为提高蚕丝织物防紫外线性能，采用钛酸酯偶联剂制备纳米ZnO水溶胶，对织物进行防紫外线整理。使用Lambda900紫外分光光度计，测试波长280～400 nm范围的紫外线透过率，以织物的紫外线透过率和UPF值作为其防紫外线性能的评价指标，采用正交试验设计方法，探讨纳米ZnO整理蚕丝织物的最优整理工艺。试验结果表明：纳米ZnO质量浓度对整理后织物的UPF值影响最大，其次是偶联剂质量浓度、超声振荡时间。优化工艺条件为：纳米ZnO质量浓度18 g/L、偶联剂质量浓度12 g/L、超声分散时间20 min。整理前后织物的平均紫外线透过率由27.09%降低到2.46%，UPF值从2.624增加到35.428；纳米ZnO整理织物具有较优的抗紫外线持久性。

纳米ZnO； 钛酸酯偶联剂； 蚕丝织物； 紫外线透过率

蚕丝纤维是一种天然蛋白质纤维，耐光性较差。近年来，由于环境污染导致臭氧层破坏，紫外线危害日趋严重。在此环境下，对蚕丝织物进行防紫外线整理十分必要[1-2]。

无机类的纳米ZnO作为织物后整理材料，其效能已得到证明：Ashrafi等[3]在丝纤维表面进行纳米ZnO的涂层，表明纳米ZnO在吸收和分散紫外辐射方面比普通尺寸的更有效。Vigneshwaran等[4]通过轧烘焙工艺将纳米ZnO附着于棉织物表面，使得棉织物在350 nm的透射率从80%降至20%。表明纳米ZnO具有量子限域特性、小尺寸效应、表面效应等特殊性能，对特定波长的光吸收带有蓝移现象，对各种波长光的吸收带有宽化现象[5-6]。因此，纳米ZnO在较宽的紫外范围内有较强的屏蔽作用。

从生态环境、人体安全和高效、耐持久等方面切入，探讨蚕丝织物的后整理材料和方法。本文利用钛酸酯偶联剂制备纳米ZnO水溶胶，使纳米ZnO能够更好得与蚕丝结合，改善蚕丝织物的防紫外线性能，增加其耐洗牢度。采用正交试验法，研究纳米ZnO质量浓度、偶联剂质量浓度、超声分散时间对蚕丝织物整理效果的影响，对测试结果使用直接分析法和方差分析法得出优化工艺条件。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

织物：电力纺蚕丝织物，面密度为64 g/m2。

试剂：平平加O(实验用)、水溶性纳米ZnO(绍兴光催化公司，20 nm，99.5%)、钛酸酯偶联剂201(AR)(南京道宁化工有限公司)。

仪器：EL-300A型电子天平，HH-S型恒温水浴锅，DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，KQ-400KDB型数控超声波清洗器，101-3型不锈钢数显电热鼓风干燥箱，Lambda 900紫外分光光度计。

1.2 试验方法

纳米颗粒由于其表面的不饱和悬键易吸附H原子而发生团聚，所具备的特性也将随之减弱。因此，在使用前应确保纳米颗粒分散均匀。另外纳米粒子与纤维的结合力较差，整理效果的耐洗性较差[7-8]。针对这2个问题，本文利用钛酸酯偶联剂制备纳米ZnO水溶胶。

1.2.1 蚕丝织物前处理

将蚕丝织物裁成6 cm×6 cm大小，称取质量，按1∶30的浴比浸入平平加O溶液(质量分数为1%)中，于30 ℃浸渍15 min，取出晾干作为原样。

1.2.2 纳米ZnO水溶胶的配制

配制一定质量浓度的纳米ZnO水溶液，高速搅拌15 min后超声波分散一段时间，再加入一定质量浓度的钛酸酯偶联剂，超声波分散一段时间，得到纳米ZnO水溶胶，具体工艺参数如表1所示。

1.2.3 蚕丝织物整理

水浴锅加热至40 ℃，放入纳米ZnO水溶胶和处理过的织物，浴比为1∶30，每隔5 min用玻璃棒翻动织物，使得浸渍均匀，50 min后取出试样，浸渍、烘干，烘干温度为80 ℃，时间为3 min，再将试样放到浴比为1∶30的去离子水中搅拌3 min，将清洗后的试样室温晾干。

表1 正交试验计划表

1.3 性能测试

1.3.1 防紫外线性能测试

按照GB/T 18830—2009《纺织品 防紫外线性能的评定》，使用Lambda900紫外分光光度计，测试波长在280～400 nm范围的紫外线透过率。根据下式计算紫外线防护系数UPF值。

式中：Eλ为相对红斑的紫外线光谱效能；Sλ为太阳光谱辐射能；Tλ为波长为λ时试样的紫外线透过率。因为在UV-A波段Eλ值很小，UV-B波段Eλ非常高，因此UPF主要反映UV-B防护等级。本文计算的是波长280～320 nm的UPF值。

紫外线透过率越小，UPF值越大，紫外防护效果越好。

1.3.2 耐久性能测试

为了分析织物抗紫外线的持久性，对整理后的织物分别进行5、10、20次洗涤。参照FZ/T 73023—2006《抗菌针织品》附录C的简化洗涤条件及程序，具体洗涤方法是：采用质量浓度为2 g/L的标准合成洗涤剂，浴比为1∶30，水温为(40±3)℃，加入试样洗5 min，然后用自来水清洗2 min，计为洗涤1次[9-10]。

2 结果与讨论

2.1 纳米ZnO整理蚕丝织物较优工艺分析

2.1.1 紫外线透过率

图1示出9种不同工艺条件下试样的紫外线透过率。由图可知，与蚕丝织物原样比较，经过纳米ZnO整理，紫外线透过率明显降低，但整理工艺参数对织物的抗紫外线效果有较大的影响。

由图1可知，蚕丝织物对不同波长的紫外光透射效果不同：波长在280～300 nm时，紫外线透过率较低，之后突然升高，稳定在较高水平。这主要是由于波长为279～292 nm时，刚好与蚕丝蛋白质中酪氨酸和色氨酸的吸收特征相接近，它们会与紫外线发生光化反应，吸收紫外线，减少紫外线对人体皮肤的伤害，但这也会使蚕丝蛋白质分子主链的肽键断裂，分子链裂解，蚕丝泛黄变色，影响织物的性能。也就是说在279～292 nm时蚕丝织物是牺牲自身来达到防紫外线效果的。当波长越来越高时，它自身不再具有防紫外线功能，紫外线透过率升高。

由图1还可知，经纳米ZnO整理织物的紫外光透射效果为：整理后试样的紫外线透过率都有所降低，尤其波长在300～380 nm之间变化最为明显。这是因为在此范围内，蚕丝本身不再具有良好的防紫外线功能，原样的紫外线透过率变得很高。而试样经过整理后，表面会吸附纳米ZnO，当ZnO颗粒粒径小于100 nm时，其禁带宽度约增加到4.5 eV，可以很好地吸收280～350 nm波长的紫外线[5]，阻隔紫外线的透射，从而起到紫外防护作用。

2.1.2 UPF值

根据测得的紫外线透过率，计算这9种不同工艺条件下试样的UPF值，结果如表2所示。原样的UPF为2.624，经过纳米ZnO整理后织物的UPF值增大，紫外防护性能提高。为了探讨各因素对整理后UPF值影响的大小，对数据进行直观分析和方差分析[11]。

2.1.2.1 直观分析 通过比较相应的T值得出各因子3个水平间的差异，指标值越大越好。从表2

表2 UPF值及直观分析计算表

可看出，使整理后的UPF值达到最大的水平组合是A3B2C3，即纳米ZnO质量浓度为18 g/L，偶联剂质量浓度为12 g/L，超声分散时间为20 min时可以使UPF达到最大，紫外防护性能最佳。

随着纳米ZnO质量浓度提高，织物表面吸附的ZnO颗粒增多，纳米ZnO紫外线阻隔效果明显。但当ZnO质量浓度达到一定程度后，吸附值趋于稳定，这说明纤维表面单位面积上纳米粒子的数量达到饱和。此时容易产生纳米ZnO颗粒团聚，织物表面出现一些白斑，纳米ZnO的抗紫外线性能不再提高，而且织物的手感等服用性能会受影响，因此，必须选择合适的纳米ZnO质量浓度。

钛酸酯偶联剂的官能团—OR能够与纳米ZnO表面的吸附水发生偶联形成较强的氢键，在纳米ZnO的表面形成紧密的有机单分子层，使纳米ZnO表面得到改性，达到良好的分散效果。另外由于羟基基团能改善纳米粒子与纤维间的相容性，产生共价键，提高二者间的结合牢度[8]。因此，需要适量选择对纳米颗粒有很好分散作用的偶联剂，偶联剂的质量浓度过高，会使体系的稳定性变差。

由于超声分散是利用超声空化产生的高温高压等来削减纳米颗粒间的作用力，防止纳米粒子团聚，达到良好的分散效果[12]。经超声波作用，在开始时随着时间的延长沉淀量的减少比较明显，但如果时间过长，体系破乳，沉淀量会慢慢增多，不利于ZnO的分散稳定[12]。

2.1.2.2 方差分析 表3示出UPF方差分析表。由表可知，因子A(纳米ZnO质量浓度)对结果影响最大，其次是B(偶联剂质量浓度)和C(超声分散时间)。对于显著因子A应该选择其最好的水平，因为其水平变化会造成指标的显著不同[11]。而对于因子B和C，可以根据降低成本、操作方便来选择较低水平，即纳米ZnO质量浓度取18 g/L，偶联剂质量浓度和超声分散时间视具体需要而定。

表3 方差分析表

注：F0.99(2,2)=99，F0.95(2,2)=19.0，F0.90(2,2)=9.0。显著性表示：F≥F0.99(2,2)，特别显著；F0.99(2,2)>F≥F0.95(2,2)，显著；F0.95(2,2)>F≥F0.90(2,2)，较显著；F0.90(2,2)>F，不显著。

综上所述，纳米ZnO整理蚕丝织物的优化工艺条件为：纳米ZnO质量浓度18 g/L，偶联剂质量浓度12 g/L，超声分散时间20 min。在上述优化工艺条件下，整理前后织物的紫外线透过率由27.09%降低到2.46%，UPF值从2.624增加到35.428。

2.2 抗紫外线耐久性能分析

将原样、未经洗涤的试样和经过不同洗涤次数的试样分别放入紫外分光光度计中，测试波长在280～320 nm范围的紫外线透过率，结果如图2所示。

由图2可知：洗涤后的整理织物在280～320 nm波长范围内能保持稳定的抗紫外线性能；随着洗涤次数的增加，织物的紫外线透过率有提高的趋势。在280～320 nm波长范围内，原样的紫外线透过率为27.09%，未经过洗涤的试样为2.46%，经过5次洗涤后为4.68%，10次洗涤后为7.86%，20次洗涤后为9.64%。洗涤后试样紫外线透过率逐渐提高，但明显低于原样。这是因为在偶联剂作用下纳米ZnO与蚕丝纤维间产生了共价键，连接牢度提高。但随着洗涤次数的增加，织物表面的部分纳米颗粒脱落，导致防紫外线性能降低，因此，以后的试验中可以在整理液中加入适于蚕丝织物的黏合剂，加强其固着牢度，提高耐洗性能。

3 结 论

1)蚕丝织物经过纳米ZnO整理后，其紫外线透过率普遍降低，并且在波长300～380 nm范围内能够稳定处于较低的水平，但整理工艺参数对织物的抗紫外线效果有较大的影响。

2)对UPF值进行直观分析和方差分析得到纳米ZnO整理蚕丝织物的优化工艺：纳米ZnO质量浓度为18 g/L，偶联剂质量浓度为12 g/L，超声分散时间为20 min。在此工艺条件下，织物的紫外线透过率由整理前的27.09%降到2.46%，UPF从整理前的2.624增加到35.428。

3)对织物进行耐久性能测试发现，洗涤后的试样能够保持稳定的抗紫外线性能，即纳米ZnO整理后的织物具有较优的抗紫外线持久性。

FZXB

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Influence of nano-ZnO finishing on anti-UV properties of silk fabrics

LIU Hui, XU Yinglian

(KeyLaboratoryforAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Nano-ZnO was modified by titanate coupling agent and then used in anti-UV finishing for improving the anti-UV properties of silk fabrics. Then Lambda 900 UV spectrophotometer was used to measure the UV transmittances in the wavelength range from 280 nm to 400 nm， and the UV transmittances and UPF values of the finished fabrics were used to evaluate UV resistance. Moreover orthogonal experiments were designed to determine the optimum process. The results showed that the optimum finishing conditions were as followed: nano-ZnO concentration has remarkable effect on the UPF value, followed by coupling agent concentration and ultrasonic treatment time; and the optimal parameters for anti-UV finishing is nano-ZnO concentration 18 g/L, coupling agent concentration 12 g/L, and ultrasonic treatment time 20 min. The average UV transmittance reduced from 27.09% to 2.46%, the UPF value increased from 2.624 to 35.428, and the treated silk fabric had good laundering durability.

nano-ZnO; titanate coupling agent; silk fabric; UV transmittance

10.13475/j.fzxb.20150800205

2015-08-03

2016-02-15

刘慧(1992—)，女，硕士生。研究方向为现代纺织技术及新产品研究。徐英连，通信作者，E-mail: xy16000@126.com。

TS 131.9

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