除甲醛功能窗帘的特性研究及开发

陈梦颖 陈慰来 沈建春 岑柳莎

摘 要：为了开发具有除甲醛效果的新型功能性窗帘，以涤纶网络丝和光触媒纱线作为原料，设计了4种不同组织结构的织物，采用超声浸轧、预烘和定形进行光催化后整理。采用X射线衍射仪、紫外-可见光分光光度计和电子扫描显微镜对光催化后整理的织物进行表征观察，并对其基本性能和除甲醛性能进行测试。结果表明：通过光催化整理能够使改性纳米TiO2负载到织物上并发挥可见光催化作用降解甲醛。其中8枚3飞纬缎结构的织物除甲醛效率最高，在可见光下16 h的除甲醛率就达到90%以上，水洗10次后仍具有除甲醛效果，其基本性能满足家纺装饰布的要求。

关键词：甲醛治理;可见光催化;光触媒纤维;超声波;功能性织物

Abstract：In order to develop a new functional curtain with the effect of removing formaldehyde， polyester interlaced yarn and photocatalyst yarn were used as raw materials to design 4 fabrics with different weave structures. The photocatalytic finishing was carried out by ultrasonic padding， prebaking and sizing. The fabrics finished by photocatalysis were characterized by X-ray diffractometer， ultraviolet-visible spectrophotometer and electronic scanning microscope， and their basic properties and formaldehyde removal performance were tested. The test results showed that the modified nano-TiO2 could be loaded onto the fabric by photocatalytic finishing and play a visible-light photocatalytic effect to degrade formaldehyde. Among them， 8/3 weft satin structure had the highest formaldehyde removal efficiency， and the formaldehyde removal rate was more than 90% under visible light for 16 h. After washing for 10 times， there was still formaldehyde removal effect， and the basic performance met the requirements of home textile decorative cloth.

Key words：formaldehyde treatment; visible-light photocatalytisis; photocatalyst fiber; ultrasonic wave; functional fabric

現代人约有3/5以上的时间在室内度过，室内空气质量的优劣直接关系到人体健康。甲醛作为主要的室内空气污染气体，会引起鼻咽癌、白血病等[1-2]。目前治理甲醛污染问题的方法主要有通风换气法、物理吸附法、生物净化法等[3]。光催化技术中以TiO2为代表的n型半导体光催化剂氧化降解甲醛的优点最为突出[4]，在常温下就能将吸附在TiO2表面的水和氧气还原或者氧化为氢氧自由基（·OH）和超氧阴离子（·O-2），与甲醛气体先反应生成中间体HOCOH，HOCOH生成最终产物为CO2和H2O[5-6]，成为治理室内空气污染的新技术。

近几年室内装饰布朝“适用、经济、绿色、美观”的方向发展，利用室内装饰物治理空气质量问题成为发展的新趋势。窗帘的比表面积大，易富集污染气体，且生产技术成熟，以其作为载体负载除甲醛剂，制成具有除甲醛功能的纺织品符合现今家纺装饰布的发展趋势。Shabani等[7]采用浸轧干燥法将Fe3O4/TiO2负载在棉织物上，此方法制备的多功能棉织物具有良好的光催化性能但其耐用性较欠缺。周存等[8]采用同质涂层法将氮掺杂TiO2粉末负载于聚酯（PET）织物上，提高了织物的耐洗性，但涂层法对织物的手感、透气性等具有较大影响。

采用功能性原料和后整理工艺相结合的方式制备性能优异的除甲醛功能窗帘。以光触媒纱线和涤纶网络丝作为原织物的原料，通过超声浸轧→预烘→定形的后整理方式将改性纳米TiO2负载到织物上，对窗帘织物的基本性能和除甲醛性能进行测试，并对织物的耐用性进行研究，为具有降解甲醛效果的绿色纺织品的开发提供建议。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

实验材料：16.7 tex光触媒纱线（浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司）、16.7 tex涤纶网络丝（绍兴左顺纺织品有限公司）、可见光催化整理剂（大阪钛技术有限公司）。

实验仪器：WP 6912型空气质量检测仪（深圳市天美意科技有限公司）;自制甲醛检测箱;JCY-2型接触角测量仪（上海方瑞仪器有限公司）;KQ5200DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）;P-A0立式电动小轧车（绍兴鸿靖纺织机械设备有限公司）;DGG-9240B型电热恒温鼓风干燥箱（上海森信实验仪器有限公司）;AR223CN型电子天平（奥豪斯仪器有限公司）;ARL XTRA型X射线衍射仪（瑞士Thermo ARL公司）;Lanbda 365型紫外-可见光分光光度计（美国PE公司）;JSM-5610LV型扫描电子显微镜（日本株式会社）;YG026H型多功能电子织物强力机（宁波纺织仪器厂）;YG541型织物折皱弹性仪（宁波纺织仪器厂）;YG461型电脑式透气性测量仪（宁波纺织仪器厂）。

1.2 实验方法

1.2.1 织物的制备

1.2.1.1 织物的织造

设计了两种窗帘织物，选用意大利K88剑杆织机进行织造，具体的窗帘织物试样的规格参数如表1所示。图1为织物试样的组织结构图。

1.2.1.2 织物预处理

首先将织物放入非离子洗涤剂中，在室温下洗涤20 min，去除织物表面的杂质，使用去离子水充分水洗干净，室温下晾干待用。

1.2.1.3 光催化整理

将预处理后的织物放入可见光触媒整理剂中，并在65 ℃下超声浸渍处理30 min。利用轧车对织物进行轧压（轧液率为75%～85%），将织物在85 ℃下预烘5 min。通过二浸二轧二预烘之后，在120 ℃下定形3 min，织物表面负载的改性纳米TiO2达到一定的负载量。同时按式（1）使用增重法测定改性纳米TiO2在試样织物表面的负载量（QT/（mg/g））。

1.2.2 甲醛去除率的测试

实验自主设计的甲醛测试装置如图2所示。该甲醛测试装置模拟室内居住环境，测试织物的除甲醛性能。测试装置用0.5 m×0.5 m×1 m的不透光亚克力板制成，在亚克力箱顶面有一个20 cm×20 cm的矩形孔和直径为1.5 cm的圆形孔。矩形孔用于放入样品和读取空气检测仪的数值，实验时用30cm×30 cm的透明亚克力盖板盖住并用凡士林密封。圆形孔为电线接入口，方便装置内设备的接入。

利用调温调湿装置将测试箱内的温度控制在25 ℃，相对湿度控制在50%。测试前使用空气质量检测仪对箱内空气质量进行检测，确保箱内空气清新。将等量劣质油漆作为甲醛气体释放源放入甲醛检测装置，打开搅拌风扇模拟室内空气微循环，放置30 min后记录下此时的甲醛测试装置内甲醛浓度C0。打开盖板，放入30 cm×50 cm的样品，打开日光灯，记录甲醛检测仪上t小时的示数，记为Ct，连续测定24 h。按式（2）计算出织物的甲醛去除率。

1.2.3 测试方法

织物与水的接触角测试：对织物进行水接触角测试，水量为2 μL，当水滴与织物接触5 s后冻结图像，计算织物与水的接触角。

X射线衍射（XRD）分析：测试条件为λ=0.154 nm，扫描速度2°/min，扫描范围15°～80°，步宽0.20。

UV-Vis光谱分析：扫描范围400～800 nm，扫描间隔1 nm，分辨率1 nm。

拉伸强力测试：按GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分》测定。

透气性：按GB 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测定。

折皱回复性：在试样的平整处，用凸形印章印上经、纬试样各10块，正面对折与反面对折各半。将试样剪下后按要求放置织物折皱弹性仪上测试织物经、纬向的折皱回复角。

织物耐洗性测试：按GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》测定。

2 结果与讨论

2.1 光触媒纤维性能分析

光触媒纤维是一种含有TiO2的改性聚酯纤维，其结构如图3所示。光触媒纤维表面不平整，有深浅不一的沟槽，并且分布着TiO2。表面的TiO2在光照条件下可催化反应水分子和氧气分解产生高氧化性的氢氧自由基（·OH）和超氧阴离子（·O-2）。

普通的聚酯纤维只在大分子的两端各有一个羟基（-OH），不含有其他亲水基团，因此亲水性差。光触媒纤维含有TiO2，TiO2具有超亲水特性[9]，可以改善织物的亲水性。使用水接触角测量仪对1—4号试样进行水接触角测试，试样的测试结果一致，如图4所示，织物5 s后均能完全润湿，这说明光触媒纤维能改善织物的亲水性，提高织物的吸附能力，在后整理工艺中有助于织物负载整理剂。

2.2 XRD分析

TiO2晶型分为锐钛型、金红石型和板钛矿，锐钛型TiO2晶体的比表面积最大，光催化效果最好[10-11]。使用X射线衍射仪对可见光催化整理剂、光催化整理前织物和光催化整理后织物进行分析，其XRD谱图如图5所示。

根据图5显示，可见光催化整理剂的XRD谱线a在2θ为25.7°、37.4°、48.3°和55.1°附近出现明显的衍射特征峰，与锐钛型TiO2的[101]、[004]、[200]和[105]晶面的衍射特征吸收峰一致[12]。光催化整理前的织物由于光触媒纱线表面的TiO2较少，其特征峰被涤纶的特征峰所掩盖，因此织物的XRD谱线b只在2θ为17.8°、23.0°和25.9°附近出现涤纶的特征衍射峰。谱线c中出现了涤纶纤维及可见光催化整理剂的特征衍射峰，这意味着织物表面成功地负载上了改性纳米TiO2。

2.3 UV-Vis光谱分析

对光催化整理后的织物在可见光区域（波长400～800 nm）进行光谱分析。图6所示，织物经过光催化整理后在可见光区域具有光吸收能力。改性纳米TiO2的可见光吸收能力与其光催化活性有着直接关系，织物对可见光区域有吸收能力，则表示其能够利用可见光进行光催化。

2.4 SEM分析

采用扫描电子显微镜对光催化后整理前后的试样表面微观形貌进行观察，如图7所示。织物在光催化整理前纤维表面具有少量TiO2粒子。通过光催化整理后，织物表面负载大量改性纳米TiO2。通过超声浸轧后可见光催化整理剂中的改性纳米TiO2没有发生团聚，并负载在纤维表面，这是赋予织物良好光催化性能的关键所在。

2.5 除甲醛效果分析

按照1.2.1的方法制备除甲醛功能性窗帘织物，同时计算织物负载可见光整理剂的负载量（QT）。并将经过光催化整理前后的织物分别作为光催化载体在可见光条件下应用于甲醛的催化降解实验中，测定反应过程中甲醛气体的含量（Ct）。

2.5.1 光催化整理对窗帘织物除甲醛效果的影响

表2是甲醛检测装置放入样品前后的C0、C24和D24，由表2可知，经过光催化整理后织物的甲醛净化能力明显提高。分析其原因：可见光催化整理剂负载在织物表面，织物表面纳米TiO2增多，提高甲醛与纳米TiO2的接触概率，从而提升织物的甲醛净化能力。光催化整理前织物的除甲醛有略微的差别，其中8枚3飞纬缎织物的除甲醛率最高，是由于其纬组织点最多且组织结构较松散，利于光触媒纤维和甲醛接触，从而更快速地催化降解甲醛。

2.5.2 组织结构对窗帘织物除甲醛效果的影响

图8是光催化整理后不同组织结构织物的可见光整理剂负载量（QT）和反应过程中甲醛气体的含量（Ct）。根据式（2）计算出测定反应过程中织物甲醛去除率D8%、D16%、D24%的变化，结果如表3所示。

由图8（a）可知，3上1下斜纹织物和2上2下斜紋织物的负载量相对较小，5枚2飞纬面缎纹织物的负载量有所增加，8枚3飞纬面缎纹织物的负载量最大，可达到63.114 mg/g。在相同光催化后整理条件下，织物负载量受两方面的影响：一是织物的结构松紧程度。8枚3飞纬面缎纹的组织结构较疏松，在超声波条件下，改性纳米TiO2更容易进入到织物内部并负载在纤维表面;二是织物表面光触媒纤维的比例。8枚3飞纬面缎纹织物的纬组织点比另外3种组织结构织物的多，且其织物表面纬纱浮线比例也最高，因此织物表面具有更多的光触媒纤维，能够负载更多的改性纳米TiO2。

由图8（b）可知，在前12 h测试装置内甲醛质量浓度下降较快，织物去除甲醛速率较快，后12 h甲醛降解速率慢慢减缓，最终甲醛质量浓度稳定在0.011 mg/m3。3上1下斜纹织物和2上2下斜纹织物负载的改性纳米TiO2量几乎相等，所以其Ct的变化几乎一致。根据表3所示，4种组织结构的样品24 h的除甲醛率一样，改性纳米TiO2负载最多的8枚3飞纬面缎纹织物的Dt%在16 h时最先达到稳定状态。这是由于在甲醛起始浓度相同的情况下，窗帘织物负载可见光整理剂的负载量越高，负载在纤维表面的TiO2越多，产生的·OH和·O-2越多，能够增加与空气中甲醛分子的接触机会，甲醛分子更容易被催化降解。因此窗帘织物的负载量越高，其除甲醛速率越快。光催化除甲醛的整个反应过程中TiO2只起到了催化效果，在甲醛被催化降解的过程中不会消耗TiO2，所以织物负载量的多少并不会影响最终的除甲醛效果。4种织物的C24最终趋于稳定是由于空气中含有的少量甲醛分子很难与·OH和·O-2接触从而难以被氧化降解。

2.6 基本性能分析

对织物光催化整理前后的拉伸强力、透气性和折皱回复性进行测试，结果如表4所示。织物经过光催化整理后的经纬向拉伸强力、经纬向的抗皱性和透气性均有下降。这可能是由于TiO2的强氧化性和超声波对纤维造成损伤，使纤维大分子链发生部分断裂，对纤维的强力造成损伤，导致织物的宏观力学性能下降，但是经过光催化整理的织物的断裂强力仍达到GB/T 19817—2005《纺织品 装饰用织物》中悬挂类和覆盖类用织物优等品的断裂强力的要求。经过后整理的织物抗皱性增强，这是由于纤维表面负载的改性纳米TiO2对织物和纱线有束缚，导致折皱回复角变大。透气性变差的原因是由于改性纳米TiO2粒子的存在减少了织物的空隙。

2.7 织物耐洗性研究

为了考察具有除甲醛功能的窗帘织物的耐用性能，将光催化整理后的8枚3飞纬缎织物分别洗涤2次、4次、6次、8次和10次，将其在可见光条件下应用于甲醛的降解反应中，同时测定计算反应过程中甲醛去除率D24，结果如表5所示。

由表5可知，织物经过水洗后其除甲醛率不断降低。经过2次水洗后，织物24 h除甲醛率仅下降了5.27%，说明经过超声浸轧和预烘定形，改性纳米TiO2与织物之间具有较好的负载牢度。经过4次水洗后，织物D24%下降比较明显，因为多次水洗使织物表面部分改性纳米TiO2脱落，织物的除甲醛效率降低。织物经过8次和10次水洗后，其24 h的除甲醛率在50%以上，这是由于经过多次水洗之后只有少量的改性纳米TiO2负载在纤维表面，此时光触媒纤维发挥光催化作用，能够催化降解一部分的甲醛。因此，此工艺流程制备的除甲醛窗帘织物具有良好的耐用性。

3 结 论

a）采用超声浸轧→预烘→定形的后整理方法将改性纳米TiO2负载到织物上，用X射线衍射仪、紫外-可见光分光光度计和电子扫描显微镜对光催化后整理后的窗帘织物进行表征，结果表明改性纳米TiO2成功负载在窗帘织物上，且窗帘织物在可见光下可发挥光催化除甲醛作用。

b）不同组织结构的光触媒-涤纶织物经过相同的光催化后整理工艺负载改性纳米TiO2的量不同。织物表面光触媒纱线浮线越长，织物结构越疏松，织物负载的改性纳米TiO2越多，催化降解甲醛的速率越快，但不会影响最终去除甲醛的效果。8枚3飞纬面缎纹织物的负载量最高，除甲醛速率最快，16 h的除甲醛率为90.35%，并达到稳定状态。经光催化后整理的窗帘织物的强力、折皱回复性和透气性略有下降。

c）通过光催化后整理的织物经过6次水洗，窗帘织物24 h的除甲醛效果仍能达到59.32%。但由于超声浸轧是物理吸附，多次水洗后织物负载的改性纳米TiO2会减少，此时光触媒纤维能够发挥光催化除甲醛的作用。因此，此工艺流程制成的除甲醛功能窗帘织物经过10次水洗之后仍具有除甲醛效果，具有较好的耐用性。

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