防蚊疏水棉织物的制备与性能研究

陈亚茹 张春明

（1.青岛大学，山东青岛，266071；2.东华大学，上海，200051）

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对衣物舒适性、防虫性、防雨性、防污性等方面的要求越来越高。棉织物作为最基础的服装材料之一应用广泛，具有良好的舒适性［1］，然而其本身对蚊虫的驱避和拒水能力有限，这限制了其在户外活动等场景的应用。因此，如何在保持棉织物舒适性的同时，增强其防蚊、拒水功能成为相关领域研究者重点关注的课题。

疏水性是纺织品极为重要的功能特征之一，目前主要通过涂层覆盖和表面改性技术使得纺织品具有疏水性。在国内外的研究中，研究人员借助无机纳米二氧化硅粒子与强耐水性高分子材料的结合，成功制备出高性能的有机/无机复合疏水透气纺织品涂层［2］。此外，基于环保意识，学者们也将目光转向无氟疏水整理剂［3］，并取得了一定的研究进展。织物的防蚊性能则通常采用添加防蚊剂或者表面涂覆等方法实现，其中壳聚糖纳米微胶囊由于安全性高、对人体无害、防蚊效果好而被视为一种有效的防蚊剂［4］。有研究人员将聚纳米胶囊（ε-己内酯）加载槟榔精油，应用于棉和涤纶织物的防蚊喷雾配方中，获得驱避率达47%的防蚊效果［5］。然而，传统纺织品中同时具备疏水和驱蚊功能的研究较少，且现有研究的功能纺织品存在驱蚊时间短、易洗掉、易磨损等问题，制约了其推广和应用。因此，本研究对棉织物进行防蚊整理和疏水整理，对其进行多项性能测试和分析，以期开发出具备长效性、高强度和高耐久性的纺织品，满足人们在防蚊、防水方面的需求，提高棉织物在户外等场景下的实用性能。

1 试验部分

1.1 试验材料与试剂

纯棉平纹织物（120 g/m2），江苏红豆实业股份有限公司；CWR-8DC 无氟拒水剂，北京中纺化工股份有限公司，无氟拒水剂高分子链段的主体结构如图1 所示，为水基丙烯酸共聚物乳液，拒水性由长碳链丙烯酸酯提供，长链烷基在乳液成膜过程中在纤维表面形成定向排列的纳米凸起，从而形成了具有“荷叶效应”的防水层；JYK PL-100防蚊剂、JYK FIX-ET 牢度促进剂，上海洁宜康化工科技有限公司，防蚊剂分子结构式如图2 所示，氯菊酯是一种具有酯和磷酸二重结构的化合物，在适当条件下可水解或解磷，对昆虫神经系统产生极强毒性作用。采用Direct-Q3/5/8R 型超纯水机制备去离子水，用于制备溶液、清洗样品、测量水接触角。所有的化学试剂无需进一步提纯。

图1 无氟拒水剂分子化学式

图2 防蚊剂（氯菊酯）分子结构式

1.2 试验仪器及设备

YP502 型电子天平（上海津平科学仪器有限公司）、GFL-70 型电热恒温鼓风干燥箱（天津莱玻特瑞仪器设备有限公司）、P-B1 型轧车（瑞士）、LTE-S120920 型涂层焙烘机（瑞士）、HJ-6B 型双数显恒温磁力搅拌器（常州苏瑞仪器有限公司）、OCA-25 型视频光学接触角测量仪（德国Data-Physics 有限公司）、Phenom G2 Pro 型扫描电子显微镜（复纳科学仪器上海有限公司）、Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞世尔科技有限公司）、YG461F-Ⅲ型全自动透气量仪（宁波纺织仪器厂）、TENSOLAB2516 型织物强力测试仪（意大利）。

1.3 疏水防蚊织物的制备

疏水整理会使棉织物表面形成一层疏水层，此时再对织物进行防蚊处理，防蚊剂无法有效附着到织物上。故而采用了防蚊疏水共混整理和防蚊疏水先后整理方法。

清洗并烘干原棉织物，将160 g/L 的拒水剂、3%（omf）的防蚊剂JYK PL-100 以及3%（omf）的牢度促进剂JYK FIX-ET 充分混合后，对织物进行整理，二浸二轧（轧余率70%～80%），在80 ℃的烘箱内预烘5 min，140 ℃的焙烘机内高温焙烘2 min，得到防蚊疏水共混整理织物。

清洗并烘干原棉织物，先使用3%（omf）的防蚊剂JYK PL-100、3%（omf）的牢度促进剂JYK FIX-ET 对织物进行整理，二浸二轧（轧余率70%～80%），在80 ℃的烘箱内进行预烘5 min，140 ℃的焙烘机内高温焙烘2 min，得到防蚊织物。对防蚊织物使用160 g/L 的拒水剂进行整理，同样进行二浸二轧（轧余率70%～80%），在80 ℃的烘箱内预烘3 min，140 ℃的焙烘机内高温焙烘2 min，最终得到防蚊疏水先后整理织物。

1.4 测试与表征

为保证静态水接触角测试结果的准确性，在室温下选取织物的5 个不同位置进行测试，测试所用液滴体积为5 μL。根据GB/T 30126—2013《纺织品 防蚊性能的检测和评价》自制驱避装置，对整理前后的织物进行驱避测试。使用YG461E-Ⅲ型全自动透气量仪对整理前后的织物进行透气性测试，喷嘴直径3.0 mm，测试面积20 cm2，测试压力100 Pa，每个样品测量5 次，取平均值得到织物的透气率。使用汽水、墨水、牛奶、茶水、咖啡粉等作为污染物进行防污测试。参照AATCC 61—2013《耐洗涤色牢度：加速法》中方法1A 对样品进行耐洗涤性能评价，每次水洗程序结束后，用去离子水冲洗干净并在烘箱内烘干，测量织物的水接触角并记录。在10 kV 加速电压下观察喷金溅射60 s 的织物表面形貌。记录扫描范围4 500 cm-1～400 cm-1下样品的红外光谱。

2 结果与讨论

2.1 静态水接触角分析

水滴落在整理后织物表面稳定后的形态如图3 所示。仅经过拒水剂整理的棉织物水接触角为148°；经过防蚊疏水共混整理后的织物水接触角有明显下降，为143°。这是由于在共混配液过程中发现：拒水剂和防蚊剂两种整理助剂互不相溶，因此导致两种整理助剂都不能均匀地涂覆在织物表面，织物的防水性能下降；防蚊疏水先后整理的织物接触角为148°，与仅疏水整理的织物相比，疏水性能基本没有发生变化，效果显著。

图3 整理前后织物的水接触角

图4展示防蚊疏水先后整理方式下，不同拒水剂质量浓度对织物水接触角的影响。结果表明：随着拒水剂质量浓度的升高，织物水接触角呈现先增加后趋于稳定的趋势。可以看出随着拒水剂质量浓度的增加，织物表面形成了连续的疏水性薄膜，在160 g/L 时防水效果已较显著，质量浓度继续增加，防水效果变化并不明显。

图4 拒水剂质量浓度对防蚊疏水先后整理织物水接触角的影响

2.2 驱避测试分析

驱避率越高反映出防蚊效果越好。测试结果表明：未整理棉织物及疏水整理棉织物对白纹伊蚊的驱避率为0，没有驱蚊效果；仅防蚊整理和防蚊疏水先后整理织物的驱避率分别为72.73%和75.00%，驱蚊效果显著，根据纺织品防蚊性能的检测和评价标准可知防蚊评级为A 级。而防蚊疏水共混整理的织物对白纹伊蚊的驱避率低于70%，防蚊评级为B 级。这是由于共混整理时无氟疏水剂和防蚊整理剂不相溶，导致两种整理液都不能均匀整理在织物上，使得织物防蚊效果下降。

2.3 防污性能分析

未整理棉织物和防蚊疏水先后整理棉织物上的防污性能如图5、图6 所示。图5 结果表明：这些污染液会浸入未整理棉织物致其脏污，而对于防蚊疏水先后整理棉织物，各种液滴保持圆球状，整理棉织物表现出良好的液态防污性能。

图5 液体污染物在织物上的状态

图6 固体污染物在织物上的状态

如图6 所示，使用连续的水流冲洗未整理棉织物、防蚊疏水先后整理棉织物上的咖啡粉时，发现未整理棉织物被污染，整理后织物上的咖啡粉被水流冲洗干净，织物也保持完全干燥。结果表明：经整理后的织物具有良好的固态防污性能。

2.4 机械性能分析

如图7 所示，未整理棉织物的断裂伸长率为11.1%，断裂强力为277 N。防蚊疏水共混整理的棉织物与未整理的棉织物相比，断裂强力没有明显变化。而经过防蚊疏水先后整理织物的断裂伸长率为17.4%，断裂强力为456 N，断裂强力提高64.6%，这种整理方式明显改善了织物的机械性能。推测经过两次整理，整理剂薄膜覆盖在纤维表面，纤维之间的孔隙减少，纤维之间更加紧密，进而导致织物强度增加。

图7 整理前后织物的断裂强力变化

2.5 透气性分析

表1 是不同整理方式下的织物透气率。未整理棉织物的透气率为172.47 mm/s，防蚊疏水先后整理织物的透气率为95.63 mm/s，整理后织物的透气性有所下降。这是由于防蚊、疏水双重整理使得织物纤维表面覆盖两层整理剂薄膜，导致纤维间隙减小，空气通过量变少，透气率下降明显。

表1 整理前后织物的透气率变化

2.6 耐水洗性分析

图8 展示水洗次数对织物水接触角及驱避率的影响情况。随着洗涤次数的增加，织物水接触角降低，同时织物的驱避率也有所下降。这是由于皂洗使织物表面涂覆的疏水薄膜及防蚊薄膜被破坏，洗涤次数越多，薄膜被破坏得越严重。经过5 次洗涤循环后，棉织物表面水接触角以及织物驱避率均出现一定程度的下降，但仍然能够保持较好的疏水效果及防蚊效果。

图8 水洗次数对防蚊疏水先后整理织物水接触角及驱避率的影响

2.7 织物表面形貌分析

不同整理条件下的织物表面形貌如图9所示。

图9 整理前后棉织物的SEM 照片（2 500 倍）

由图9 可以看出：未整理棉织物的表面光滑，无任何附着物，纤维呈扁平带状且有天然转曲。防蚊整理棉织物表面被一层丝状物覆盖，纤维之间还有丝状物连接；而疏水整理棉织物表面覆盖了颗粒状物质或片状物。防蚊疏水共混整理的棉织物表面出现片状物、颗粒状物质以及丝状物，两种整理剂不均匀地分布在织物表面；相对而言，防蚊疏水先后整理织物表面先被丝状物质覆盖，形成防蚊薄膜；随后又被片状物质均匀地包覆，织物表面的低表面能物质增加，形成一层致密的疏水薄膜。

2.8 红外光谱分析

在图10 所示的红外光谱图中，对比了不同整理方式下织物的化学结构和组成。

图10 整理前后织物的红外光谱分析

结果表明：在3 333 cm-1处，未经整理的织物展现了一个宽且强的—OH 伸缩振动特征峰，而在1 027 cm-1处则呈现了强烈的—OH 弯曲振动和C—O—C 伸缩振动吸收峰，说明棉纤维主要由纤维素组成。在仅进行疏水整理的织物样本中，可以在2 918 cm-1和2 850 cm-1处明显观察到CH2反对称和对称伸缩振动峰，这是由长链烷基引起的疏水作用所致。聚丙烯酸酯类聚合物的C=O伸缩振动峰位于1 740 cm-1处［6］，进一步证明拒水剂已成功地整理到了棉织物上。红外光谱可以对氯菊酯整理进行定性分析，但氯菊酯特征峰与织物本身的特征吸收峰有一定重合叠加，且氯菊酯特征峰多为弱强度吸收峰，要实现定量分析难度大，过程长，成本高。在仅进行防蚊整理的织物样本中，在1 450 cm-1处出现苯环的伸缩振动峰，1 247 cm-1处观察到氯菊酯特征结构芳香基醚的不对称伸缩振动峰，而在860 cm-1处出现Cl（Cl）—C=CH2中C—H 面外摇摆吸收峰，这是判断氯菊酯分子的红外特征吸收信号［7］，说明防蚊剂已被成功整理到棉织物上。而在防蚊疏水先后整理的织物样本中，出现了CH2反对称和对称伸缩振动峰、聚丙烯酸酯类聚合物的C=O 伸缩振动峰、苯环的伸缩振动峰、氯菊酯特征结构芳香基醚的不对称伸缩振动峰，表明防蚊剂和拒水剂均已成功整理到织物表面。

3 结论

本研究通过浸轧烘工艺将防蚊剂和拒水剂先后整理到棉织物上，成功制备了防蚊疏水织物。通过扫描电镜、红外光谱可以证实，棉织物成功实现了表面化学修饰。防蚊疏水先后整理棉织物呈现出良好的疏水性能和防蚊效果，水接触角达到148°，驱避率达到75%。同时，防蚊疏水先后整理棉织物能抵抗固体和液体材料的污染，具有良好的防污和自清洁性能。处理后的织物断裂强力提高，机械性能得到提升，并且具有透气性和耐水洗性。本研究所采用的无氟、无毒、低成本、稳定性良好的防蚊疏水织物制备方法，在多功能纺织品中具有一定的应用前景。