納米粉體的分散及對棉織物的抗菌整理研究

　　近年來，隨著科學技術的進步和人民生活水平的提高，人們對材料的認識與使用已經向多功能化方麵發展，紡織業亦是如此。在功能性、環保型紡織品已經成為當今世界紡織品市場主流的今天，功能性紡織品的開發研究己擴展到眾多領域，其中納米材料的應用便是其中的一種。天然纖維織物因其服用的舒適性等而深受消費者歡迎，但是棉織物本身存在一些缺點，如在適宜的條件下，一些病原菌如金黃色葡萄球菌、大腸杆菌和白色念珠球菌等在棉織物上存在時間延長，尤其是一些內衣、內褲的穿著環境易滋生細菌，並以人體的新陳代謝產物為營養物質迅速繁殖，釋放出令人惡心的臭味。另外，它們還會使棉製品變色、發黴，誘發各種皮膚疾病，危害人體健康。由於某些無機材料做成納米級後有優越的抗菌功能，同時納米功能材料耐熱、無毒、穩定性強，因此納米材料便作為新型的抗菌整理劑首先被選用，來代替對人體有毒性和刺激性的抗菌劑，成為開發綠色功能紡織品的一個重要方向。 　　目前，國內外正在研究和應用的將納米微粒施加到紡織品上的方法主要有三種:(a)共混紡絲法(b)後整理法:吸盡法、塗層法和浸軋法(c)接枝法。然而，時至今日，納米粉體在紡織品中的應用仍然是一項發展中的技術，這是因為納米微粒表麵活性很大，易發生團聚，且不易與纖維材料結合固著。因此，如何使納米粒子均勻地分散在紡織品上，且實現納米粒子與纖維的牢固結合，是納米功能紡織品開發和應用的關鍵技術。 　　本文借助於粘合劑把納米粉體TiO2和ZnO施加到棉織物上，並對它們的分散性、抗菌性以及它們複合物的協同效應進行了研究。 2 實驗部分 2·1 實驗材料和儀器 2·1·1 原料及試劑 　　納米ZnO和納米TiO2 (江蘇河海納米科技股份有限公司);十二烷基苯磺酸鈉、六偏磷酸鈉和矽酸鈉(天津市化學試劑六廠);低聚丙烯酸鈉(上海長風化工廠);染色用粘合劑和滲透劑JFS(煙台三和化學試劑有限公司)。 2·1·2 織物規格 　　經過前處理的純棉織物:規格40/40×133×72。 2·1·3 實驗儀器 　　超聲波清洗器SK5200H(上海科導超聲儀器有限公司)85-2恒溫磁力攪拌器(常州國華電器有限公司);HH數顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市宏華儀器廠);EL-400立式氣動小軋車(上海朗高紡織設備有限公司);電子天平(北京賽多利斯天平有限公司);pH 25型酸度計(上海虹益儀器廠)。 2·2 納米粉體的分散性實驗 2·2·1 佳分散劑和pH值的選擇 　　將0.10g等量分散劑(聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、矽酸鈉)分別加入到盛有100mL蒸餾水的燒杯中，每種分散劑分別配六份溶液，攪勻後準確調節pH值，使含相同分散劑的溶液的pH值依次為5、6、7、8、9、10，後加入0.15g納米複合粉體(ZnO:TiO2=1:1)，並用超聲波清洗器振蕩1.5h，然後取出1OmL放入1OmL試管中靜置7天，讀取上層澄清液體積。 2·2·2 佳分散劑用量的選擇 　　準確稱取5份不同量的聚丙烯酸鈉分別加入到盛有1OOmL蒸餾水的燒杯中，依次配成不同含量的水溶液，調節pH=9，然後加入0.15g納米粉體(ZnO:TiO2=1:1)，並用超聲波清洗器振蕩1.5h，然後取出1OmL放入1OmL試管中靜置7天，讀取上層澄清液體積。 2·3 棉織物抗菌整理工藝 2·3·1 處方與條件 2·3·2 實驗步驟 　　稱取十五塊重為5.0g的純棉試樣，按2·3·1處方配製納米整理液，每個處方分別按表l配五份整理液，然後將試樣浸在整理液中，在45℃下浸3Omin，後二浸二軋，軋餘率為75%，在80℃預烘5min，160℃焙烘3min，得到1#-5#五塊整理試樣。 　　表1 所用納米ZnO和TiO2的質量比值------------------------------------------------ | 編號#　 |　 1　|　　2　 |　 3　|　　4　|　　5 | |---------|------|--------|------|-------|------| | ZnO:TiO2|　1:0 |　 0:1　|　1:1 |　 2:1 |　 3:1| ------------------------------------------------2·4 抗菌效果測定 　　按紡織行業標準FZ/T01021-92對棉織物進行抗菌性能測試，所用菌種為金黃色葡萄球菌。 2·5 耐洗性測定 　　參照GB/T8629-2001標準，將2g/L的洗滌液和待洗織物放入洗衣機中，按照4A程序(用於特殊整理織物的洗滌程序)進行洗滌，測定其抗菌性能。 3 結果與討論 3·1 分散劑和pH值對分散係統的影響 3·1·l PAADF3RSEGDTHIU-Na在不同pH值下對納米粉體的分散性影響 表2 分散體係上層清液體積百分數與pH值的關係---------------------------------------------------------------- |分散體係PH值　|　　5　|　　6　|　　7　 |　 8　|　　9　 |　 10　| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |澄清液體積mL　|　 10　|　　4　|　　3.6 |　 3.6|　　1.6 |　　1.6| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |體積百分數%　 |　100　|　 40　|　 36　 |　36　|　 16　 |　 16　| ----------------------------------------------------------------3·1·2 六偏磷酸鈉在不同pH值下對納米粉體的分散性影響 表3 分散體係上層清液體積百分數與pH值的關係 ---------------------------------------------------------------- |分散體係PH值　|　　5　|　　6　|　　7　 |　 8　|　　9　 |　 10　| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |澄清液體積mL　|　 10　|　　5　|　　3.2 |　 2.6|　　2.0 |　　1.8| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |體積百分數%　 |　100　|　 50　|　 32　 |　26　|　 20　 |　 18　| ----------------------------------------------------------------3·1·3 SDBS在不同pH值下對納米粉體的分散性影響 表4 分散體係上層清液體積百分數與pH值的關係---------------------------------------------------------------- |分散體係PH值　|　　5　|　　6　|　　7　 |　 8　|　　9　 |　 10　| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |澄清液體積mL　|　 10　|　 10　|　 10　 |　 8.6|　　5.8 |　　2.2| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |體積百分數%　 |　100　|　100　|　100　 |　80　|　 58　 |　 22　| ----------------------------------------------------------------3·1·4 矽酸鈉在不同pH值下對納米粉體的分散性影響 表5 分散體係上層清液體積百分數與pH值的關係---------------------------------------------------------------- |分散體係PH值　|　　5　|　　6　|　　7　 |　 8　|　　9　 |　 10　| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |澄清液體積mL　|　 10　|　　5.6|　　3.8 |　 2.9|　　2.0 |　　1.6| |--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------| |體積百分數%　 |　100　|　 56　|　 38　 |　29　|　 20　 |　 16　| ----------------------------------------------------------------　　由表2至表5可知，聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、矽酸鈉四種分散劑對納米粉體水分散體係均有穩定作用。當加入相同量的分散劑時聚丙烯酸鈉在pH=9和pH=l0時，納米粉體的水分散體係上層清液的體積百分數少，分散效果好，這是由於分散劑在顆粒表麵形成吸附層，產生並強化空間位阻效應，使顆粒間的位阻排斥作用能增大，同時，還增大了顆粒表麵電位的絕對值，提高了顆粒間靜電排斥作用能。所以試驗中選用聚丙烯酸鈉作為納米粉體水分散體係的分散劑，且在pH=9時使用此分散劑，這是因為在使用中不需要過量調節納米粉體水分散體係的pH值，不會給後續工藝引入雜質粒子。 3·2 聚丙烯酸鈉的用量對分散性能的影響 　　由圖1知，上層澄清液的體積隨聚丙烯酸鈉含量的增加先減小後增加，在聚丙烯酸鈉含量為2%時其上層澄清液體積百分數小，表明此時分散體係穩定。當聚丙烯酸鈉的含量低於2%和高於2%時分散體係的穩定性降低，這是由於聚丙烯酸鈉的含量較低時，它不能完全覆蓋粒子的表麵，這樣吸附在某一表麵的高分子鏈將同時粘附於另一質點的未被覆蓋的表麵，通過橋聯的方式將兩個或多個的質點拉在一起，引起絮凝；當加大過量的聚丙烯酸鈉時，達到過飽和吸附，這時伸向水中的鏈就會纏繞在一起，同樣會使顆粒發生團聚，故聚丙烯酸鈉的加入量有一佳值，並不是越多越好。 3·3 抗菌性測試結果 　　抗菌性能測試結果見表6: 　　表6 細菌減少百分率 ------------------------------------------------------------- |納　米　|　　　　　　　　　　　試樣#　　　　　　　　　　　　| |　　　　| --------------------------------------------------| |用　量　|　　1　　|　　 2　　|　　 3　　|　　 4　　|　　 5　| |--------|---------|----------|----------|----------|--------| | 2%　　 |　 81.6　|　　80.4　|　 85.0　 |　 85.3　 |　 85.1 | |--------|---------|----------|----------|----------|--------| | 3%　　 |　 94.0　|　　91.5　|　 95.0　 |　 96.2　 |　 96.7 | |--------|---------|----------|----------|----------|--------| | 5%　　 |　 96.1　|　　93.0　|　 99.9　 |　 99.9　 |　 99.9 | -------------------------------------------------------------　 表6表明，隨著納米粉體用量的增加，抗菌率增加，當用量在3%-5%時抗菌性比較好。另外，在納米TiO2中添加部分納米ZnO或在納米ZnO中添加部分納米TiO2，其處理織物的抗菌效果要比單一納米材料的抗菌效果好一些，說明納米TiO2，和ZnO之間存在納米協同效應。這主要是由於納米TiO2和ZnO的表麵原子所處的環境和禁帶寬度不同，粒子的表麵效應存在差異，故對光照尤其是紫外線的吸收有其特征的波段。當納米TiO2和ZnO複合物處理到棉織物上後，能在更寬的波段範圍內吸收紫外線，更多的分解出自由移動的帶負電的電子(e↑)和帶正電的空穴(h+)，並形成光生電子-空穴對，它們與周圍的水和氧反應生成更多的02、HO·、HO2·和H2O2從而更好的把細菌殺死，使織物的抗菌效果得到提高，但實驗中沒有找出具有佳協同效應的TiO2和ZnO的混合比例，有待於進一步研究。 3·4 耐洗性 　　取納米粉體用量為3%的4#試樣按照GB/T8629-2001標準中的4A程序進行洗滌，水洗一次、五次和十次後測其抗菌率，結果見表7: 表7 水洗次數和細菌減少百分率的關係----------------------------------------------- |水洗次數　 |　一次　　　|　 五次　　 |　　十次 | |-----------|------------|------------|---------| |抗菌率%　　|　 90.5%　　|　 81.3%　　|　　73.6%| -----------------------------------------------　　由表7可知，經過整理的織物水洗牢度比較好，水洗十次以後織物的抗菌率在70%以上。 4 結論 4·1 低聚丙烯酸鈉比其它三種分散劑的分散效果好，且在pH=9或10時納米微粒的分散效果好，懸浮液穩定。 4·2　當納米粉體用量為3%(owf)，低聚丙烯酸鈉用量為2%(owf)時，納米微粒的分散效果好。 4·3　納米ZnO的抗菌性比納米TiO2的抗菌性好，納米TiO2/ZnO複合粉體的抗菌性要比單一納米TiO2或ZnO的抗菌性要好，這證明了複合納米粉體協同效應的存在。 4·4 納米粉體用量大於等於3%(owf)時，棉織物具有很好的抗菌性，且洗滌10次抑菌率仍達70%以上。 AA