纳米氧化锌 氧化铁混合溶胶对涤纶织物的抗静电效果

刘玉强，陈楠楠，2，吕 红，2，田保中，2

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021;2.现代丝绸国家工程实验室(苏州大学)，江苏 苏州 215123)

涤纶织物作为一种应用广泛的服装面料，由于其吸湿性差，回潮率低，因而在加工及服用过程中容易产生静电，造成许多不良影响，因此对涤纶织物进行抗静电整理已成为研究的热点［1-2］。在研制开发功能纺织品中，纳米材料因其性能优良，绿色环保，从而应用广泛［3］。纳米 ZnO［4-5］、Fe2O3［6-7］由于其在光、电、催化等方面的特殊优良性质，备受关注。将无机纳米材料应用到纺织品上，方法众多，溶胶凝胶法由于其过程简单，产物均匀，近年来在纳米无机材料的制备中广泛使用［8-9］。本文以不同的物质量比的 Zn(CH3COO)2·2H2O 和 FeCl2·4H2O 的混合物为主要原料，制备不同物质的量比的纳米 ZnOFe2O3溶胶，然后采用浸轧烘焙法将纳米颗粒整理到涤纶织物表面进行抗静电整理，探究纳米 ZnOFe2O3溶胶混合后的抗静电效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

原料:涤纶平纹织物，面密度为103.10g/m2。

药品:无水乙醇(上海联试化工试剂有限公司)、二水合醋酸锌(上海振新试剂厂)、四水合氯化亚铁(上海山海工学团实验二厂)、氢氧化钠(上海试剂总厂)，以上均为分析纯。

仪器:Nicolet5700型红外光谱仪(美国热电公司);X'Pert-Pro MPD型X-射线多晶衍射仪(荷兰帕纳科公司);S-4700型冷场发射扫描电镜(日本日立公司);DZF-6051型真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司);90-3型恒温双向磁力搅拌器(上海振荣科学仪器有限公司);静电衰减测试仪(日本大荣科学精器制作所)。

1.2 实验方法

1.2.1 织物预处理

将涤纶织物用去离子水清洗，60℃烘干。

1.2.2 纳米溶胶的制备

将 Zn(CH3COO)2·2H2O 和 FeCl2·4H2O 按照不同物质的量比(1#为5∶0;2#为5∶1;3#为5∶3;4#为5∶6;5#为0∶6)混合后溶于50mL无水乙醇中，形成不同物质的量比的乙醇溶液，然后将其转移到500mL圆底三口烧瓶中，迅速升温至 70℃。在70℃条件下，强烈搅拌，同时向溶液中逐滴滴加氢氧化钠的乙醇溶液。控制滴速，90min滴完，继续搅拌30min，冷却至室温，制得5种不同物质的量比的ZnO-Fe2O3混合溶胶。

1.2.3 整理工艺

将涤纶织物浸渍溶胶(10min)→轧干→低温预烘(60℃，10min)→高温烘焙(170℃，3 min)。

1.2.4 纳米颗粒的制备

将溶胶于170℃高温烘焙，烘干后研磨相同时间，制的 ZnO-Fe2O3粉末。

1.3 测试方法

1.3.1 纳米材料的结构表征

用冷场发射扫描电镜观察颗粒在织物表面的分布状态及粒径大小;用Nicolet5700型红外光谱仪测试材料的组成特征，采用KBr压片法，扫描次数为32，波数范围为4000～400cm-1，分辨率为4 cm-1;用X'Pert-Pro MPD型X射线多晶衍射仪测试材料的晶型，Cu靶，电压为 40kV，电流为30mA，2θ扫描范围为10°～80°，。

1.3.2 织物的抗静电性能测试

按GB/T12703.1—2008《纺织品静电性能的评定 第1部分:静电压半衰期》的规定，采用日本大荣静电衰减测试仪测量织物的峰值电压和静电压半衰期。

2 结果与讨论

2.1 ZnO-Fe2O3颗粒在织物表面的分布

图1示出通过扫描电镜测试所得到的颗粒在涤纶表面的分布状态及粒径大小。由图1(a)可见，经溶胶整理后，涤纶织物表面覆盖了1层纳米颗粒。图1(b)～(d)分别为1#、2#、5#样品整理后的织物图片。可以看出颗粒尺寸在50～100nm之间，其中织物表面的一些较大颗粒是因团聚造成的。而图1(c)的团聚现象相对不明显，颗粒在织物表面分布最为均匀，粒径相对较小。

图1 涤纶织物表面纳米ZnO-Fe2O3颗粒的SEM图片Fig.1 SEM images of nano ZnO-Fe2O3particles on PET fabrics surface.(a)PET fabric(×2000);(b)1#(×13000);(c)2#(×13000);(d)5#(×13000)

2.2 红外光谱分析

图2为在不同的物质的量比条件下制得的纳米ZnO-Fe2O3颗粒的红外光谱图谱。图中显示，1620cm-1处为水合氧化物中—OH的特征峰且不明显，1#曲线上436、447 cm-1处为 ZnO的伸缩振动峰。由2#～4#曲线可见，随着FeCl2·4H2O含量的增加，ZnO在447 cm-1处的特征峰逐渐向高波方向偏移，这可能是Fe2O3含量增加所致。2#曲线436 cm-1处的特征峰与1#相比明显加强，此时纳米颗粒主要为 ZnO。5#曲线上636 cm-1处为 γ-Fe2O3的特征吸收峰，说明此时纳米颗粒主要为γ-Fe2O3。而1#～4#曲线中Fe2O3的特征峰并不明显，说明 ZnO的存在影响了Fe2O3的形成。

图2 纳米ZnO-Fe2O3颗粒的红外光谱图谱Fig.2 FT-IR spectra of nano ZnO-Fe2O3particles

2.3 X射线衍射分析

图3示出纳米ZnO-Fe2O3颗粒的 X射线衍射曲线。其中1#为 ZnO的 XRD特征曲线，2#、3#、4#曲线上ZnO的特征吸收峰基本不变。粒子衍射峰尖锐，说明结晶良好。5#曲线上的衍射峰主要为Fe2O3的特征峰，其中部分衍射峰与 ZnO的重合。此外出现在5#曲线上的53.74°处的 Fe2O3的衍射峰以及18°、56°左右的Fe3O4的微弱的衍射峰在1#到4#曲线上消失，说明ZnO的存在对Fe2O3的晶型有一定影响。

2.4 织物的抗静电性能

图3 纳米ZnO-Fe2O3颗粒的XRD图谱Fig.3 XRD spectra of nano ZnO-Fe2O3particles

表1示出涤纶织物经过纳米溶胶整理前后的抗静电性能的数值。表中未处理的涤纶织物的静电现象严重，半衰期和峰值电压分别达到11.31 s和860V。经过纳米溶胶整理后，半衰期和峰值电压明显降低，抗静电效果良好。这可能是由于高温烘焙下，涤纶织物表面的溶胶转化为纳米微晶沉积在织物表面，形成了1层导电膜［10］，加快了电荷的散逸，防止电荷聚集。由数据还可看出，随着混合原料中Zn(CH3COO)2·2H2O 和 FeCl2·4H2O 物质的量比的减小，抗静电效果先增加后降低。其中2#的抗静电效果最好，半衰期和峰值电压都降为0，此时可以看作织物不再产生静电，这可能是2#的粒径相对较小，分散更加均匀的原因。

表1 处理前后织物的抗静电性能Tab.1 Antistatic performance of fabrics before and after treatment

3 结论

本文采用溶胶 凝胶法制备了粒径在50～100nm之间的纳米 ZnO-Fe2O3溶胶，并将其整理到涤纶织物表面。经过纳米溶胶整理后的涤纶织物，抗静电性能良好。而且混合ZnO-Fe2O3溶胶的效果要优于单独的ZnO或者Fe2O3溶胶。通过对数据分析，得出 Zn(CH3COO)2·2H2O 和 FeCl2·4H2O 的最佳物质的量比为5∶1，此时抗静电效果最好，其半衰期和峰值电压都降为0，可以看作不再产生静电。

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