丝素/TiO2复配液对棉整理品抗皱、抗紫外性能的影响

唐 志 娟

(中原工学院 信息商务学院，郑州 451191)



丝素/TiO2复配液对棉整理品抗皱、抗紫外性能的影响

唐 志 娟

(中原工学院 信息商务学院，郑州 451191)

摘要:采用无水碳酸钠和氢氧化钠处理原蚕丝织物，进行脱胶、溶胀、降解等一系列处理得到的丝素蛋白溶液；再将丝素蛋白溶液与纳米TiO2颗粒复配，分析复配整理剂中丝素和纳米TiO2的不同配比对棉整理品的抗皱和抗紫外性能的影响，并确定最佳丝素/TiO2复配整理液；最后确定后整理的最佳工艺条件：交联剂(戊二醛)的质量浓度、轧余率、焙烘温度和时间。结果表明：丝素/TiO2复配整理剂中丝素与TiO2的质量比为15︰4时，可使棉整理品的抗皱和抗紫外性能达到最佳；后处理工艺中戊二醛交联剂的最佳质量浓度为12 g/L，焙烘温度为130 ℃，焙烘时间为120 s，轧余率为105%。

关键词:丝素/TiO2；质量比；棉织物整理；抗皱性能；抗紫外性能

棉织物具有透气性好、染色性能好、材质柔软、不易起毛球等优良特性，在服装和家私领域得到广泛的应用，但其在使用和清洗过程中容易起皱且过后不易复原。虽然传统的抗皱整理方法有很多，如低甲醛整理，2D树脂整理等，但经这些抗皱整理后的棉织物存在甲醛释放的问题，不仅污染了环境，而且严重威胁着人体健康。树脂整理法是棉织物传统防皱整理法中较常用的一种，但整理后的棉织物抗断裂强度性能下降、易磨损，部分经树脂整理后的棉织物带有异味，倘若处理不当会导致棉织物出现泛黄和破损。因此开发绿色、环保的棉织物整理技术迫在眉睫，生态功能整理成为发展趋势[1]。例如，用壳聚糖整理后的棉织物不但具有良好的抗菌性能和生物活性，而且其来源广泛，资源丰富，无毒无污染[2]；丝素蛋白整理剂中富含氨基酸，不但对皮肤具有保健作用[3-5]，而且经整理后的棉和麻都具有抗皱性、蓬松性、伸缩性、形状记忆性等优良特性[6]；纳米TiO2不仅具有良好的安全性及稳定性等性能，而且具有屏蔽强紫外线的能力[7]，应用于纺织品的功能整理可赋予棉织物抗紫外、抗菌、抗老化等性能。邓桦等[8]探究了纳米TiO2对棉织物抗紫外性能的影响；蒋林豪等[9]探究了丝素蛋白溶液对棉织物抗皱性能影响；张玉芬等[10]用丝素蛋白整理棉织物探究丝素质量分数对棉织物性能的影响，且在此基础上复配了TiO2探究整理剂中TiO2的含量对棉织物性能和结构的影响，然而交联剂(戊二醛)质量浓度、轧余率、焙烘温度和焙烘时间这四方面对棉织物性能的影响未有详细的研究。本研究课题组前期已经对无水碳酸钠处理原蚕丝织物的脱胶条件和丝素蛋白溶液对棉织物抗皱性能做了研究分析，并得出了最佳脱胶条件和丝素蛋白的降解条件[9]。在此基础上，本研究将丝素蛋白溶液与TiO2复配，探讨复配整理剂中丝素和TiO2含量对棉整理品抗紫外和抗皱性能的影响，以期获得最佳质量浓度比的丝素/TiO2复配整理剂和后整理最佳工艺。

1　实　验

1.1仪器及材料

纳米TiO2颗粒(分析纯，南京天行新材料有限公司)；戊二醛(分析纯，天津市光复精细化工研究所)；电子天平(JA5003，上海舜宇恒平科学仪器有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(DGG-9240B，上海森信实验仪器有限公司)；FAST织物折皱回复性能测试仪(UV-2450，日本岛津)；HB902紫外线透过率分析仪(YG(B)541E，温州大荣纺织仪器有限公司)。

1.2方法

1.2.1丝素/TiO2复配整理剂的制备

把所制备的不同质量浓度的丝素溶液和纳米TiO2颗粒进行复配，确定丝素/TiO2复配整理剂中最佳丝素和纳米TiO2的质量浓度比。

a)最佳丝素质量浓度的研究。初定纳米TiO2质量浓度为5 g/L，分别与10、20、30、40、50 g/L的丝素溶液复配，用复配后的整理剂整理棉织物，整理工艺条件为：交联剂质量浓度为10 g/L，轧余率为108%，烘焙时间为120 s，烘焙温度为130 ℃。测试其抗皱和抗紫外性能，通过比较确定最佳丝素质量浓度。

b)最佳纳米TiO2质量浓度的研究。采用最佳丝素质量浓度为30 g/L，分别与4、6、8、10、12 g/L的纳米TiO2颗粒复配，用复配后的整理剂整理棉织物，整理工艺条件为：交联剂质量浓度为10 g/L，轧余率为108%，烘焙时间为120 s，烘焙温度为130 ℃。测试其抗皱和抗紫外性能，通过比较确定最佳的纳米TiO2质量浓度，即最终的丝素和纳米TiO2的质量比。

1.2.2抗皱、抗紫外整理工艺研究

a)交联剂(戊二醛)质量浓度的研究。在丝素质量浓度为30 g/L，纳米TiO2质量浓度为8 g/L的最佳丝素/TiO2复配整理剂中滴加不同质量浓度的交联剂(4、8、12、16、20 g/L)，然后分别整理棉织物。整理工艺为：轧余率为108%，烘焙时间为120 s，烘焙温度为130 ℃。测试整理品的抗皱和抗紫外性能，通过最佳的抗皱和抗紫外性来确定交联剂的最佳质量浓度。

b)轧余率的研究。采用丝素质量浓度为30 g/L，纳米TiO2质量浓度为8 g/L，交联剂质量浓度为12 g/L的工艺来制备丝素/TiO2复配整理剂，设定棉织物的轧余率分别为75%、85%、95%、105%、115%，烘焙时间为120 s，烘焙温度为130 ℃。测试整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能，通过最佳的抗皱和抗紫外性来确定最佳的轧余率。

c)焙烘温度的研究。采用丝素质量浓度为30 g/L，纳米TiO2质量浓度为8 g/L，交联剂质量浓度为12 g/L的工艺条件来制备丝素/TiO2复配整理剂，轧余率为105%，烘焙时间为120 s，设定焙烘的温度分别为100、110、120、130、140 ℃，测试整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能，通过最佳的抗皱和抗紫外性来确定最佳的焙烘温度。

d)焙烘时间的研究。采用丝素质量浓度为30 g/L，纳米TiO2质量浓度为8 g/L，交联剂质量浓度为12 g/L的工艺条件来制备丝素/TiO2复配整理剂，轧余率为105%，烘焙温度为130 ℃，设定焙烘的时间分别为30、60、90、120、150 s，测试整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能，通过最佳的抗皱和抗紫外性来确定最佳的焙烘时间。

1.2.3棉整理品的性能测试

a)抗皱性能的测试。使用FAST织物折皱回复性能测试仪，采用水平法测试织物折皱回复角(WRA)[11]，包括急弹和缓弹回复角。测试前先将试样熨烫平整，并在温度20 ℃和相对湿度65%的条件下平衡24 h，然后每个样品取10个试样进行回复角测试，取平均值，试样规格2 cm×2 cm。测定整理前棉织物的急弹回复角和缓弹回复角分别为65.53°和85.51°。

b)抗紫外性能的测试。使用HB902紫外线透过率分析仪测试整理前和整理后棉织物的紫外线防护系数(UPF值)[11]，采用标准GB/T 18830—2002《纺织品 防紫外线性能的评定》来评价织物抗紫外效果，UPF值越高，表示棉织物的抗紫外线性能越好，其中当UPF值大于30时，可称为抗紫外线织物。测得整理前棉织物的UPF值为18.04。

2　结果与讨论

2.1丝素/纳米TiO2颗粒复配质量浓度比的影响

图1　丝素质量浓度对棉整理品性能的影响Fig.1　Effect of silk fibroin mass concentration on the properties of cotton fabrics

丝素质量浓度对棉整理品性能影响如图1所示。在丝素质量浓度为30 g/L时，折皱回复角达到最大；当丝素质量浓度大于30 g/L时，棉织物的折皱回复性随着丝素质量浓度的增加而逐渐降低。折皱回复性变化的原因是当丝素质量浓度小于30 g/L时，纤维素可以充分与丝素蛋白发生网状交联，因此随着丝素质量浓度的增加折皱回复性逐渐提高。而当丝素质量浓度大于30 g/L后，丝素蛋白分子之间会发生缠结，使丝素分子的可及性降低从而减少了网状交联，使得棉织物的折皱回复性不断下降[10]。抗紫外性能的变化是因为当丝素质量浓度小于30 g/L时，因丝素质量浓度较低而对棉织物抗紫外性能影响不大，容易表现出减少的趋势，此趋势与张玉芬等[10]的研究相一致；而当丝素质量浓度大于30 g/L时，因为丝素蛋白中的酚羟基具有吸收紫外线的功能，更是丝素复合了纳米TiO2颗粒后，增强了棉织物的抗紫外性能，因此整理后棉织物的UPF值相比整理前有所提高。

纳米TiO2质量浓度对棉整理品性能影响如图2所示。当纳米TiO2质量浓度小于8 g/L时，整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能随着纳米TiO2质量浓度的增加而增强，在纳米TiO2质量浓度为8 g/L达到最佳；当纳米TiO2质量浓度大于8 g/L时，棉织物的抗皱和抗紫外性能都逐渐降低。抗皱性能的变化是因为纤维素链中的氢键被Ti=O键打开，使纤维素与丝素分子发生链交联，并且纳米TiO2能够促使处于游离状态且没有形成交联的丝素分子与纤维素发生链交联，进而提高棉整理品的折皱回复性能。但是当纳米TiO2质量浓度过高时，过量的纳米TiO2发生团聚，不利于链交联的进行，致使折皱回复性能呈现下降的趋势。因为纳米TiO2的颗粒大小会直接影响其抗紫外性能，粒径小的颗粒对紫外线的吸收性能强，故整理后棉织物的抗紫外性高。但当TiO2含量过低时所含的粒子数量较少，而含量过高时又会出现粒子团聚，都不利于对紫外线的吸收[12]。

由此可见，在丝素/TiO2复配整理剂中，丝素和TiO2的最佳质量比为15︰4。

图2　纳米TiO2质量浓度对棉整理品性能的影响Fig.2　Effect of Nano TiO2 mass concentration on the properties of cotton fabrics

2.2棉织物整理工艺因素的影响

2.2.1交联剂(戊二醛)质量浓度和轧余率的影响

戊二醛质量浓度对棉整理品性能的影响如图3所示。图3显示，随着交联剂质量浓度的增加，整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能都逐渐提高。在交联剂质量浓度达到12 g/L时，棉织物的抗皱和抗紫外性能都达到最佳状态；继续添加交联剂，抗皱和抗紫外性能几乎保持不变。所以经实验可知，交联剂的最佳质量浓度为12 g/L。

图3　戊二醛质量浓度对棉整理品性能的影响Fig.3　Effect of Glutaraldehyde mass concentration on the properties of cotton fabrics

轧余率对棉整理品性能的影响如图4所示。图4可见，随着轧余率的增大，整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能都逐渐提高。这是因为轧余率越大，进入棉织物内部的丝素/TiO2复配整理剂越多，增加了与棉纤维发生交联的机会。当轧余率达到105%，其抗皱和抗紫外的性能已经达到最佳状态，之后不再发生变化。所以经实验可知，最佳的轧余率为105%。

图4　轧余率对棉整理品性能的影响Fig.4　Effect of liquor detention on the properties of cotton fabrics

2.2.2焙烘温度和时间的影响

烘焙温度和烘焙时间对棉整理品性能的影响如图5和图6所示。图5显示，随着焙烘温度的增加，整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能都逐渐提高。但是当焙烘温度超过130 ℃时，焙烘后的棉织物开始泛黄，不符合整理要求。所以综合考虑，焙烘的最佳温度为130 ℃。图6显示，随着焙烘时间的增加，整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能逐渐提高。但是当焙烘时间超过120 s时，焙烘后的棉织物开始泛黄，不符合整理要求。所以综合考虑，焙烘的最佳时间为120 s。

图5　焙烘温度对棉整理品性能的影响Fig.5　Effect of baking temperature on the properties of cotton fabrics

图6　焙烘时间对棉整理品性能的影响Fig.6　Effect of baking time on the properties of cotton fabrics

经最佳工艺(戊二醛交联剂质量浓度12 g/L，轧余率105%，焙烘温度130 ℃，焙烘时间120 s)整理，棉整理品的质量指标(如折皱回复角和UPF值)如表1所示。表1显示，整理后棉织物的折皱回复性能和抗紫外性能均有所提高。

表1　整理前后试样的折皱回复角和UPF值比较

3　结　论

采用丝素/TiO2复配液整理棉织物，探究整理后棉织物的抗皱和抗紫外性能的变化，可以发现：在丝素/TiO2复配整理剂中，当丝素质量浓度为30 g/L、TiO2质量浓度为8 g/L、丝素与TiO2的质量比为15︰4时，棉整理品的抗紫外、抗皱性能达到最佳。在后期整理的工艺中，当戊二醛交联剂质量浓度为12 g/L，轧余率为105%，焙烘时间为120 s，焙烘温度为130 ℃时，可使棉织物UPF和急弹、缓弹回复角提高到51.31和87.14°、106.53°。由此可知，整理后的棉织物抗皱和抗紫外性能都有较大的提高。

参考文献：

[1]方景芳.甲壳质及壳聚糖在纺织工业中的应用[J].中国纺织,2005(7):154-156.

FANG Jingfang. Application of chitin and chitosan in textile industry[J]. China Textile,2004(4):154-156.

[2]康贻军.壳聚糖的研究与开发进展[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版),2004,19(3):293-296.

KANG Yijun. Research and development progress of chitosan[J]. Journal of Inner Mongolia University for Nationalitles(Natural Sciences),2004,19(3):293-296.

[3]冯家好,李俊,程春娇.丝素蛋白对棉织物整理[J].丝绸,2007(1):31-33.

FENG Jiahao, LI Jun, CHENG Chunjiao. Cotton fabric treated by fibroin[J]. Journal of Silk,2007(1):31-33.

[4]洪学勤,傅师申,李振力.丝素蛋白在抗皱防缩整理中的应用[J].丝绸,2008(8):42-45.

HONG Xueqin, FU Shishen, LI Zhenli. Application of fibroin on the shrink-proof and wrinkle-resistant of finishing[J]. Journal of Silk,2008(2):42-45.

[5]高晓红,张瑞萍,王海峰,等.丝素整理剂的制备及在丝绸防皱整理中的应用[J].丝绸,2008(8):30-33.

GAO Xiaohong, ZHANG Ruiping, WANG Haifeng, et al. Preparation of silk fibroin finishing agent and its application in the silk fabrics crease- resistant finishing[J]. Journal of Silk,2008(8):30-33.

[6]LI W, ZOU L, ZHOU X, et a1. Surface dyeability of cotton and nylon fabrics coated with a novel porous silk fibroin/silica nanohybrid[J]. Journal of Applied Polymer Science,2007,106(3):1670-1676.

[7]张南哲.棉织物的纳米TiO2防紫外线整理[J].山东纺织科技,2007(5):50-52.

ZHANG Nanzhe. Nano TiO2anti-UV finishing of cotton fabrics[J]. Shandong Textile Science & Technology,2007(5):50-52.

[8]邓桦,杨丽,李秀明,等.纳米TiO2的抗紫外整理研究[C]//第6届全国印染后整理学术研讨会论文集.青岛:中国纺织工程学会染整专业委员会,2005:378-381.

DENG Hua, YANG Li, LI Xiuming, et al. Study for the ultraviolet resistance of Nano-TiO2[C]// The 6th Session of the National Printing and Dyeing Finishing Academic Papers. Qingdao: China Textile Engineering Society of Dyeing and Finishing Professional Committee,2005:378-381.

[9]蒋林豪,占超俊,王想.棉织物丝素/TiO2生态功能整理的研究[J].科学导报,2015(4):172.

JIANG Linhao, ZHAN Chaojun, WANG Xiang. Study on the ecological function of silk fibroin/TiO2[J]. Science Guide,2015(4):172.

[10]张玉芬,何建新,崔世忠,等.棉织物丝素/TiO2生态功能整理[J].纤维素科学与技术,2012,20(3):35-38.

ZHANG Yufen, HE Jianxin，CUI Shizhong, et al. Ecological function finishing cotton fabric by silk fibroin/titanium dioxide[J]. Journal of Cellulose Science and Technology,2012,20(3):35-38.

[11]张占浩,何建新,崔世忠.丝素整理棉织物技术[J].山东纺织科技,2010(1):11-13.

ZHANG Zhanhao, HE Jianxin, CUI Shizhong. Technology of silk fibroin finishing of cotton fabrics[J]. Shandong Textile Science & Technology,2010(1):11-13.

[12]KATA K, TSUZUKI A, HTAOD H, et al. Crystal structures of TiO2thin coatings prepared from the alkoxide solution via the dip technique affecting the photo catalytic decomposition of aqueous acetic acid[J]. Journal of Materials Science,1994,29:5911-5915.

DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2016.02.003

收稿日期:2015-09-12; 修回日期: 2015-12-28

基金项目:河南省科学技术厅软科学研究项目(142400411077)

作者简介:唐志娟(1982—)，女，讲师，主要从事服装结构设计与服装面料的研究。

中图分类号:TS195.2

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2016)02-0014-05引用页码: 021103

Study on influence of silk fibroin/TiO2composites on anti-wrinkle and anti-UV properties of cotton fabrics

TANG Zhijuan

(College of Information and Business, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China)

Abstract:This paper adopt anhydrous sodium carbonate and sodium hydroxide to treat the unprocessed silk fabric. Silk fibroin is got by degumming, swelling, degrading and other methods, and compounded it with nano-TiO2 particles. Besides, this paper analyzes the influence of different proportions of silk fibroin and TiO2 on anti-wrinkle property and anti-UV property of cotton fabrics and confirms the optimal silk fibroin/TiO2 compound. Finally, the best technological conditions such as the dosage of cross-linking agent, liquor detention, baking temperature and baking time were confirmed. The results show that when the mass ratio of fibroin and TiO2 is 15︰4, anti-wrinkle property and anti-UV property of cotton fabrics will achieve the top state; in the post-treatment process, the best mass concentration of glutaraldehyde cross-linking agent is 12 g/L; the best baking temperature is 130 ℃; the best baking time is 120 s and liquor detention is 105%.

Key words:silk fibroin/TiO2; mass ratio;cotton fabric finish; anti-wrinkle property; anti-UV property