纳米氧化铝锌在棉织物隔热整理中的应用

乔巨涛，张维，张宝剑，王硕，杨文秀

（河北科技大学纺织服装学院，河北石家庄050018）

随着生活水平的提高，人们对纺织品的要求不仅局限于能够御寒保暖，而且还要求具有一定的特殊功能，包括防水、阻燃、抗紫外、抗菌、隔热等。隔热纺织品可以广泛应用于遮阳伞、帐篷等夏季户外防护面料，能够有效阻挡太阳光，在炎炎夏日给人们送去凉爽。当太阳光照射到纺织品表面时会发生吸收、透过、反射等现象。其中对反射型隔热材料研究最多，作用机理是反射可见光和近红外光区的辐射能[1]。

纳米无机颜料ZnO、TiO2、CeO2、SnO2具有较大的折射率，能有效屏蔽近红外区域的太阳光（780～2 600 nm），并对紫外线区域具有较强的吸收能力，可以作为优良的隔热和防紫外线材料[2-3]。王科林等[4]制备了纳米TiO2聚氨酯复合涂层织物，织物具有优良的隔热性能和机械性能。Xiao等[5]采用溶胶-凝胶法制备TiO2/SiO2壳核结构的复合涂料，并将此涂料加入到涂层中，能够有效提高涂层的隔热性能。

纳米氧化铝锌（AZO）相比氧化锌具有更高的光谱选择性，可以作为燃料电池的抗反射涂层，能够有效屏蔽近红外线[6-9]。Soumya等[10]制备出AZO与聚丙烯酸甲酯复合涂料，并应用于玻璃表面涂层中，结果证明涂层具有较强的自清洁以及红外屏蔽性能。涂层能够屏蔽波长为363～1 100 nm的光，并能够提高红外反射率，经2%AZO涂饰的玻璃表面，辐射温度可以降低9.3℃。此外，经涂饰后的玻璃表面具有抗划伤和防冻功能。Zhang[11]等通过沉淀法合成AZO纳米花和纳米棒，并将其混入聚丙烯酸酯涂层中，制备出具有隔热性能的复合涂层。

本实验通过研究纳米AZO的制备条件，制备出平均粒径在300 nm以下的AZO分散液，并对纯棉织物进行整理，获得附着AZO的纯棉织物。对织物表面形态、XRD、红外透过率以及隔热性能进行表征，制备出能够有效屏蔽太阳光的隔热纺织品。

1 实验

1.1 材料和仪器

织物：15 tex×15 tex，461根/10 cm×441根/10 cm纯棉斜纹织物。药品：二水醋酸锌[Zn（CH3COO）2·2H2O]、九水硝酸铝[Al（NO3）3·9H2O]、氢氧化钠（NaOH）、氨水（NH3·H2O）（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司），无水乙醇（天津市科密欧化学试剂有限公司），聚乙二醇300（广东光华科技股份有限公司），分散剂SN5040（台湾中亚化学有限公司）。实验用水均为去离子水。仪器：S-4800场发射扫描电子显微镜（日本日立公司），D/MAX-2500 X射线衍射仪（日本Rigaku公司），LS-609激光粒度仪（珠海欧美克仪器有限公司），UV3600紫外-可见-近红外分光光度计（日本岛津公司），YG（B）026H电子织物强力机（温州大荣纺织仪器有限公司），WSD-2型数显白度仪（上海平轩科学仪器有限公司）。

1.2 负载纳米AZO织物的制备[10]

1.2.1 纳米AZO分散液的制备

称取4.25 g乙酸锌和0.225 g硝酸铝溶于200 mL去离子水中，加入10 mL聚乙二醇300，用1 mol/L氢氧化钠溶液调节pH=10.0～10.5，搅拌4 h。合成的AZO前驱体溶胶通过离心分离，蒸馏水洗涤数次，最后一次用乙醇洗涤，80℃烘24 h。烘干后的粉末用马弗炉在500℃下煅烧1 h，得到纳米AZO淡黄色粉末。

将6 g纳米AZO分散于200 mL水中（质量分数为3%），加入3滴分散剂SN5040，超声分散30 min，球磨6 h，得到淡黄色纳米AZO分散液。

1.2.2 纳米AZO涂层整理工艺

二浸二轧（轧液率60%～70%）→预烘（80℃，5 min）→焙烘（120℃，3 min）。反复浸轧烘干3次，得到附有AZO的棉织物。

1.3 测试

表观形态：采用场发射扫描电子显微镜观察。

粒径：采用激光粒度仪测定。

XRD：采用X射线衍射仪进行表征，CuKα射线，波长λ=1.541 8Å，扫描范围5°～90°。

透过率：采用紫外-可见-近红外分光光度计进行测定。

白度：采用数显白度仪测定。将织物折叠4层，在不同部位测量4次，取平均值。

隔热性能：采用自制隔热装置（如图1所示，箱体为聚苯乙烯泡沫，箱体内腔大小为26 cm×18 cm×15 cm，箱体上方开口14 cm×12 cm，并均分为4块区域，将碘钨灯置于聚苯乙烯泡沫箱上方30 cm处）测试，织物置于箱体开口的上方，温度探头置于箱底，打开碘钨灯，箱体内温度随时间延长而升高，每隔5 min记录一次温度，直到达到平衡。

图1 隔热装置示意图

2 结果与讨论

2.1 纳米AZO颗粒的组成和结构

从图2中可以看出，纳米AZO的X射线衍射峰与ZnO标准卡片（JCPDS No.36-1451）一致，这些衍射峰与 标 准ZnO（100）、（002）、（101）、（102）、（110）和（103）晶面相对应，说明铝掺杂没有形成新的物相。

图2 纳米AZO XRD图

2.2 纳米AZO分散液的性能

2.2.1 分散性能

取3%的纳米AZO分散液置于10 cm试管中，静置一定时间，测定上层清液高度。记录放置不同时间后上层清液高度，结果见表1。

表1 纳米AZO沉降性能

由表1可以看出，经过球磨分散的纳米AZO分散液沉降72 h后上层清液为2.1 cm，具有一定的分散稳定性。

2.2.2 粒径

由图3可以看出，经过球磨后的AZO颗粒分布比较均匀，颗粒粒径大部分分布在161～1 725 nm，平均粒径为282 nm。

图3 纳米AZO分散液粒径分布图

2.3 表征

2.3.1 扫描电镜

由图4可知，织物表面被纳米颗粒均匀覆盖，在高温焙烘下纳米颗粒团聚成膜。

图4 棉织物整理前（a）后（b）的扫描电镜图

2.3.2 XRD

由图5可知，在22.8°处极强的衍射峰对应纤维素纤维的（200）晶面，而14.8°和16.6°分别对应（110）晶面的反射峰和衍射峰[12]。经过整理后，在31.8°、34.5°、36.3°处出现3个较强的衍射峰，分别对应AZO（100）、（002）、（101）晶面，证明纳米AZO覆盖在棉织物表面。

图5 纳米AZO整理前（a）后（b）棉织物的XRD图

2.3.3 隔热性能

由图6可知，以未整理的棉织物作为隔热层，60 min照射后箱底温度为74.7℃；以1%AZO整理的棉织物作为隔热层，箱底温度为74.1℃，具有一定的隔热效果。棉织物的隔热效果随AZO质量分数增加而增强。经3%AZO整理的棉织物可使箱底温度降至70.4℃，比未整理棉织物低4.3℃。继续增加AZO质量分数，隔热效果增加不明显，这可能是因为整理液质量分数过高影响纳米颗粒在织物表面的附着。

图6 AZO整理棉织物铝板温度随时间的变化曲线

由图7可知，经过AZO整理后棉织物对190～2 600 nm范围内的辐射都有较好的屏蔽效果，尤其是紫外线部分（190～400 nm），透过率基本为零，从而证明整理后的棉织物不仅拥有优良的隔热效果，还具有极强的抗紫外能力。

图7 棉织物整理前（a）后（b）的透过率曲线图

2.4 织物性能

如表2所示，经过AZO整理的棉织物经纬向断裂强力会有一定程度的下降，但降低幅度不大；由于纳米AZO经煅烧后发黄，因此整理后的织物白度降低，由75.1降为65.2。

表2 整理前后织物的性能

3 结论

（1）采用共沉淀法成功制备出纳米氧化铝锌粉体（AZO），通过球磨分散制备出质量分数为3%、平均粒径为282 nm的纳米AZO分散液。

（2）采用3%AZO整理的棉织物能够有效地降低布下温度4.3℃，具有优良的隔热效果，并且具有抗紫外功能。经整理后，织物白度和断裂强力均有一定程度的下降。