负载焦硅酸银自清洁棉织物的制备及性能

陈海家，王 矿，2，蒋文雯，2，朱裕平，姜雨淋，祁珍明，高大伟，任 煜，2，王春霞，2

（1.盐城工学院纺织服装学院，江苏盐城 224051；2.南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019）

减少洗涤次数可保持衣物的穿着舒适性和美观度，还可达到节能、节水和环境友好的目的，因此，研究与开发自清洁织物备受人们的关注[1-2]。目前，织物的自清洁性能主要通过超疏水化表面和光催化自清洁两种技术实现。其中，光催化自清洁技术是将具有光催化效应的颗粒负载到织物上[3]实现织物自清洁。二氧化钛由于具有良好的光催化活性、无毒、生物相容性好以及价格低廉易得等优点而广泛用于制备光催化自清洁织物。但二氧化钛因禁带宽只能被紫外光激发，因此，二氧化钛只能使用一小部分太阳能，导致光催化降解率较低，限制了实际应用。在当前能源危机日趋严峻的形势下，利用可见光催化剂开发自清洁织物势在必行[4-6]。一种新型的可见光催化剂焦硅酸银几乎在整个可见光范围（小于740 nm）内都具有较强的光催化活性[7]。目前关于利用焦硅酸银制备自清洁织物尚未见文献报道。本研究以九水合偏硅酸钠和硝酸银为原料，通过原位沉积法将焦硅酸银负载到棉织物上，探讨棉织物负载焦硅酸银前后晶相、形貌、化学成分和光吸收等的变化；以亚甲基蓝为降解对象，在可见光下研究棉织物的自清洁性能及耐久性。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：棉织物（南通伟腾纺织品有限公司）；3-氨基丙基三乙氧基硅烷（不小于98%），九水合偏硅酸钠、硝酸银和无水乙醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

仪器：EA1004N电子天平（上海浦春计量仪器有限公司），JB-3定时双向磁力恒温搅拌器（金坛市金分仪器有限责任公司），常温振荡式小样染色机（上海瀚而祥机电设备有限公司），SD101-1电热鼓风干燥箱（南通金石实验仪器有限公司），X′Pert PRO型X射线多晶衍射仪（荷兰帕纳科公司），JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜（日本JEOL电子公司），DUV-3700型深紫外-可见分光光度计（日本岛津公司）。

1.2 棉织物的预处理

蒸馏水和无水乙醇按体积比1∶1混合后得到乙醇溶液，然后加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷5%（对乙醇水溶液质量），50℃振荡60 min得到溶胶。将洗涤干燥后的棉织物浸泡于溶胶中，振荡120 min，取出轧压（轧余率为95%），100℃烘30 min，165℃焙烘4 min，去离子水清洗，60℃烘干得到改性棉织物。

1.3 负载焦硅酸银自清洁棉织物的制备

称取0.568 g九水合偏硅酸钠加入到60 mL去离子水中；称取1.02 g硝酸银加入到40 mL去离子水中。分别避光磁力搅拌30 min至完全溶解，得到偏硅酸钠溶液和硝酸银溶液。先将0.5 g改性棉织物浸泡在硝酸银溶液中，避光振荡60 min；然后用胶头滴管将偏硅酸钠溶液逐滴滴加到硝酸银溶液中，继续避光振荡120 min；最后取出织物清洗，60℃烘干，得到负载焦硅酸银棉织物。

1.4 表征

采用X射线多晶衍射仪分析棉织物晶相结构。采用扫描电子显微镜及X射线能谱仪观察和分析织物表面形貌和化学组成。采用深紫外-可见分光光度计绘制棉织物紫外-可见光谱。

1.5 测试

在可见光照射下测定棉织物对亚甲基蓝溶液的降解率。首先将0.5 g棉织物剪成小块，放入盛有亚甲基蓝溶液（30 mg/L，100 mL）的烧杯中，避光磁力搅拌30 min，然后放在氙灯光源下照射，每隔5 min吸取10 mL溶液在1 000 r/min下离心3 min，吸取上层清液，使用紫外-可见分光光度计测定最大吸收波长下对应的吸光度，根据下式计算棉织物对亚甲基蓝溶液的降解率：

式中，A0和At分别为降解前和降解t分钟后亚甲基蓝溶液的吸光度。

进行多次洗涤，继续重复光降解实验3次，测试自清洁性能的耐久性。

2 结果与讨论

2.1 XRD

根据XRD的标准卡可知，纤维素和焦硅酸银的特征峰分别出现在2θ=14.4°、16.4°、22.6°和33.9°处与2θ=34.0°处。由图1可看出，棉织物XRD谱图中的特征峰与标准卡一致；负载焦硅酸银的棉织物在2θ=14.4°、16.4°、22.6°和34.0°处出现特征峰，在2θ=34.0°处的特征峰变宽、变弱。这是由于棉织物上负载了颗粒较小、结晶度较低的焦硅酸银[7]，说明焦硅酸银成功负载到棉织物上。

图1 棉织物(a)、负载焦硅酸银棉织物(b)的XRD谱图

2.2 SEM+EDS

由图2可知，棉织物表面光滑，负载焦硅酸银后棉织物表面布满很多纳米颗粒，纳米颗粒分散比较均匀，大部分颗粒的平均直径为100 nm左右，较小的颗粒有利于吸附污染物，促进光降解反应；另外，少部分颗粒发生了团聚，形成直径为400～500 nm的较大颗粒。

图2 棉织物(a)、负载焦硅酸银棉织物(b)的FESEM照片

由图3和表1可知，负载焦硅酸银棉织物表面增加了银和硅元素，进一步证明了焦硅酸银成功负载到棉织物上[8]。

图3 棉织物(a)、负载焦硅酸银棉织物(b)的EDS谱图

表1 棉织物表面化学元素及其质量分数

2.3 紫外-可见光谱

由图4可知，棉织物基本不吸收光，而负载焦硅酸银棉织物对350～750 nm内的紫外可见光有一定的吸收[9-10]。这说明负载焦硅酸银棉织物在可见光照射下具有自清洁性能。

图4 棉织物(a)、负载焦硅酸银棉织物(b)的UV-Vis DRS谱图

2.4 自清洁性能

由图5可知，棉织物对亚甲基蓝溶液的降解率几乎为零；而负载焦硅酸银棉织物对亚甲基蓝溶液的降解率随光照时间的延长而增加，当光照时间为60 min时，降解率达83%，说明负载焦硅酸银棉织物在可见光照射下具有自清洁性能[11]。

图5 棉织物(a)、负载焦硅酸银棉织物(b)对亚甲基蓝溶液的降解率

由图6可知，随着重复利用次数的增加，负载焦硅酸银棉织物对亚甲基蓝溶液的降解速率及降解率逐渐降低；重复利用3次后，降解率仍可达80%左右。因此，负载焦硅酸银棉织物的自清洁性能具有一定的耐久性，可重复利用。

图6 负载焦硅酸银棉织物对亚甲基蓝溶液不同重复次数的降解率

3 结语

采用原位沉积法成功制备了负载焦硅酸银自清洁棉织物。在可见光照射下，负载焦硅酸银棉织物具有较好的自清洁性能，多次洗涤、重复使用后，仍能保持良好的自清洁效果。