N掺杂TiO2整理棉织物的制备及力学性能研究

沈 钊，段南华

（西安工程大学服装与艺术设计学院，陕西西安 710048）

在织物的生产过程中，利用表面修饰技术可以赋予织物特殊的功能，如光催化自清洁、抗紫外、抗菌、阻燃、抗皱、防油污、防缩水等［1-7］。在改性过程中，不仅需要赋予织物各种新功能，也需要关注决定织物寿命的力学性能。因此，研究织物的微观结构、纳米颗粒的添加及环境因素对织物力学性能的影响，对功能化织物的生产制造尤为重要［8］。近年来，利用纳米技术制备具有光催化自清洁能力的功能化织物得到了广泛应用。在制备光催化自清洁功能织物的过程中，通常需要利用 TiO2、SiO2、ZnO、MgO 和 Al2O3等纳米颗粒对织物表面进行修饰［9-12］。其中，TiO2纳米颗粒由于无毒、化学稳定性良好、成本低廉、效率高等优点，具有较好的应用前景［13］。但是，TiO2禁带宽度较大，仅能吸收太阳光中的紫外部分，N 掺杂可减小TiO2的禁带宽度，有效利用可见光，提升TiO2的光催化活性［14］。

溶胶凝胶法可以在较低温度下对织物进行表面改性，避免高温下织物性能的降低，是对织物进行表面改性的常用方法［15］。本实验利用原位溶胶凝胶法制备出N 掺杂TiO2（N-TiO2）整理棉织物，并利用拉力实验研究N 掺杂TiO2纳米颗粒、外界环境和拉伸速率等对整理后棉织物力学性能的影响，为进一步制备力学性能优良的TiO2光催化自清洁织物做准备。

1 实验

1.1 仪器与试剂

STM-150 拉力测试仪，VEGA-TESCAN 扫描电子显微镜（SEM），Philips 紫外灯（UV）；三乙胺（TEA），四异丙醇钛（TTIP），正丙醇，硝酸，去离子水，氨水。

1.2 N-TiO2整理棉织物的制备

配制95%正丙醇与5%四异丙醇钛溶液并加入去离子水，用硝酸调节pH=2，低温下搅拌12 h 后，加入TEA（TEA、TTIP和去离子水体积比为1.35∶1∶200），随后在超声均质机中均质10 min，得到混合溶液。选用200 g/m2的棉织物在氨水中净化20 min，用乙醇和去离子水冲洗干净，并用纯度为99.99%的氮气吹干。将棉织物浸没在盛有上述溶液的培养皿中，50 ℃下脱水10 h，置于150 ℃烘箱中5 min，得到N-TiO2整理棉织物。不添加TEA，采用同样的方法制备得TiO2整理棉织物。

1.3 拉力测试

选用拉力测试仪，利用ASTM D5350 方法测试棉织物条（25 mm×150 mm）的断裂强力和断裂伸长。将样品夹在拉力测试仪（负载为1 000 kg）上，逐步增加拉力，直到样品断裂，记录断裂时的拉力和样品的断裂伸长。在测试过程中，样品夹的压力及对位会对结果造成影响，当压力过大时，可能造成提前断裂，当压力过小时，在增加拉力的过程中，样品可能滑落。样品制备和测试过程中的环境温度为（20±2）℃，相对湿度为65%±2%。

2 结果与讨论

2.1 影响棉织物拉力的因素

2.1.1 整理方式

由图1 可以看出，经TiO2整理的棉织物断裂强力和断裂伸长分别由200 N 和15 mm 增加到215 N 和24 mm。在拉力增大的过程中，由于棉织物表面存在TiO2颗粒，纤维之间的作用力增强，断裂强力和断裂伸长增大。相比TiO2整理后的棉织物，N-TiO2整理后棉织物的断裂强力增加到225 N，两种整理方式的差异可能归因于制备的溶液不同，在棉织物整理过程中的 pH 和纳米颗粒尺寸不同［16］。

图1 棉织物的力学性能

2.1.2 测试环境

将样品浸泡在水中至完全湿润，取出后2 min 内完成拉力测试，研究潮湿环境下棉纤维的力学性能；将样品在紫外灯下照射45 min 后完成拉力测试，研究紫外照射对棉织物力学性能的影响。

如图2 所示，所有棉织物在湿润环境下的断裂强力和断裂伸长均大于干燥环境和紫外照射。这是由于在湿润环境下，水扩散到纤维的界面区，和棉纤维形成了半复合结构，提升了界面的剪切强度；高能量的紫外照射后，棉织物的力学性能下降，这主要是由于部分纤维在紫外光照射下发生分解，造成断裂强力和断裂伸长减小。

图2 未整理（a）、TiO2整理（b）、N-TiO2（c）整理棉织物在不同环境下的力学性能

为了更好地研究环境对棉织物力学性能的影响，对比了干燥/潮湿环境及干燥/紫外环境下棉织物的断裂强力和断裂伸长。如图3、图4 所示，在潮湿环境下，棉织物的力学性能相差不大，均好于干燥环境下的力学性能，其中，未整理棉织物在干燥环境下力学性能下降最快，远高于TiO2和N-TiO2整理棉织物，这说明水分对未整理棉织物力学性能的影响较大，而TiO2和N-TiO2整理棉织物更能适应周边环境。在干燥环境下，紫外光照射后，相比未整理和TiO2整理棉织物，N-TiO2整理棉织物仍能保持较高的断裂强力，这是由于N-TiO2能够吸收更多的紫外光，从而减少棉织物自身的分解。

图3 棉织物在干燥/潮湿环境下的力学性能

图4 棉织物在干燥/紫外环境下的力学性能

2.1.3 拉伸速率

TiO2和N-TiO2整理棉织物在不同拉伸速率下的力学性能见图5。

图5 TiO2(a)和N-TiO2(b)整理棉织物在不同拉伸速率下的力学性能

如图5 所示，当拉伸速率为50 和100 mm/min 时，TiO2和N-TiO2整理棉织物均具有较好的断裂强力和断裂伸长，这是因为拉伸速率低时，纤维都能充分延伸。在300 mm/min 时，棉织物的断裂强力和断裂伸长最小，这是由于拉伸速率过大，部分脆弱的纤维未伸长就发生了断裂。相比TiO2整理棉织物，N-TiO2整理棉织物具有更大的断裂伸长，说明N-TiO2整理棉织物更能适应快速拉伸，不易被冲击破坏。

2.2 棉织物表面形貌及成分分析

如图6 所示，相比未整理棉织物，TiO2整理棉织物表面因覆盖有颗粒物而变得粗糙，织物内部之间的作用力变大，因此，在干燥、潮湿和紫外照射环境下都具有更大的断裂强力和断裂伸长。N-TiO2整理棉织物表面颗粒物更加明显，这些颗粒物增大了拉伸过程中的摩擦力，能够为纤维提供更强的相互作用，使棉纤维具有更好的力学性能。由图6d 可知，纤维的断裂过程是先拉伸再断开，这与金属材料的脆性-韧性断裂机理一致。由表1 可以看出，TiO2整理棉织物的含氮量为0.14%，N-TiO2整理棉织物增加到0.35%，说明氮元素成功地掺杂到TiO2纳米颗粒中。

图6 未整理(a)、TiO2整理(b)、N-TiO2整理(c)及N-TiO2整理棉织物断裂处(d)的SEM 图

表1 TiO2整理和N-TiO2整理棉织物的主要元素组成表

3 结论

（1）当棉织物表面覆盖纳米颗粒后，断裂强力增大，N 掺杂TiO2整理棉织物表面更加粗糙，具有明显的颗粒物，粗糙结构增加了纤维的摩擦力，为纤维提供了更强的相互连接力，从而使棉织物具有更大的断裂强力和断裂伸长。

（2）棉织物在潮湿环境下的断裂强力和断裂伸长均优于干燥环境，紫外照射会降低纤维的断裂强力。

（3）快速拉伸纤维时，部分纤维未伸长就发生了断裂，从而导致纤维的断裂强力减小，N 掺杂TiO2整理棉织物快速拉伸时仍具有较大的断裂强力。

（4）SEM 图片表明，纤维断裂过程包括纤维拉伸和断开两步，这与金属材料的脆性-韧性断裂机理一致。