纯棉针织物的纳米抗紫外整理

杨豆豆,孟家光,白亚琴,涂 莉

(1.西安工程大学 陕西省2011产业用纺织品协同创新中心,陕西 西安710048;2.西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安710048)

0 引 言

近年来,随着氟里昂氯烷类物质(CIFC)的过度使用以及日益严重的工业大气污染,地球的保护圈——大气臭氧层越来越薄,地球表面的太阳紫外线辐射量明显增加,直接危害着人类的健康[1-2]。纺织品作为人们日常生活的必需品,对其进行抗紫外线功能性整理成为研究热点[3-4]。纯棉针织物因性能优良成为使用最广的服装面料,但在紫外线波长280～400 nm范围内,它的紫外线辐射透过率较高,导致其抗紫外性能很差[5],因此对纯棉针织物进行抗紫外整理具有重要意义[6]。

目前常用的有机类紫外线吸收剂,耐久性较差,且不同程度地存在着毒性或刺激性[7-8];无机类紫外屏蔽剂容易出现团聚、难以分散、效果不持久等弊端。随着纳米技术的兴起,新型无机抗紫外剂应运而生,抗紫外效果和各方面性能都优于粉体级抗紫外剂[9],且具有较好的化学稳定性和热稳定性。其中纳米TiO2具有较高的光催化活性、良好的耐气候性和较强的紫外线屏蔽能力[10],同时化学性能稳定、无毒[11-12],被广泛应用在化妆品、服饰、塑料薄膜、涂料、精细陶瓷及催化剂等领域[13]。纳米SiO2作为一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料,粒径小,比表面积大,表面吸附能力强,表面能大,化学纯度高,分散性能好[14],具有极强的紫外反射与吸收、红外反射等特性,添加到织物中能达到抗紫外和保健的作用,同时还增加了织物的隔热性、耐磨性[15]。无机氧化物涂膜整理是使织物获得抗紫外性能的途径之一,其中溶胶-凝胶技术是最简单的方法[16],其操作简便且整理效果好。

基于纳米TiO2和纳米SiO2的优良性能,本文采用溶胶-凝胶技术,以钛酸正四丁酯为前驱物,制得纳米TiO2溶胶;以正硅酸乙酯为前驱物,制得纳米SiO2溶胶;再将纳米TiO2溶胶和纳米SiO2溶胶按2∶1的比例配置成纳米TiO2/SiO2复合溶胶，对纯棉针织物进行抗紫外整理,研究织物整理前后的抗紫外效果、耐水洗性及服用性。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料 19.6 tex单纱织造的本白纯棉纬平针圆机织物,织物规格为20 cm×20 cm,横密为62行/5 cm,纵密为82列/5 cm。

1.1.2 试剂 钛酸正四丁酯(TEOT)(C16H36O4Ti,化学纯,中国医药(集团)上海化学试剂公司)；正硅酸乙酯(TEOS)(C2H5)4SiO4,化学纯,西安化学试剂厂)；三乙醇胺(C6H15NO3，分析纯,蚌埠新科试剂厂)；无水乙醇(分析纯,西安三浦化学试剂厂)；氨水(分析纯,西安三浦精细化工厂)；冰醋酸(分析纯,西安化学试剂厂)；去离子水。

1.1.3 仪器 JJ-1型增力电动搅拌器(常州国华精密仪器厂);85-2型恒温磁力搅拌器(上海浦东光学仪器厂);CQ-25-6B型超声波清洗器(上海新超超声波仪器有限公司);电热恒温水浴锅(上海医疗器械五厂);YMPO-01S-8型手动手摇小轧车(莱州元茂仪器有限公司);101C-2B型电热鼓风干燥箱(上海实验仪器总厂);CARY50型紫外-可见-近红外分光光度计(美国瓦里安公司);YG(B)026D-500型电子织物强力机(温州大荣纺织标准仪器厂)；YG(B)871型毛细管效应测定仪(温州大荣纺织标准仪器厂)；Y561织物透气性测试仪(宁波纺织仪器厂)；SW-12型A耐洗色牢度试验机(无锡纺织仪器厂)。

1.2 方法

1.2.1 纳米氧化物溶胶的制备 1) 在室温下,将0.1 mol的钛酸正四丁酯和3 mol的无水乙醇放入烧杯中混合,在恒温磁力搅拌器下搅拌20 min使前驱物充分溶解,并在搅拌的过程中加入0.1 mol三乙醇胺作为稳定剂,记为A溶液;取1.5 mol的无水乙醇、4 mol的去离子水和0.08 mol的催化剂冰醋酸均匀混合,记为B溶液;将B溶液缓慢滴入A溶液中,搅拌1 h使混合液均匀,密封保存一定时间得到稳定的纳米TiO2溶胶[17]。

2) 在室温下,将1 mol的无水乙醇与0.1 mol的正硅酸乙酯充分混合配制成C溶液;再将1.5 mol的去离子水与0.06 mol的氨水充分混合配制成D溶液。在一定温度下剧烈搅拌D溶液，并将其缓慢滴加到C溶液中,滴加完后继续搅拌一定时间,使正硅酸乙酯充分水解。最后密封保存在广口瓶中,一段时间后得到稳定的纳米SiO2溶胶[18]。

3) 在室温下,将制备好的纳米TiO2溶胶和纳米SiO2溶胶按2∶1的体积比缓慢加入三口烧瓶中,在加入的过程中使用恒温磁力搅拌器进行搅拌,待两者滴加完全后,使用恒温磁力搅拌器继续搅拌2 h。为了确保纳米TiO2溶胶和纳米SiO2溶胶充分混合,再将三口烧瓶移至超声波清洗器中进行超声分散处理,处理时间为1 h,最终得到纳米TiO2/SiO2复合溶胶。

1.2.2 纯棉针织物纳米抗紫外整理工艺 首先对经过前处理的纯棉针织物进行称重,采用1∶20的浴比分别量取一定的纳米TiO2溶胶、纳米SiO2溶胶和纳米TiO2/SiO2复合溶胶放入烧杯中,并将织物分别浸入整理液中。将烧杯放入电热恒温水浴锅中升温至40 ℃,保温30 min;随后将织物取出,使用小轧车对织物进行压轧,使整理剂充分进入纤维,同时去除织物表面多余的整理剂。最后将整理后的织物分别放入电热鼓风干燥箱中,在80 ℃下预烘20 min,120 ℃下焙烘5 min取出。

2 性能测试

2.1 紫外光透过率

参照GB/T 17032—1997《纺织品织物紫外线透过率的试验方法》,采用CARY50型紫外可见分光光度计对织物整理前后的紫外光透过率进行测试。

2.2 耐久性

根据JIS洗涤方法[19]对整理后的“纳米抗紫外纯棉针织物”进行0、10、20和30次洗涤,测试整理后织物的抗紫外线耐久性。

2.3 织物白度

参照GB/T 8424.2—2001《纺织品 色牢度试验 相对白度的仪器评定方法》,分别剪取规格为5 cm×5 cm的原样和整理样各5块,采用思维士电脑测色配色系统V2000对织物整理前后D65光源10°视角下的CIE白度进行测试。将未经过水洗的原样、整理样和经过1次水洗的整理样折叠成4层放在透孔处进行5次测量,取平均值。

2.4 织物顶破强度

参照GB/T 19976—2005《纺织品顶破强力的测定-钢球法》,分别剪取直径为60 mm的原样、整理样圆形试样各5块,采用YG(B)026D-500型电子织物强力机对织物整理前后的顶破强度进行测试。每种试样分别测试5次,取平均值。

2.5 织物吸湿性

参照GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定第1部分:单项组合实验法》和FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》,采用YG(B)871型毛细管效应测定仪对织物整理前后的吸湿性进行测试。分别剪取规格为5 cm×20 cm的原样、整理样经向和纬向各5块。将仪器先预热30 min,温度设定为27 ℃,水槽中加水2 500 mL。预热过后,将水温上升到27 ℃。将布条挂在架子上,调节垂直标尺的0刻度线与水面平齐,开始计时,30 min后,测出织物吸湿水位上升的高度。经向和纬向各测试5次,取其平均值。

2.6 织物透气性

参照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测试》,采用Y561织物透气性测试仪对织物整理前后的透气性进行测试。分别剪取规格为20 cm×20 cm的原样、整理样各10块,选择8 mm的锐孔孔径,设定相关参数,在测试界面下初始化气压传感器,压紧试样手柄,开始测试。达到设定压差时,仪器自动换算出测试结果并停止测试。原样和整理样各测试10次,取其平均值。

3 结果与讨论

3.1 透过率

采用CARY50型紫外可见分光光度计对原样、纳米SiO2溶胶整理样、纳米TiO2溶胶整理样、纳米复合溶胶整理样进行紫外光透过率测试,其测试结果如图1所示。

从图1可以看出:在3个整理样中,使用纳米SiO2溶胶整理的布样,其紫外光透过率较高;使用纳米TiO2溶胶整理的布样,其紫外光透过率次之;使用纳米复合溶胶整理的布样,其紫外光透过率最低。相对于纯棉针织物原样而言,经过这3种纳米溶胶整理的织物都具有较好的抗紫外性能。这主要是因为纳米溶胶充分浸入到织物的纤维间,填补了纤维和纱线间的空隙,随着溶剂受热挥发会在织物表面形成致密且连续性的薄膜[20]；同时纳米SiO2具有极强的紫外光反射与吸收特点[21],纳米TiO2具有较高的紫外线屏蔽能力[22],而纳米复合溶胶综合了两者的抗紫外特性,在UVB范围内紫外光平均透过率为0.28%,在UVA范围内为0.78%,显示出优异的抗紫外能力。

3.2 耐久性

将经过纳米复合溶胶整理的纯棉针织物水洗0、10、20、30次,和原样进行紫外光透过率对比,其测试结果如图2所示。

从图2可以看出:织物洗涤10、20、30次,其在UVB范围内的紫外光透过率稍有上升，但是变化不大。与整理样水洗0次相比,差率最高为4.87%。说明纳米溶胶在纯棉针织物上具有稳定的牢度。在UVA范围内,随着洗涤次数的增加,紫外光透过率呈现缓慢增加趋势,特别是在340 nm之后,透过率与洗涤次数呈正相关性。紫外光透过率出现升高的原因是经过水洗,纳米溶胶在织物表面形成的致密薄膜有所损伤,纤维与纱线间隙增大,使得部分紫外光透过。参照GB/T 18830—2009《纺织品防紫外线性能的评定》可知,总体紫外光透过率较低,经纳米复合溶胶整理的织物在水洗30次后仍具有优良的抗紫外性能。

3.3 织物白度

经纳米复合溶胶整理前后织物白度值变化如表1所示。

表 1 整理前后织物白度测试Tab.1 Fabric whiteness test before and after finishing %

从表1可以看出:经过抗紫外整理后,织物的白度有所下降。整理样未水洗时,白度下降约6.6%;经过1次水洗后白度有所提高,但仍较原样下降约5.2%。这主要是因为使用纳米复合溶胶对纯棉针织物进行抗紫外整理时,加热及高温烘焙均会使纯棉针织物产生泛黄现象,但纳米TiO2溶胶本身具有增白的作用[23],且水洗在一定程度上减少了纯棉针织物表面复合溶胶的含量及少量黄渍,最终使得TiO2/SiO2复合溶胶整理的织物白度下降较少。总而言之,织物的白度变化不明显,对织物的感官视觉效果影响较小。

3.4 织物顶破强度

经纳米复合溶胶整理前后织物顶破强度变化如表2所示。

表 2 整理前后织物顶破性测试Tab.2 Testing of fabric breakage before and after finishing

从表2可以看出：织物整理前后的断裂强力出现小幅度的下降。原样断裂强力平均值为228.2 N,整理样断裂强力平均值为220.2 N,下降了3.51%;平均伸长率降低1.0%;平均断裂功下降0.162 8 N·m。这是因为经纳米复合溶胶整理后的织物经历焙烘时,高温处理会破坏纤维的内部结构[24],从而使纤维强力受到了一定程度的损伤。但由于焙烘时间短,影响不大,强力值稍有下降,可忽略对织物服用性能的影响。

3.5 织物吸湿性

经纳米复合溶胶整理前后织物吸湿性变化如表3所示。

表 3 整理前后织物吸湿性测试Tab.3 Moisture absorption test before and after finishing

从表3可以看出:无论是经向还是纬向,整理前后织物吸湿性均呈下降趋势,平均下降约8%,对织物的服用性能会造成一定程度的影响,但相对较小。织物吸湿性下降的原因是经过纳米复合溶胶整理后,整理剂浸入纤维间隙,并在棉纤维表面形成了一层干凝胶膜,这层干凝胶膜在一定程度上影响了棉纤维大分子上的羟基与环境中水分的直接接触[25-26],且这层干凝胶膜填补了纤维表面的凹槽,使纤维表面毛刺减少。

3.6 织物透气性

经纳米复合溶胶整理前后织物透气性变化如表4所示。

表 4 整理前后织物透气性测试Tab.4 Air permeability test of fabric before and after finishing 单位：L·(m2·s)-1

从表4可以看出:原样的透气性为505.5 L·(m2·s)-1,整理样透气性为492.3 L·(m2·s)-1。整理前后织物透气量稍有下降,平均下降约2.6%,变化不大。这主要是因为经纳米复合溶胶整理后的织物表面形成了一层干凝胶膜,部分纳米复合溶胶填充了织物中微小的空隙,限制了气流的通过,使得整理后织物的透气量略有下降[27]。

4 结 论

1) 经纳米复合溶胶整理后的纯棉针织物具有更好的抗紫外效果,在UVB范围内紫外光平均透过率为0.28%,在UVA范围内为0.78%,且水洗30次后,抗紫外性能依然良好。

2) 经纳米复合溶胶整理后,纯棉针织物的白度、断裂强力、平均伸长率、平均断裂功均有下降;织物吸湿性、织物透气量也稍有下降，但对织物的服用性能影响较小,基本上保持了织物原有的风格和性能。