引言
近年來,由于工業(yè)的快速發(fā)展,致使大氣層中的臭氧層遭到嚴重破壞,紫外線輻射增加。有專家認為,過量的紫外線輻射引起各種皮膚病甚至皮膚癌等疾病,增加白內(nèi)障的發(fā)病率[1]。服裝在穿著過程中會沾染許多汗液等皮膚分泌物及環(huán)境中的污物,在潮濕的條件下,為各種微生物的繁殖提供了良好的環(huán)境。病菌在服裝紡織品上不斷繁殖和分解,使人們受到微生物的侵蝕,也會導致皮炎及其他疾病的發(fā)生而損害健康。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高,穿著健康是人們對于紡織業(yè)提出的新要求。目前,服裝面料市場對具有多功能性產(chǎn)品的需求日益增多,如面料不僅需要具備拒水拒油功能,還要具有抗紫外線、抗菌功能等。據(jù)國內(nèi)外文獻中介紹,納米ZnO具有很好的抗紫外效果,并對大腸桿菌,黑曲霉菌,褐青霉菌等都具有較強的抵抗力,而且不會影響織物的其他性能。
納米ZnO由于其尺寸小到1~100 nm之間,具有許多特殊的性能,如量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等,且對人體無傷害。納米ZnO除了具有傳統(tǒng)的抗菌作用外,由于具有顆粒小,表面活性強,分散性好等特點,對普通的細菌,霉菌具有更強的抑菌性。且具有很好的紫外光屏蔽功能。已成為21世紀功能材料領域的研究熱點。
目前制備納米ZnO的方法主要有固相法、液相法和氣相法。液相法的制備形式多樣,備受人們重視。其中溶膠-凝膠法反應溫度低,反應過程易于控制,所得顆粒粒徑小、純度高且粒度分布窄,應用廣泛。本研究擬改進溶膠-凝膠法制備納米ZnO。通過浸軋工藝將其整理到織物上,并對整理后織物的抗紫外、抗菌等服用性能進行了研究。
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4 2機理
2.1抗紫外機理
當納米ZnO顆粒粒徑小于100 nm時,其禁帶寬度增加到4.5 eV(相當于大部分紫外光的能量),使得納米ZnO吸收紫外線能力強。這是由于納米ZnO具有量子尺寸效應,對特定波長的光吸收帶有藍移現(xiàn)象,對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米ZnO的紫外線吸收性能就是利用這兩個特性,因此納米ZnO在較寬的紫外范圍內(nèi)有較強的屏蔽作用。
2.2抗菌機理
傳統(tǒng)的ZnO也具有抗菌性能,可用金屬離子溶出機理解釋,游離出來的鋅離子具氧化還原性,并能與有機物(硫代基、羧基、羥基)反應,與細菌細胞膜及膜蛋白結合,破壞其結構使其失去活性,從而達到抗菌的目的。其抗菌能力也與其表面的空穴數(shù)量有關,當其表面具有盡可能多的空穴時,就會產(chǎn)生更多的電子,同時空位也可直接參與反應,使其具有更高的殺菌性能。納米ZnO顆粒由于粒子粒徑達到納米級,除具有傳統(tǒng)ZnO的抗菌作用外,可用光催化機理解釋。它具有納米粒子特有的表面界面效應,可增加ZnO與細菌的親和力,提高抗菌效率。在紫外光照射下,價帶中的電子會激發(fā)到導帶,形成自由移動的帶負電的電子(e-)和帶正電的空穴(h+),可以激活水和空氣中的氧為活性氧,活性氧具有強化學性,能與細菌中的有機物發(fā)生氧化還原反應而殺死細菌,納米ZnO的抗菌機理為兩種機理共同作用結果,其抗菌性能增強。同時,粒徑越小,納米ZnO的抗菌性能越強[2]。
3實驗
3.1原料及儀器
實驗藥品:二水合醋酸鋅(Zn(CH3 COO)2·2H2O,分析純)、一水合氫氧化鋰(LiOH·H2O,分析純)、大腸桿菌菌株(天津醫(yī)科大學提供,Escherichia coli:44484)等。
織物規(guī)格:純棉織物(紗支20×20,經(jīng)緯密度425根/10cm×228根/10cm)
實驗儀器:DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器、KQ-100DE型超聲波清洗器、電熱鼓風干燥箱、LT型電子天平、常用磁力攪拌器、滴液漏斗、冷凝管、移液管、冰箱等。
測試儀器:紫外-可見分光光度儀、D8 DISCOVER型X-射線粉末衍射儀、YG461織物透氣儀、英國SDL防紫外透過及防曬保護測試系統(tǒng)、WSD-3C型全自動白度儀、PC/YG0465強力機等。
3.2納米ZnO整理劑的制備
用改進溶膠-凝膠法制備所需要的整理劑[3],過程如下:
將一定量的Zn(Ac)2·2H2O溶于適量無水乙醇中,回流2小時左右,得溶液A。稱取一定量LiOH·H2O室溫溶于適量乙醇中,得溶液B。磁力攪拌器強烈攪拌作用下,將溶液B加入到溶液A中,得納米ZnO溶膠。將納米ZnO溶膠、分散劑等按一定比例混合得納米ZnO整理劑。
反應方程式如下:
10 Zn(Ac)2+4 H2O=Zn10O4(Ac)12+8 HAc
Zn10O4(Ac)12+12 OH-=10 ZnO+12 Ac-+6 H2O
LiOH+HAc=LiAc+H2O
總的反應方程式:
Zn(CH3COO)2+2 LiOH=ZnO+2 LiCH3COO+H2O
最終形成半透明的納米氧化鋅溶膠。
3.3整理工藝
織物二浸二軋(軋余率70%-80%)→烘干(80℃,3min)→焙烘(不同溫度和時間,分別為100℃,3min;120℃,3min;140℃,3min;160℃,3min;160℃,30s)
3.4性能測試
(1)抗紫外性:將制備出的納米ZnO整理劑按照上述工藝整理到棉織物上,并用英國SDL防紫外透過及防曬保護測試系統(tǒng)測定其抗紫外效果,測試規(guī)則參照:AATCC Test Method183—1998。
(2)抗菌性:大腸桿菌測試:天津醫(yī)科大學提供大腸桿菌菌株(Escherichia coli:44484),測試標準參考紡織行業(yè)標準FZ/T 73023—2006及國家標準GB/T 20944.2—2007紡織品抗菌菌性能的評價:吸收法。按照下面公式計算出試樣的抑菌率。
活菌數(shù)目:(E,菌落數(shù);N,稀釋指數(shù);20,生理鹽水的體積)
抑菌率:(Mb,18h培養(yǎng)后空白試樣的活菌數(shù);Mc,18h培養(yǎng)后抗菌織物的活菌數(shù))
(3)斷裂強力:按照GB/T3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》測定整理后織物。對比不同焙烘溫度和時間整理織物的強力變化。
(4)白度:通過采用不同的整理工藝(改變焙烘溫度和時間)處理織物,在WSD-3C型全自動白度儀上分別對整理前后的織物進行白度測試。經(jīng)緯白度各測定三次,取平均值。經(jīng)整理后的織物白度性能會有所變化,進行對比,得出最佳的整理工藝。
4結果與討論
4.1整理劑的XRD表征:
向上述已經(jīng)制備出來的溶膠體系中加入約兩倍體積的正己烷,生成白色沉淀。待沉淀完全,離心除去清液,并用無水乙醇洗滌干燥得到樣品。樣品的結構表征采用X-射線衍射儀。
圖1納米氧化鋅的X-射線衍射圖 |