負載納米TiO2和β-環(huán)糊精的多功能織物的研究*

王春梅 王躍飛 何瑾馨 (.南通大學紡織服裝學院，南通，609;.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，060)

負載納米TiO2和β-環(huán)糊精的多功能織物的研究*

王春梅1王躍飛1何瑾馨2(1.南通大學紡織服裝學院，南通，226019;2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

以鈦酸丁酯為原料，合成了納米二氧化鈦溶膠。在溶膠中加入β-環(huán)糊精(β-CD)，采用軋烘焙的方法將此溶膠整理到棉織物上。對織物的抗紫外性、光催化性、抗菌性、吸香增重率等的測試結果表明，加入β-CD后能提高織物的吸香性能和抗菌性以及對甲醛的光催化降解性，而對織物的強力和白度影響不大，整理織物具有優(yōu)良的抗紫外性。

β-環(huán)糊精，二氧化鈦，溶膠，棉織物

環(huán)糊精分子獨特的內部疏水空腔結構，使得其作為主體模型可與從無機到有機化合物、從中性到離子型化合物以及包括稀有氣體等在內的一系列客體分子發(fā)生包結復合作用。環(huán)糊精及其衍生物在國內外廣泛應用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、日用消費品及生物技術領域中。近年來，β-環(huán)糊精(β-CD)在紡織染整加工中的應用研究越來越受到人們的重視［1-3]。

納米TiO2具有較高的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和非遷移性，并且吸收紫外線能力強，對UVA區(qū)和UVB區(qū)紫外線都有屏蔽作用，可見光透過率大。此外，納米TiO2還具有殺菌防腐作用。由于TiO2電子結構所具有的特點，使其受光照時生成化學活潑性很強的超氧化物陰離子和羥基自由基，攻擊有機物，起到降解有機污染物的作用。當遇到細菌時，納米TiO2會直接攻擊細菌的細胞，致使細菌細胞內的有機物降解，以此殺滅細菌并使之分解。納米TiO2屬于非溶出型材料，在降解有機污染物和殺滅菌的同時，自身不分解、不溶出，光催化作用持久，并具有持久的殺菌及降解污染物的效果［4-6]。

本文采用溶膠凝膠法將納米TiO2和β-CD負載到織物上，為紡織品芳香、抗菌、抗紫外等功能整理提供技術基礎和理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

織物:經(jīng)退漿、煮練、漂白和絲光處理的純棉紗卡其，其規(guī)格為28 tex×28 tex、425根/(10 cm)×228根/(10 cm)。

藥品:β-CD、無水乙醇、鈦酸丁酯、二乙醇胺、乙二醇等，均為化學純。

1.2 實驗儀器

本實驗采用的儀器包括:JJ-1型增力電動攪拌器、HH-S型恒溫水浴鍋、DHG-9076A型電熱恒溫鼓風干燥箱、RJ-350Ⅲ型軋染機、YG026C型電子織物強力機、WS-SD d/o型色度/白度計、YG(B)611-Ⅱ型日曬氣候試驗儀、Color-Eye3100型測色配色儀、TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計等。

1.3 實驗方法

納米TiO2溶膠的制備:取一定量的鈦酸丁酯［Ti(OC4H9)4]溶于一定體積的乙醇(CH3CH2OH)中，加入一定量的二乙醇胺［HN(CH2CH2OH)2]，攪拌均勻后加入一定體積CH3CH2OH和水的混合液，繼續(xù)攪拌一定時間，然后升高溫度，攪拌回流一段時間形成納米TiO2溶膠。

整理液的配制:用乙二醇溶解β-CD，然后加入到溶膠中，攪拌均勻。

織物的整理:浸軋整理液(納米TiO2濃度為0.4 mol/L，β-CD 濃度為 0 ～40 g/L，二浸二軋，帶液率為100%)→預烘(80℃，5 min)→焙烘(150℃，3 min)→水洗 →烘干(80℃，5 min)。

1.4 測試方法

1.4.1 斷裂強力測試

參照GB/T 3923.1—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，每種試樣測三塊，取平均值。

1.4.2 白度測試

試樣疊成八層，在WS-SD d/o型色度/白度計上按“ISO”視亮度(白度)R457測3次，取平均值。

1.4.3 吸香增重率測試

取200 mL白玫瑰香精，倒入干凈的干燥器中，秤取一定質量的織物，置于干燥器瓷板上吸香，一定時間后稱重，測其增重率。

1.4.4 抗紫外線性能測試

參照GB/T 18830—2002《紡織品防紫外線性能的評定》標準，每1 nm測試一次透射率。

1.4.5 耐皂洗牢度測試

參照GB/T 3291.1—2008《紡織品 色牢度試驗耐皂洗色牢度方法2》測定。

1.4.6 整理織物對甲醛溶液降解率測試

(1)甲醛溶液與吸光度的關系

將TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計置于甲醛溶液的最大吸收波長(415 nm)處，測定系列濃度的甲醛溶液的吸光度，作出吸光度與濃度的關系曲線，得到甲醛溶液的吸光度A和濃度C的一元線性回歸方程:

式中:A——甲醛溶液的吸光度;

C——甲醛溶液的濃度(mg/L);

R2——相關系數(shù)。

(2)甲醛溶液的降解率

吸取7×103mg/L甲醛溶液200 mL置于玻璃干燥器底部，中間墊上陶瓷透氣板。在一半徑為12 cm的培養(yǎng)皿中放入50 mL蒸餾水作為吸收液，用橡皮筋把測試織物扣在培養(yǎng)皿上，隨后把培養(yǎng)皿置于玻璃干燥器的陶瓷透氣板上，蓋上涂過密封膠的玻璃蓋，用紫外燈照射24 h;取出培養(yǎng)皿，用移液管吸取5 mL甲醛吸收液，加入5 mL乙酰丙酮，與空白試劑(5 mL蒸餾水+5 mL乙酰丙酮)一起在60℃水浴中顯色0.5 h;冷卻后用TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計在415 nm波長下測吸光度，對照標準曲線得到甲醛溶液濃度。按下式計算織物對甲醛溶液的降解率:

式中:D——織物對甲醛溶液的降解率;

C0——整理前織物對應吸收液的甲醛濃度(mg/L);

C1——整理后織物對應吸收液的甲醛濃度(mg/L)。

1.4.7 織物抗菌性能測試

采用暈圈法測試織物的抗菌性能。選用自然界和人體皮膚黏膜中較為常見的兩種菌:金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

1.4.8 織物掃描電鏡分析(SEM)

采用S-4700型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察整理前后織物表面微觀形貌的變化。

2 結果與討論

2.1 TiO2溶膠制備工藝的確定

分別考察了水、乙二醇、乙醇、回流溫度及時間對溶膠的穩(wěn)定性及紫外透光率的影響，得出溶膠的最佳制備工藝為:n［Ti(OC4H9)4]∶n［HN(CH2CH2OH)2]∶n(CH3CH2OH)∶n(H2O)=1∶0.8∶20∶0.6，室溫反應1 h 后，再80 ℃回流1 h。測得溶膠的平均粒徑為14.3 nm。

2.2 織物整理機理

由于納米TiO2溶膠中H2O極少，且室溫下β-CD在水中的溶解度不是很大，而在乙二醇［(CH2OH)2]中有較好的溶解性，所以選擇(CH2OH)2為溶劑，先將β-CD溶解配成溶液，然后加入到TiO2溶膠中，形成整理液。織物浸軋整理液經(jīng)焙烘轉變成凝膠，然后在織物上形成致密的薄膜，將β-CD均勻地包覆在金屬氧化物的三圍網(wǎng)狀結構中，膠粒與β-CD之間的作用力為靜電力(包括氫鍵)和范德華力。

2.3 β-CD用量對織物抗紫外效果的影響

在TiO2溶膠中添加不同用量的β-CD，對織物進行整理，測得織物的紫外透過率，見圖1。

圖1 β-CD用量對織物抗紫外效果的影響

由圖1可以看出，隨著β-CD用量的增加，織物的抗紫外效果變化不明顯。為了保證整理液的穩(wěn)定性，同時使織物上負載一定量的β-CD，故β-CD濃度取30 g/L。

2.4 整理織物的物理性能

用納米TiO2溶膠和TiO2/β-CD混合液整理織物(納米 TiO2濃度為 0.4 mol/L，β-CD 濃度為30 g/L)，測其增重率、白度和強力，結果見表1。

表1 整理織物的物理性能

由表1可看出，經(jīng)整理后的織物白度幾乎沒有下降，強力損失也很小。而經(jīng)TiO2/β-CD混合液整理后的織物的吸香增重率明顯提高，這是由于織物上的β-CD對香精具有包合能力的緣故。

2.5 整理織物的抗紫外性能

表2為采用不同工藝整理的織物的UPF值。

由表2可知，經(jīng)納米TiO2溶膠及其與β-CD混合液整理后的織物的UPF值明顯增大。織物經(jīng)過皂洗一次后，UPF值稍有下降，皂洗前后的UPF值都達到50+。說明經(jīng)整理后的織物具有較好的抗紫外性，且有一定的耐洗性。

表2 織物的UPF值

2.6 整理織物的光催化降解甲醛性能

整理織物光催化降解甲醛的效果見表3。

表3 整理織物的光催化降解甲醛性能

由表3可知，經(jīng)整理后的織物能夠降解甲醛，且經(jīng)TiO2/β-CD混合液整理后的織物比經(jīng)TiO2溶膠整理織物的降解甲醛能力更強。因為β-CD能包合甲醛，其分子中含有多個親水性羥基，吸附在TiO2表面，在光照條件下，可以形成更多的羥基自由基，提高TiO2對甲醛的光催化降解效率，增強了對甲醛的降解作用。

2.7 整理織物的抗菌性能

整理織物的抗菌效果見圖2。

由圖2可知，經(jīng)整理后的織物對兩菌種都具有一定的抗菌性能，但對大腸桿菌的抑菌作用大于對金黃色葡萄球菌。這是因為大腸桿菌屬于革蘭氏陰性菌，其等電點為4～5;金黃色葡萄球菌屬于革蘭氏陽性菌，其等電點為2～3。在近中性或弱堿性環(huán)境(營養(yǎng)瓊脂pH值為7.6)中，細菌均帶負電荷，革蘭氏陽性菌所帶負電荷更多。而納米TiO2表面帶負電荷，易將帶負電荷較少的大腸桿菌吸附到其表面，從而達到更好的抑菌效果。而在同一種培養(yǎng)基中，從抑菌圈寬度可以看出，經(jīng)TiO2/β-CD混合液整理的織物的抗菌性能均好于經(jīng)TiO2溶膠整理的織物，其原因也是由于β-CD分子上有很多羥基，增強了TiO2的抗菌性能。

圖2 整理織物的抗菌效果

2.8 整理織物的SEM

圖3為經(jīng)不同方法整理的織物的SEM。

從圖3可看出，與未整理織物(a)相比較，經(jīng)TiO2溶膠整理的織物(b)和經(jīng)TiO2/β-CD混合液整理的織物(c)表面形成了一層薄膜，說明溶膠經(jīng)熱處理后凝膠成膜，固著到織物上;而由圖3(b)和(c)比較可知，圖3(c)表面的薄膜更加均勻，因為β-CD與TiO2通過分子間作用力與范德華力相結合，作用力較強，溶膠不易發(fā)生脫落。

3 結論

將β-CD添加到納米TiO2溶膠中，用于棉織物的整理，可賦予棉織物良好的抗紫外性、抗菌性、光催化降解甲醛性能及包合香精的性能，而對織物的強力、白度影響不大，為紡織品的多功能整理提供了一條有效的途徑。

圖3 織物的SEM

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Research on the multifunction fabric loaded with nano-TiO2and β-cyclodextrin

Wang Chunmei1，Wang Yuefei1，He Jinxin2(1.School of Textile and Clothing，Nantong University;2.Key Laboratory of Textile Science＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University)

Nano-TiO2sol solution was prepared with Ti(OC4H9)4as raw material.β-cyclodextrin(β-CD)was added into the sol，and cotton fabric was treaded with the sol by pad-dry-cure technique.Based on the tests of anti-UV，photocatalysis，antibacterial and weight gain rate after adsorbing essence，the results showed that the treated cotton fabrics added with β-CD had better adsorbability to essence，anti-bacterial activity，photocatalytic degradation to formaldehyde and excellent anti-UV property.

β-cyclodextrin，titanium dioxide，sol，cotton fabric

TS195.5

A

1004－7093(2011)04－0036－05

*江蘇省高校自然科學基礎研究項目(08KJD540002);南通市應用研究計劃項目(K2008035)

2010－06－29

王春梅，女，1967年生，教授。主要從事功能紡織品及助劑的研究。