超疏水棉織物的簡(jiǎn)易制備技術(shù)

鄭振榮， 吳濤林

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387; 2. 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

超疏水棉織物的簡(jiǎn)易制備技術(shù)

鄭振榮1,2， 吳濤林1

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387; 2. 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

為制備超疏水棉織物，利用烷基氯硅烷對(duì)棉織物進(jìn)行氣相沉積，在棉織物表面生成具有微觀粗糙結(jié)構(gòu)的低表面能物質(zhì)聚硅氧烷，再結(jié)合織物本身的屈曲結(jié)構(gòu)，使棉織物具有超疏水自清潔性能，制備方法簡(jiǎn)易，成本低且不需要昂貴的設(shè)備。采用掃描電鏡、接觸角測(cè)定儀、集灰試驗(yàn)等手段觀察棉織物的表面形貌，并研究其超疏水和自清潔性能。結(jié)果表明：當(dāng)甲基三氯硅烷(MTS)與二甲基二氯硅烷(DDS)體積比為5∶1，MTS與DDS的總體積為8～10 mL，氣相沉積時(shí)間為120 min 時(shí)，制得棉織物表面的接觸角達(dá)152.3°，滾動(dòng)角為2.7°；集灰試驗(yàn)表明，沉積后的棉織物具有良好的自清潔功能。

棉織物; 氣相沉積; 超疏水; 自清潔

超疏水織物是紡織產(chǎn)品不斷向高性能、多功能發(fā)展的一種功能性織物。通過(guò)對(duì)荷葉的研究發(fā)現(xiàn),荷葉表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)決定了其表面的潤(rùn)濕性能[1-4]。通常，超疏水織物可通過(guò)靜電紡絲法、溶膠-凝膠法、納米二氧化硅法等方法制備[5-7]。但目前還存在不能大批量生產(chǎn)制備，原材料成本高，所用試劑對(duì)環(huán)境有污染等問(wèn)題[8-10]，因此現(xiàn)階段超疏水織物的研究重點(diǎn)是探索簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的制備方法。本文利用烷基氯硅烷通過(guò)化學(xué)氣相沉積獲得超疏水棉織物，得到一種操作簡(jiǎn)單，成本低的超疏水織物制備工藝，并對(duì)棉織物表面的形貌、超疏水性和自清潔性能進(jìn)行研究。利用該技術(shù)制備的超疏水紡織品不僅可用作晴雨兩用服裝、餐桌布等裝飾材料和汽車防護(hù)罩等蓬蓋材料，還可應(yīng)用于現(xiàn)代軍事、救災(zāi)服裝、醫(yī)用防護(hù)服等高科技領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

棉斜紋織物(紗線線密度為32 tex×48 tex，經(jīng)緯密為420根/10 cm×178根/10 cm)；甲基三氯硅烷(MTS，分析純，天津化學(xué)試劑一廠)；二甲基二氯硅烷(DDS，分析純，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所)；活性炭(粉狀，天津天大化工實(shí)驗(yàn)廠)。

試驗(yàn)設(shè)備：JY-82 接觸角測(cè)定儀(河北承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司)；TM-1000 臺(tái)式掃描電鏡(日本日立高新技術(shù)公司)；CTHI-250B 恒溫箱(施都凱儀器設(shè)備上海有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

分別取一定體積的甲基三氯硅烷(MTS)和二甲基二氯硅烷(DDS)，在50 mL燒杯中混合均勻，將燒杯放置在相對(duì)濕度為80%的密閉容器中，待用。將尺寸為5 cm×10 cm的棉織物放在密閉容器中烷基氯硅烷溶液的上方，在氣相條件下沉積處理一定時(shí)間，即制得超疏水棉織物。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 接觸角測(cè)試

將試樣固定在載物臺(tái)上，吸取0.05 mL蒸餾水滴到織物表面，調(diào)節(jié)焦距和水滴的位置記錄讀數(shù)。在織物表面5個(gè)不同位置測(cè)定接觸角，求其平均值即為織物表面與水的接觸角。

1.3.2 滾動(dòng)角測(cè)試

吸取0.3 mL的蒸餾水滴到織物表面，打開轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，記錄水滴剛開始滾動(dòng)時(shí)織物傾斜的角度，每個(gè)試樣測(cè)定3次，取其平均值即為水滴在織物表面的滾動(dòng)角。

1.3.3 織物表面形貌

利用TM-1000 臺(tái)式掃描電鏡觀察棉織物試樣的表面形貌，將試樣固定在樣品板上，快速抽真空，將試樣放大到適當(dāng)?shù)谋稊?shù)后，對(duì)樣品拍照。

1.3.4 集灰試驗(yàn)

將炭粉均勻地撒到待測(cè)織物表面，吸取0.1 mL蒸餾水滴到織物上，將織物傾斜一定角度使水滴滾落，觀察水滴帶走污物的情況，以此表征織物的自清潔能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相沉積反應(yīng)條件的確定

甲基三氯硅烷(MTS)水解后分子中含有3個(gè)硅醇基，硅醇基可與織物表面的羥基形成氫鍵，硅醇基分子之間也會(huì)相互縮合形成網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷物質(zhì)。二甲基二氯硅烷(DDS)分子中含有2個(gè)甲基，甲基的存在阻止了Si—O—Si鏈的擴(kuò)展，甲基越多，硅醇基的反應(yīng)越容易被終止，因此甲基含量的增加使DDS具有封端劑的作用[11]。

2.1.1 MTS與DDS體積比

MTS/DDS混合液總體積為6 mL，沉積時(shí)間為150 min，改變MTS與DDS的體積比，測(cè)織物表面的接觸角，結(jié)果如圖1所示。

圖1 MTS與DDS體積比對(duì)棉織物表面接觸角的影響Fig.1 Effects of volume ratio of MTS/DDS on contact angle of cotton fabrics

由圖1可見，隨著MTS與DDS體積比由3∶1增加至8∶1，織物表面的接觸角由150.5°增大到151.6°，這是因?yàn)镸TS水解后生成3個(gè)硅醇基，在反應(yīng)過(guò)程中用作擴(kuò)鏈劑，隨著共混液中MTS用量增加，硅醇基間縮合反應(yīng)的程度增加，因而織物表面的接觸角逐漸增大?？傮w而言，當(dāng)MTS與DDS體積比在3∶1～8∶1范圍內(nèi)變化時(shí)，體積比的變化對(duì)棉織物表面的接觸角影響較小。

2.1.2 氣相沉積時(shí)間

MTS與DDS混合液總體積為6 mL，二者體積比為5∶1，改變氣相沉積時(shí)間，測(cè)沉積后棉織物表面的接觸角，結(jié)果如圖2所示。

圖2 沉積時(shí)間對(duì)棉織物表面接觸角的影響Fig.2 Effects of deposition time on contact angle of cotton fabrics

由圖2可知，當(dāng)沉積時(shí)間從90 min延長(zhǎng)到120 min時(shí)，棉織物表面的接觸角由149°增大到152°；這是因?yàn)殡S著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)織物表面生成的沉積物聚硅氧烷增多，接觸角逐漸增大；隨著沉積時(shí)間從120 min延長(zhǎng)到180 min，接觸角逐漸減小，這可能是當(dāng)沉積時(shí)間超過(guò)120 min時(shí)，沉積物增厚到一定程度，繼續(xù)延長(zhǎng)沉積時(shí)間會(huì)使沉積物覆蓋織物表面原有的屈曲結(jié)構(gòu)及微小空隙，根據(jù)Cassie理論，水滴和織物表面之間的氣墊減少，導(dǎo)致織物超疏水性下降，因此適宜的沉積時(shí)間為120 min。

2.1.3 MTS / DDS總體積

MTS/DDS體積比為5∶1，氣相沉積時(shí)間為120 min，改變MTS / DDS混合液總體積，測(cè)沉積后棉織物表面的接觸角，結(jié)果如圖3所示。

圖3 MTS / DDS總體積對(duì)棉織物表面接觸角的影響Fig.3 Effects of total volume of MTS/DDS on contact angle of cotton fabrics

由圖3可見，當(dāng)MTS/DDS混合液總體積由2 mL增大到8 mL時(shí)，沉積后棉織物表面的接觸角逐漸增大到152.3°，繼續(xù)增加MTS/DDS混合液的用量，棉織物表面的接觸角略有下降。這是因?yàn)樵贛TS/DDS混合液總體積增加時(shí)，MTS、DDS的量增加，所以MTS、DDS水解產(chǎn)生的硅醇基與棉織物及硅醇基之間反應(yīng)程度增加，使織物表面低表面能的沉積物增多，接觸角逐漸增大。當(dāng)MTS/DDS混合液總量超過(guò)10 mL后，可能會(huì)造成棉織物表面的沉積物過(guò)量，影響織物原有的屈曲結(jié)構(gòu)，使粗糙度降低。因此，MTS/DDS混合液總體積在8～10 mL較為合適。

2.2 棉織物表面形貌與性能測(cè)試

2.2.1 掃描電鏡觀察棉織物表面形貌

圖4示出棉織物表面的SEM照片。

圖4 棉織物表面的SEM圖Fig.4 SEM images of the surface of cotton fabrics.(a) Original cotton fabric (×2 000)；(b) Deposited cotton fabric (×2 000)；(c) Deposited cotton fabric (×5 000)

圖4(a)為原棉織物表面的形貌，織物表面很光滑；圖4(b)為MTS/DDS氣相沉積后的棉織物放大2 000倍時(shí)的SEM照片，可見棉織物表面生成了很多微小顆粒，將照片繼續(xù)放大至5 000倍(見圖4(c))時(shí)可見，棉織物表面覆蓋著許多不同尺寸的微納米級(jí)顆粒，再結(jié)合棉織物本身的屈曲結(jié)構(gòu)，使棉織物表面具有多重粗糙結(jié)構(gòu)。

2.2.2 棉織物超疏水性能表征

圖5示出氣相沉積后棉織物表面的水滴照片。圖5(a)為沉積后棉織物表面與水的接觸角照片，織物表面與水的接觸角為152.3°，滾動(dòng)角為2.7°；圖5(b)為普通相機(jī)拍攝的水滴滴落在棉織物表面的照片，可見水滴形態(tài)穩(wěn)定，與織物表面的接觸面積很小，表現(xiàn)出良好的超疏水性能。

圖5 氣相沉積后棉織物表面的水滴照片F(xiàn)ig.5 Images of water droplets on deposited fabrics. (a) Contact angle of cotton fabric surface and water; (b) Water droplets resident on cotton fabric surface

2.2.3 棉織物自清潔性能測(cè)試

圖6示出棉織物表面的自清潔性能。由圖可見，當(dāng)水滴滴在原棉織物表面后，水滴快速鋪展，炭粉仍然留在織物表面。當(dāng)水滴滴在氣相沉積后的棉織物表面時(shí)，水滴呈圓球狀，不但沒有在織物表面鋪展，而且隨著織物表面略有傾斜，水滴可在織物表面滾動(dòng)，并將織物表面的炭粉帶走，表現(xiàn)出良好的自清潔功能。

圖6 棉織物表面的自清潔性能測(cè)試Fig.6 Self-cleaning test of cotton fabric surfaces. (a) Original cotton fabric; (b) Deposited cotton fabric

3 結(jié) 語(yǔ)

采用MTS/DDS共混液對(duì)棉織物進(jìn)行化學(xué)氣相沉積成功制得超疏水棉織物，制備方法簡(jiǎn)單，易操作，不需要昂貴的設(shè)備?；瘜W(xué)氣相沉積制得的棉織物表面的接觸角可達(dá)152.3°，滾動(dòng)角為2.7°。 沉積后棉織物性能測(cè)試結(jié)果表明，該棉織物具有良好的自清潔功能，棉織物上的水滴在滾落時(shí)可將織物上的污物粒子帶走。該類自清潔織物的開發(fā)不僅賦予織物自清潔性能，還可大大降低織物在清洗過(guò)程中的能耗和水耗，有利于節(jié)約能源。

FZXB

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Study on simple preparation technique of superhydrophobic cotton fabrics

ZHENG Zhenrong1, 2， WU Taolin1

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,Tianjin300387,China)

In order to prepare superhydrophobic cotton fabrics, alkylchlorosilanes were used and deposited on the cotton fabric by chemical vapor deposition, to form on the surface of the fabric a low surface energy material—polymethylsiloxane with rough microstructure, which, in combination with the tortuous structure inherent in the fabric, made the cotton fabric have superhydrophobic and self-cleaning properties. SEM, contact angle tester, and dust collecting test were used to examine the surface morphology and superhydrophobic and self-cleaning properties of the cotton fabric. The results showed that when the volume ratio of methyltrichlorosilane (MTS) to dimethyldichlorosilane (DDS) was 5∶1, total volume of DDS and MTS was 8-10 mL, deposition time was 120 min, the contact angle of the cotton fabric was 152.3°, and the sliding angle was 2.7°. Self-cleaning tests showed that the cotton fabric has excellent self-cleaning properties. This approach is simple and inexpensive and does not require expensive equipment.

cotton fabric; chemical vapor deposition; superhydrophobic; self-cleaning

0253- 9721(2013)09- 0094- 05

2012-10-17

2013-02-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206122)

鄭振榮(1981—),女,講師，博士。主要研究方向?yàn)楣δ芊雷o(hù)紡織品的研究。E-mail：tianjinzhengzr@163.com。

TS 195.5

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