N摻雜TiO2整理棉織物的制備及力學性能研究

沈 釗，段南華

（西安工程大學服裝與藝術設計學院，陜西西安 710048）

在織物的生產過程中，利用表面修飾技術可以賦予織物特殊的功能，如光催化自清潔、抗紫外、抗菌、阻燃、抗皺、防油污、防縮水等［1-7］。在改性過程中，不僅需要賦予織物各種新功能，也需要關注決定織物壽命的力學性能。因此，研究織物的微觀結構、納米顆粒的添加及環(huán)境因素對織物力學性能的影響，對功能化織物的生產制造尤為重要［8］。近年來，利用納米技術制備具有光催化自清潔能力的功能化織物得到了廣泛應用。在制備光催化自清潔功能織物的過程中，通常需要利用 TiO2、SiO2、ZnO、MgO 和 Al2O3等納米顆粒對織物表面進行修飾［9-12］。其中，TiO2納米顆粒由于無毒、化學穩(wěn)定性良好、成本低廉、效率高等優(yōu)點，具有較好的應用前景［13］。但是，TiO2禁帶寬度較大，僅能吸收太陽光中的紫外部分，N 摻雜可減小TiO2的禁帶寬度，有效利用可見光，提升TiO2的光催化活性［14］。

溶膠凝膠法可以在較低溫度下對織物進行表面改性，避免高溫下織物性能的降低，是對織物進行表面改性的常用方法［15］。本實驗利用原位溶膠凝膠法制備出N 摻雜TiO2（N-TiO2）整理棉織物，并利用拉力實驗研究N 摻雜TiO2納米顆粒、外界環(huán)境和拉伸速率等對整理后棉織物力學性能的影響，為進一步制備力學性能優(yōu)良的TiO2光催化自清潔織物做準備。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

STM-150 拉力測試儀，VEGA-TESCAN 掃描電子顯微鏡（SEM），Philips 紫外燈（UV）；三乙胺（TEA），四異丙醇鈦（TTIP），正丙醇，硝酸，去離子水，氨水。

1.2 N-TiO2整理棉織物的制備

配制95%正丙醇與5%四異丙醇鈦溶液并加入去離子水，用硝酸調節(jié)pH=2，低溫下攪拌12 h 后，加入TEA（TEA、TTIP和去離子水體積比為1.35∶1∶200），隨后在超聲均質機中均質10 min，得到混合溶液。選用200 g/m2的棉織物在氨水中凈化20 min，用乙醇和去離子水沖洗干凈，并用純度為99.99%的氮氣吹干。將棉織物浸沒在盛有上述溶液的培養(yǎng)皿中，50 ℃下脫水10 h，置于150 ℃烘箱中5 min，得到N-TiO2整理棉織物。不添加TEA，采用同樣的方法制備得TiO2整理棉織物。

1.3 拉力測試

選用拉力測試儀，利用ASTM D5350 方法測試棉織物條（25 mm×150 mm）的斷裂強力和斷裂伸長。將樣品夾在拉力測試儀（負載為1 000 kg）上，逐步增加拉力，直到樣品斷裂，記錄斷裂時的拉力和樣品的斷裂伸長。在測試過程中，樣品夾的壓力及對位會對結果造成影響，當壓力過大時，可能造成提前斷裂，當壓力過小時，在增加拉力的過程中，樣品可能滑落。樣品制備和測試過程中的環(huán)境溫度為（20±2）℃，相對濕度為65%±2%。

2 結果與討論

2.1 影響棉織物拉力的因素

2.1.1 整理方式

由圖1 可以看出，經TiO2整理的棉織物斷裂強力和斷裂伸長分別由200 N 和15 mm 增加到215 N 和24 mm。在拉力增大的過程中，由于棉織物表面存在TiO2顆粒，纖維之間的作用力增強，斷裂強力和斷裂伸長增大。相比TiO2整理后的棉織物，N-TiO2整理后棉織物的斷裂強力增加到225 N，兩種整理方式的差異可能歸因于制備的溶液不同，在棉織物整理過程中的 pH 和納米顆粒尺寸不同［16］。

圖1 棉織物的力學性能

2.1.2 測試環(huán)境

將樣品浸泡在水中至完全濕潤，取出后2 min 內完成拉力測試，研究潮濕環(huán)境下棉纖維的力學性能；將樣品在紫外燈下照射45 min 后完成拉力測試，研究紫外照射對棉織物力學性能的影響。

如圖2 所示，所有棉織物在濕潤環(huán)境下的斷裂強力和斷裂伸長均大于干燥環(huán)境和紫外照射。這是由于在濕潤環(huán)境下，水擴散到纖維的界面區(qū)，和棉纖維形成了半復合結構，提升了界面的剪切強度；高能量的紫外照射后，棉織物的力學性能下降，這主要是由于部分纖維在紫外光照射下發(fā)生分解，造成斷裂強力和斷裂伸長減小。

圖2 未整理（a）、TiO2整理（b）、N-TiO2（c）整理棉織物在不同環(huán)境下的力學性能

為了更好地研究環(huán)境對棉織物力學性能的影響，對比了干燥/潮濕環(huán)境及干燥/紫外環(huán)境下棉織物的斷裂強力和斷裂伸長。如圖3、圖4 所示，在潮濕環(huán)境下，棉織物的力學性能相差不大，均好于干燥環(huán)境下的力學性能，其中，未整理棉織物在干燥環(huán)境下力學性能下降最快，遠高于TiO2和N-TiO2整理棉織物，這說明水分對未整理棉織物力學性能的影響較大，而TiO2和N-TiO2整理棉織物更能適應周邊環(huán)境。在干燥環(huán)境下，紫外光照射后，相比未整理和TiO2整理棉織物，N-TiO2整理棉織物仍能保持較高的斷裂強力，這是由于N-TiO2能夠吸收更多的紫外光，從而減少棉織物自身的分解。

圖3 棉織物在干燥/潮濕環(huán)境下的力學性能

圖4 棉織物在干燥/紫外環(huán)境下的力學性能

2.1.3 拉伸速率

TiO2和N-TiO2整理棉織物在不同拉伸速率下的力學性能見圖5。

圖5 TiO2(a)和N-TiO2(b)整理棉織物在不同拉伸速率下的力學性能

如圖5 所示，當拉伸速率為50 和100 mm/min 時，TiO2和N-TiO2整理棉織物均具有較好的斷裂強力和斷裂伸長，這是因為拉伸速率低時，纖維都能充分延伸。在300 mm/min 時，棉織物的斷裂強力和斷裂伸長最小，這是由于拉伸速率過大，部分脆弱的纖維未伸長就發(fā)生了斷裂。相比TiO2整理棉織物，N-TiO2整理棉織物具有更大的斷裂伸長，說明N-TiO2整理棉織物更能適應快速拉伸，不易被沖擊破壞。

2.2 棉織物表面形貌及成分分析

如圖6 所示，相比未整理棉織物，TiO2整理棉織物表面因覆蓋有顆粒物而變得粗糙，織物內部之間的作用力變大，因此，在干燥、潮濕和紫外照射環(huán)境下都具有更大的斷裂強力和斷裂伸長。N-TiO2整理棉織物表面顆粒物更加明顯，這些顆粒物增大了拉伸過程中的摩擦力，能夠為纖維提供更強的相互作用，使棉纖維具有更好的力學性能。由圖6d 可知，纖維的斷裂過程是先拉伸再斷開，這與金屬材料的脆性-韌性斷裂機理一致。由表1 可以看出，TiO2整理棉織物的含氮量為0.14%，N-TiO2整理棉織物增加到0.35%，說明氮元素成功地摻雜到TiO2納米顆粒中。

圖6 未整理(a)、TiO2整理(b)、N-TiO2整理(c)及N-TiO2整理棉織物斷裂處(d)的SEM 圖

表1 TiO2整理和N-TiO2整理棉織物的主要元素組成表

3 結論

（1）當棉織物表面覆蓋納米顆粒后，斷裂強力增大，N 摻雜TiO2整理棉織物表面更加粗糙，具有明顯的顆粒物，粗糙結構增加了纖維的摩擦力，為纖維提供了更強的相互連接力，從而使棉織物具有更大的斷裂強力和斷裂伸長。

（2）棉織物在潮濕環(huán)境下的斷裂強力和斷裂伸長均優(yōu)于干燥環(huán)境，紫外照射會降低纖維的斷裂強力。

（3）快速拉伸纖維時，部分纖維未伸長就發(fā)生了斷裂，從而導致纖維的斷裂強力減小，N 摻雜TiO2整理棉織物快速拉伸時仍具有較大的斷裂強力。

（4）SEM 圖片表明，纖維斷裂過程包括纖維拉伸和斷開兩步，這與金屬材料的脆性-韌性斷裂機理一致。