自清潔技術(shù)在織物中的應(yīng)用

文/張慢樂 唐 俊

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)，環(huán)境污染和資源短缺越來越受到人們的關(guān)注，也成為紡織服裝行業(yè)面臨的一大難題。面料經(jīng)過加工整理后，表面具有超疏水或降解污染物的特性，此類面料稱為自清潔面料。使用此類面料，可以有效減少洗滌次數(shù)，甚至達(dá)到免洗，從而減少洗滌劑的使用，以達(dá)到節(jié)水、節(jié)能和環(huán)境友好的目的。除此，還可以屏蔽和消解細(xì)菌、病毒、殺蟲劑和污漬等污染物，避免其通過呼吸道或皮膚對(duì)人體帶來傷害。具有自清潔功能的織物具有一個(gè)自清潔表面，廣泛應(yīng)用于生化防護(hù)服裝、日常服裝和衛(wèi)生保健等領(lǐng)域。

2 織物自清潔技術(shù)分類

織物的自清潔技術(shù)有不同的機(jī)理，大致分為三種：物理、化學(xué)和生物。其實(shí)現(xiàn)過程各有不同，本文選取了工業(yè)生產(chǎn)潛力較大的幾種技術(shù)分別進(jìn)行介紹。

2.1 物理-超疏水化表面技術(shù)

根據(jù)表面動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕的原理，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，超疏水化表面水滴處于Cassie態(tài)，近似于圓球體的水滴在表面張力的作用下類似于球體滾動(dòng)，在疏水化表面，雜質(zhì)尺寸小于圓球體的水滴尺寸時(shí)，由于疏水化表面對(duì)雜質(zhì)的粘附小于水滴對(duì)雜質(zhì)的粘附，所以水滴包裹著雜質(zhì)顆粒一起運(yùn)動(dòng)，從而清除雜質(zhì)。

1） 基于仿生學(xué)的原理來構(gòu)建材料表面結(jié)構(gòu)，以此獲得仿生自清潔表面，這是目前較常見的自清潔技術(shù)。許多動(dòng)植物（如水稻葉、荷葉和蝴蝶翅膀）有超疏水和自清潔的效果，最典型的就是“荷葉效應(yīng)”。

在掃描電鏡和原子力學(xué)顯微鏡下，德國(guó)科學(xué)家觀察了荷葉的葉面結(jié)構(gòu)，闡明荷葉拒水自潔的原理。荷葉效應(yīng)的關(guān)鍵是表面的微觀和納米結(jié)構(gòu)。紡織物首先要有基本的拒水性能，其次需在表面形成納米尺度的粗糙度，兩者結(jié)合在一起產(chǎn)生織物的自清潔效果。

瑞士蘇黎世大學(xué)的科學(xué)研究人員把粒徑40nm的硅樹脂微粒涂覆在聚酯纖維表面，使整理后的聚酯纖維獲得拒水性能。它的原理是經(jīng)過納米樹脂整理的織物表面和水之間產(chǎn)生永久的空氣層。

BASF公司開發(fā)的Mincor TX TT，它模擬荷葉的微觀結(jié)構(gòu)，把納米粒子嵌在聚合物基質(zhì)里，賦予織物耐久的納米結(jié)構(gòu)表面，是真正具備納米結(jié)構(gòu)的自清潔紡織產(chǎn)品。

2） 對(duì)紡織物表面進(jìn)行改性，用低表面能的硅氟改性劑對(duì)其表面進(jìn)行修飾，獲得超疏水化表面。

改進(jìn)的NanoSphere涂層整理技術(shù)對(duì)棉和天然纖維的混紡織物進(jìn)行C6氟碳整理后獲得拒污、拒水和拒油的性能，使織物具有持久的耐水洗效果。

2.2 化學(xué)-光催化表面處理技術(shù)

光催化效應(yīng)是在光照的條件下用光敏材料分解污漬，使面料具有抗菌性和防臭性。光催化自潔面料的性能主要是從面料的自潔效率和耐用性能兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。自潔效率主要和納米材料的光催化效率相關(guān)，耐用性能和納米材料與紡織品的有效作用力有關(guān)系，目前的研究熱門方向主要集中在TiO與ZnO兩大類材料。

1）納米二氧化鈦（TiO）

TiO是n型半導(dǎo)體材料。在吸收一定能量的光子后，TiO表面形成了電子空穴對(duì)，具有很強(qiáng)的氧化還原能力，氧化還原周圍的物體，這就是光催化原理。光催化技術(shù)可分解很多難降解的有機(jī)物，從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和病毒活性，實(shí)現(xiàn)自清潔。在光催化反應(yīng)中，TiO僅僅提供了反應(yīng)場(chǎng)所，其利用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)反應(yīng)需要的能量，本身沒有參與化學(xué)反應(yīng)，所以具有持久性。

TiO溶解在樹脂中，形成溶膠-凝膠，通過后期加工浸漬或者浸軋等方式整理添加到紡織產(chǎn)品中。在熒光燈或者太陽光的照射下，整理后的紡織產(chǎn)品具有抗菌、除臭、防霉、油污分解和空氣凈化的性能，具有廣闊的發(fā)展空間。

香港理工大學(xué)的沂浩忠教授在滌綸纖維織物和棉纖維織物的表面制備出銳鈦礦型納米TiO薄膜，整理后的滌綸織物，活性藍(lán)染料被光催化降解；整理后的棉織物，表面的污漬被光催化降解。

2）納米氧化鋅（ZnO）

在紫外光的照射下ZnO產(chǎn)生自由電子和空穴，進(jìn)而產(chǎn)生自由基，氧化吸附細(xì)菌和有機(jī)物，因此具有抗菌除臭的功能。

在棉織物表面，陳佳婕等采用水浴法，六亞甲基四胺和硝酸鋅作為原料，得到形貌規(guī)整的ZnO納米棒陣列。整理后的棉織物具有良好的光催化和抗紫外線性能。

3）納米Ag

納米Ag有較大的比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性能。在可見光和紫外光的照射下，添加了納米Ag的紡織產(chǎn)品具有殺菌、抗病毒、降解細(xì)菌的作用，在沒有光照下，其也具有強(qiáng)效抗菌和殺滅病毒的作用。

墨爾本皇家理工大學(xué)（RMIT University）的研究人員研發(fā)了經(jīng)銀和銅納米結(jié)構(gòu)的溶液浸泡的棉紡織基材（cotton textile substrates），當(dāng)暴露于可見光下時(shí)，該納米結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生“熱電子（hot electrons）”，這些熱電子釋放能量，降解有機(jī)物。一些經(jīng)過處理的棉紡織基材在可見光下大約6分鐘可自行清潔。此法低成本和高效率，并可輕易地大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)中。

據(jù)報(bào)道，制備基于可見光光催化降解機(jī)制的自清潔織物，把Ag/ TiO粒子均勻地涂覆在PAN纖維表面，此織物在可見光下對(duì)亞甲基藍(lán)、羅丹明B和紅酒有良好的降解作用和自清潔效果，該織物多次洗滌后仍有良好的光催化效果。

2.3 生物-酶降解技術(shù)

在紡織品整理工序中加入具備降解化學(xué)污染物和抗菌除臭作用的生物酶，通過酶觸反應(yīng)可快速降解有機(jī)污染物，反應(yīng)條件較溫和，處理效率高。這方面的報(bào)道相對(duì)較少。

美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室分子生物學(xué)工程中心的研究人員向約500nm厚度的薄膜中添加可有效降解化學(xué)毒素的酶，加入薄膜的紡織品可以中和毒素，無殘留有害物質(zhì)，很好地應(yīng)用在軍用、民用的防護(hù)服整理中。

3 結(jié)論

自清潔技術(shù)在紡織和服裝產(chǎn)業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用前景，相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀表明，許多關(guān)鍵問題還有待解決。比如超疏水自清潔表面制備方法需要復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì)、精細(xì)的納米材料制備技術(shù)或者價(jià)格昂貴、后續(xù)帶來持久污染問題的氟硅處理劑；光催化自清潔表面技術(shù)存在功能顆粒在纖維表面穩(wěn)定負(fù)載方法復(fù)雜，穩(wěn)定性不足以及難以在纖維表面均勻分散等問題。生物酶降解技術(shù)的效果依賴外部環(huán)境的溫和性。生物酶溫度的耐受性不足，容易受酸堿環(huán)境和消毒劑的影響而滅活。目前受成本和性能的制約，自清潔技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域大多只能停留在概念階段，少部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品也因高昂的市場(chǎng)價(jià)格而局限在軍事、農(nóng)業(yè)、生化防護(hù)等領(lǐng)域，因此織物的自清潔技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用之前還需要更多的進(jìn)步。