硼氮掺杂碳量子点的合成及其在防紫外线棉织物中的应用

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碳量子点(CQDs)作为一种新型荧光纳米材料受到广泛的关注。由于其具有水溶性好、毒性低、制备简单以及独特的光学性质被广泛地应用在生物/化学传感器、光催化和细胞成像等领域。鉴于CQDs在紫外光区具有很强的吸收能力,因此可用作棉织物防紫外线整理剂。本文采用水热合成法合成了三种不同碳源的硼氮共掺杂碳量子点(BN-CQDs),表征了所制备BN-CQDs的结构和光学性质,并通过表面喷涂-碾轧和棉织物纤维素改性接枝BN-CQDs两种方式整理棉织物,探讨了碳量子点对棉织物形貌、结构和防紫外线性能的影响,本文主要进行了以下三个方面的研究:(1)分别以柠檬酸、柠檬酸铵和葡萄糖为碳源,乙二胺为氮源,硼砂为硼源,通过一锅水热法合成了三种不同碳源的BN-CQDs(C1、C2、C3)。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱分析(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等测试对其形貌结构和组成进行了表征,并使用紫外吸收光谱仪(UV-Vis)和荧光光谱仪(PL)对其光学性质进行表征。结果表明所制备的碳量子是具有类球形结构,尺寸在3-8 nm,主要由C、N、O和B四种元素组成,表面均含有丰富含氧、含氮和含硼官能团的石墨状纳米晶体,具有良好的水溶性。三种BN-CQDs水溶液均在240nm、347 nm的紫外光区具有良好的紫外线吸收能力,其中C1的吸收强度最大。在365 nm紫外灯光照射下,三种BN-CQDs溶液均发射明亮的蓝光,当激发波长从340 nm增加到380 nm时,三种BN-CQDs发射峰均位于435 nm处,表现出BN-CQDs与激发波长无关的光致发光行为,但是C1、C2、C3的荧光发射强度依次降低,这主要是由于其表面非辐射官能团含氧官能团的含量依次降低所引起。基于碳量子点所特有的光学性质,可以考虑将其作为棉织物纺织品的紫外线屏蔽剂使用。(2)采用喷涂-碾轧法,分别用三种碳源BN-CQDs溶液、BN-CQDs/聚乙烯醇(PVA)溶液和BN-CQDs/水性聚氨酯(WPU)溶液整理棉织物,通过防紫外线透过测试仪测定紫外线防护系数(UPF),并进行耐水洗性能测定,选择合适碳源合成的BN-CQDs以及最佳整理工艺。结果显示,一方面,三种碳源合成的碳量子点整理后的棉织物都表现出优异的防紫外线性能,均达到非常优异的保护级别,但是三种整理棉织物的耐水洗性能不同,BN-CQDs/水性聚氨酯(WPU)混合水溶液整理的棉织物耐水洗性能最好,其次是BN-CQDs/聚乙烯醇(PVA)混合水溶液整理棉织物,BN-CQDs溶液直接整理的棉织物的耐水洗性最差,这主要是由于PVA和WPU在织物纤维表面形成了聚合物薄膜,增强了碳量子点与纤维之间的相互作用力,并且PVA由于亲水性大于WPU,因此PVA薄膜在水洗过程中比WPU薄膜更易脱落;另一方面,通过比较三种不同碳源的BNCQDs溶液整理后棉织物的性能,发现以柠檬酸碳源的BN-CQDs溶液整理后的棉织物紫外线防护能力最好,这主要是由于柠檬酸为碳源的BN-CQDs在紫外吸收的强度最高。(3)使用环氧丙基三甲基氯化铵对棉织物纤维素进行改性,得到了带有季铵阳离子纤维素的棉织物,然后利用棉织物表面的季铵阳离子与BN-CQDs表面的羧基生成离子键,得到季铵盐,将BN-CQDs接枝到棉织物的表面,得到一种能够在紫外灯照射下发出明亮蓝光的棉织物。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、防紫外线透过测试仪、数码相机等测试对棉织物结构和形貌进行表征。结果显示碳量子点颗粒被成功的接枝到棉织物表面,提高了棉织物的耐水洗性能,并且整理后的棉织物在紫外灯照射下发出明亮的蓝色光,棉织物紫外线防护系数高达81.4,并在标准水洗十次后仍然保持在75.3。达到非常优异的保护级别。
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