金红石型纳米TiO2的低温制备及其对棉织物抗紫外超疏水性能的研究

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随着时代的发展和科技的进步,以抗紫外、超疏水、抗菌、防静电等功能性为导向的纺织品给人们的生活带来了极大的帮助。普通纺织品的紫外线防护性能差,在户外生产生活的人容易受到紫外线辐射带来的伤害。同时,纺织品固有的亲水性使其在日常使用过程中极易被水润湿而降低穿着舒适度,且潮湿的织物容易滋生细菌,危害人体健康。因此,制备具有抗紫外和超疏水的双功能纺织品具有重要意义。目前制备抗紫外和超疏水双功能纺织品的过程中存在原料成本高、工艺复杂、耗时长等问题。因此,通过简单高效的方法实现双功能纺织品的制备是十分必要的。在纺织品的功能整理中,金红石型纳米二氧化钛因其优异的紫外线屏蔽性能和光催化活性而被广泛应用,但传统的金红石型纳米TiO2制备工艺耗能大、对设备要求较高,且其亲水性和易团聚的特性常需要通过多道工艺才能实现织物的多功能改性。基于此,本课题以通过简单的工艺制备具有抗紫外和超疏水的双功能棉织物为研究目标,首先使用纳米纤维素(NCC),在低温下制备了分散性较好的金红石型纳米二氧化钛(N-TiO2),并通过“二浸二轧”的方法将N-TiO2整理到棉织物表面,赋予了棉织物抗紫外和疏水的双功能。随后使用硅烷偶联剂对N-TiO2进行表面功能化改性,通过整理,实现了具有长效抗紫外和超疏水双功能棉织物的制备,具体研究内容和结果如下:(1)N-TiO2的制备及表征以自制的纳米纤维素(NCC)为模板,采用四氯化钛(TiCl4)为钛源,在室温条件下制备了 N-TiO2。研究了反应温度、反应时间和TiCl4的使用量对N-TiO2质量分数的影响。通过设计正交试验优化了 N-TiO2工艺条件:反应温度为25℃,反应时间为1h,TiCl4使用量为3 mL,并对其微观结构进行表征,结果表明,N-TiO2的分散性好,其结构呈“刺球状”,粒径为100~250 nm。(2)N-TiO2改性棉织物的制备及表征通过“二浸二轧”的方式将N-TiO2整理到棉织物上,整理条件为:N-TiO2浓度为1.5g/L、浴比为1:30、轧余率为100%,并在100℃下烘干2 min后再150℃固化3 min。SEM和AFM测试结果显示,N-TiO2在棉织物表面分布较为均匀,棉织物表面粗糙度得到提高,由先前的31.18 nm提高至98.48 nm。棉织物表面由亲水状态转变为疏水,接触角达到了 139.5°,滚动角为14.5°;经测试,N-TiO2改性棉织物的UPF值为72.6,UVA透过率为3.58%,符合我国抗紫外产品的标准;大肠杆菌的抗菌实验结果显示,N-TiO2改性棉织物的抑菌率为54.33%,具有一定的抗菌性。此外,N-TiO2改性棉织物的透气性和拉伸性能基本与原棉一致,但其耐洗性较差,经过10次洗涤循环后,接触角由139.5°下降至78.6°,UPF值由72.6下降至45.5。(3)G-N-TiO2改性棉织物的制备及表征使用3-缩水甘油基氧丙基三甲氧基硅烷(GPTS)对N-TiO2进行改性,得到了 G-N-TiO2,并讨论了改性条件。采用与N-TiO2改性棉织物相同的整理工艺将G-N-TiO2整理到棉织物上,通过对G-N-TiO2改性棉织物的抗紫外性能和接触角测试结果的分析,最终得到的改性条件为:pH=5、反应时间为6h、N-TiO2/GPTS质量比为30%。SEM和AFM测试结果显示,G-N-TiO2在棉织物表面分布均匀,棉织物表面粗糙度进一步提高,由N-TiO2改性棉织物的98.48nm提高至101.7 nm,接触角达到158.6°,滚动角为6.2°,达到了超疏水的标准;经测试,棉织物的UPF值为85.61,UVA透过率为2.41%,具有优异的抗紫外性能;大肠杆菌的抗菌实验结果显示,G-N-TiO2改性棉织物的抑菌率为62.21%,具有一定的抗菌性。此外,经过G-N-TiO2改性后的棉织物仍具有良好的透气性,拉伸性和耐洗性,经过8次洗涤循环后,接触角仍高达150.6°,滚动角为9.5°,符合超疏水标准,同时,其UPF值为72.68,UVA透过率为3.55%,符合我国抗紫外产品的标准。
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