納米粉體的分散及對(duì)棉織物的抗菌整理研究
納米粉體的分散及對(duì)棉
織物的抗菌整理研究
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)與使用已經(jīng)向多功能化方面發(fā)展，紡織業(yè)亦是如此。在功能性、環(huán)保型紡織品已經(jīng)成為當(dāng)今紡織品市場主流的今天，功能性紡織品的開發(fā)研究己擴(kuò)展到眾多領(lǐng)域，其中納米材料的應(yīng)用便是其中的一種。天然纖維織物因其服用的舒適性等而深受消費(fèi)者歡迎，但是棉織物本身存在一些缺點(diǎn)，如在適宜的條件下，一些病原菌如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠球菌等在棉織物上存在時(shí)間延長，尤其是一些內(nèi)衣、內(nèi)褲的穿著環(huán)境易滋生細(xì)菌，并以人體的新陳代謝產(chǎn)物為營養(yǎng)物質(zhì)迅速繁殖，釋放出令人惡心的臭味。另外，它們還會(huì)使棉制品變色、發(fā)霉，誘發(fā)各種皮膚疾病，危害人體健康。由于某些無機(jī)材料做成納米級(jí)后有優(yōu)越的抗菌功能，同時(shí)納米功能材料耐熱、無毒、穩(wěn)定性強(qiáng)，因此納米材料便作為新型的抗菌整理劑首先被選用，來代替對(duì)人體有毒性和刺激性的抗菌劑，成為開發(fā)綠色功能紡織品的一個(gè)重要方向。
目前，國內(nèi)外正在研究和應(yīng)用的將納米微粒施加到紡織品上的方法主要有三種:(a)共混紡絲法(b)后整理法:吸盡法、涂層法和浸軋法(c)接枝法。然而，時(shí)至今日，納米粉體在紡織品中的應(yīng)用仍然是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，這是因?yàn)榧{米微粒表面活性很大，易發(fā)生團(tuán)聚，且不易與纖維材料結(jié)合固著。因此，如何使納米粒子均勻地分散在紡織品上，且實(shí)現(xiàn)納米粒子與纖維的牢固結(jié)合，是納米功能紡織品開發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
本文借助于粘合劑把納米粉體TiO2和ZnO施加到棉織物上，并對(duì)它們的分散性、抗菌性以及它們復(fù)合物的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行了研究。
2實(shí)驗(yàn)部分
2·1實(shí)驗(yàn)材料和儀器
2·1·1原料及試劑
納米ZnO和納米TiO2(江蘇河海納米科技股份有限公司);十二烷基苯磺酸鈉、六偏磷酸鈉和硅酸鈉(天津市化學(xué)試劑六廠);低聚丙烯酸鈉(上海長風(fēng)化工廠);染色用粘合劑和滲透劑JFS(煙臺(tái)三和化學(xué)試劑有限公司)。
2·1·2織物規(guī)格
經(jīng)過前處理的純棉織物:規(guī)格40/40×133×72。
2·1·3實(shí)驗(yàn)儀器
超聲波清洗器SK5200H(上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司)85-2恒溫磁力攪拌器(常州國華電器有限公司);HH數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市宏華儀器廠);EL-400立式氣動(dòng)小軋車(上海朗高紡織設(shè)備有限公司);電子天平(北京賽多利斯天平有限公司);pH25型酸度計(jì)(上海虹益儀器廠)。
2·2納米粉體的分散性實(shí)驗(yàn)
2·2·1佳分散劑和pH值的選擇
將0.10g等量分散劑(聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、硅酸鈉)分別加入到盛有100mL蒸餾水的燒杯中，每種分散劑分別配六份溶液，攪勻后準(zhǔn)確調(diào)節(jié)pH值，使含相同分散劑的溶液的pH值依次為5、6、7、8、9、10，后加入0.15g納米復(fù)合粉體(ZnO:TiO2=1:1)，并用超聲波清洗器振蕩1.5h，然后取出1OmL放入1OmL試管中靜置7天，讀取上層澄清液體積。
2·2·2佳分散劑用量的選擇
準(zhǔn)確稱取5份不同量的聚丙烯酸鈉分別加入到盛有1OOmL蒸餾水的燒杯中，依次配成不同含量的水溶液，調(diào)節(jié)pH=9，然后加入0.15g納米粉體(ZnO:TiO2=1:1)，并用超聲波清洗器振蕩1.5h，然后取出1OmL放入1OmL試管中靜置7天，讀取上層澄清液體積。
2·3棉織物抗菌整理工藝
2·3·1處方與條件
2·3·2實(shí)驗(yàn)步驟
稱取十五塊重為5.0g的純棉試樣，按2·3·1處方配制納米整理液，每個(gè)處方分別按表l配五份整理液，然后將試樣浸在整理液中，在45℃下浸3Omin，后二浸二軋，軋余率為75%，在80℃預(yù)烘5min，160℃焙烘3min，得到1#-5#五塊整理試樣。
表1所用納米ZnO和TiO2的質(zhì)量比值
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|編號(hào)# | 1 | 2 | 3 | 4 | 5|
|---------|------|--------|------|-------|------|
|ZnO:TiO2| 1:0| 0:1 | 1:1| 2:1| 3:1|
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2·4抗菌效果測定
按紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T01021-92對(duì)棉織物進(jìn)行抗菌性能測試，所用菌種為金黃色葡萄球菌。
2·5耐洗性測定
參照GB/T8629-2001標(biāo)準(zhǔn)，將2g/L的洗滌液和待洗織物放入洗衣機(jī)中，按照4A程序(用于特殊整理織物的洗滌程序)進(jìn)行洗滌，測定其抗菌性能。
3結(jié)果與討論
3·1分散劑和pH值對(duì)分散系統(tǒng)的影響
3·1·lPAA-Na在不同pH值下對(duì)納米粉體的分散性影響
表2分散體系上層清液體積百分?jǐn)?shù)與pH值的關(guān)系
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|分散體系PH值 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|澄清液體積mL | 10 | 4 | 3.6| 3.6| 1.6| 1.6|
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|體積百分?jǐn)?shù)% | 100 | 40 | 36 | 36 | 16 | 16 |
----------------------------------------------------------------
3·1·2六偏磷酸鈉在不同pH值下對(duì)納米粉體的分散性影響
表3分散體系上層清液體積百分?jǐn)?shù)與pH值的關(guān)系
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|分散體系PH值 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|澄清液體積mL | 10 | 5 | 3.2| 2.6| 2.0| 1.8|
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|體積百分?jǐn)?shù)% | 100 | 50 | 32 | 26 | 20 | 18 |
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3·1·3SDBS在不同pH值下對(duì)納米粉體的分散性影響
表4分散體系上層清液體積百分?jǐn)?shù)與pH值的關(guān)系
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|分散體系PH值 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|澄清液體積mL | 10 | 10 | 10 | 8.6| 5.8| 2.2|
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|體積百分?jǐn)?shù)% | 100 | 100 | 100 | 80 | 58 | 22 |
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3·1·4硅酸鈉在不同pH值下對(duì)納米粉體的分散性影響
表5分散體系上層清液體積百分?jǐn)?shù)與pH值的關(guān)系
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|分散體系PH值 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|澄清液體積mL | 10 | 5.6| 3.8| 2.9| 2.0| 1.6|
|--------------|-------|-------|--------|------|--------|-------|
|體積百分?jǐn)?shù)% | 100 | 56 | 38 | 29 | 20 | 16 |
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由表2至表5可知，聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、硅酸鈉四種分散劑對(duì)納米粉體水分散體系均有穩(wěn)定作用。當(dāng)加入相同量的分散劑時(shí)聚丙烯酸鈉在pH=9和pH=l0時(shí)，納米粉體的水分散體系上層清液的體積百分?jǐn)?shù)少，分散效果好，這是由于分散劑在顆粒表面形成吸附層，產(chǎn)生并強(qiáng)化空間位阻效應(yīng)，使顆粒間的位阻排斥作用能增大，同時(shí)，還增大了顆粒表面電位的絕對(duì)值，提高了顆粒間靜電排斥作用能。所以試驗(yàn)中選用聚丙烯酸鈉作為納米粉體水分散體系的分散劑，且在pH=9時(shí)使用此分散劑，這是因?yàn)樵谑褂弥胁恍枰^量調(diào)節(jié)納米粉體水分散體系的pH值，不會(huì)給后續(xù)工藝引入雜質(zhì)粒子。
3·2聚丙烯酸鈉的用量對(duì)分散性能的影響
由圖1知，上層澄清液的體積隨聚丙烯酸鈉含量的增加先減小后增加，在聚丙烯酸鈉含量為2%時(shí)其上層澄清液體積百分?jǐn)?shù)小，表明此時(shí)分散體系穩(wěn)定。當(dāng)聚丙烯酸鈉的含量低于2%和高于2%時(shí)分散體系的穩(wěn)定性降低，這是由于聚丙烯酸鈉的含量較低時(shí)，它不能完全覆蓋粒子的表面，這樣吸附在某一表面的高分子鏈將同時(shí)粘附于另一質(zhì)點(diǎn)的未被覆蓋的表面，通過橋聯(lián)的方式將兩個(gè)或多個(gè)的質(zhì)點(diǎn)拉在一起，引起絮凝；當(dāng)加大過量的聚丙烯酸鈉時(shí)，達(dá)到過飽和吸附，這時(shí)伸向水中的鏈就會(huì)纏繞在一起，同樣會(huì)使顆粒發(fā)生團(tuán)聚，故聚丙烯酸鈉的加入量有一佳值，并不是越多越好。
3·3抗菌性測試結(jié)果
抗菌性能測試結(jié)果見表6:
表6細(xì)菌減少百分率
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|納 米 | 試樣# |
| |--------------------------------------------------|
|用 量 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|--------|---------|----------|----------|----------|--------|
|2% | 81.6 | 80.4 | 85.0 | 85.3 | 85.1|
|--------|---------|----------|----------|----------|--------|
|3% | 94.0 | 91.5 | 95.0 | 96.2 | 96.7|
|--------|---------|----------|----------|----------|--------|
|5% | 96.1 | 93.0 | 99.9 | 99.9 | 99.9|
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表6表明，隨著納米粉體用量的增加，抗菌率增加，當(dāng)用量在3%-5%時(shí)抗菌性比較好。另外，在納米TiO2中添加部分納米ZnO或在納米ZnO中添加部分納米TiO2，其處理織物的抗菌效果要比單一納米材料的抗菌效果好一些，說明納米TiO2，和ZnO之間存在納米協(xié)同效應(yīng)。這主要是由于納米TiO2和ZnO的表面原子所處的環(huán)境和禁帶寬度不同，粒子的表面效應(yīng)存在差異，故對(duì)光照尤其是紫外線的吸收有其特征的波段。當(dāng)納米TiO2和ZnO復(fù)合物處理到棉織物上后，能在更寬的波段范圍內(nèi)吸收紫外線，更多的分解出自由移動(dòng)的帶負(fù)電的電子(e↑)和帶正電的空穴(h+)，并形成光生電子-空穴對(duì)，它們與周圍的水和氧反應(yīng)生成更多的02、HO·、HO2·和H2O2從而更好的把細(xì)菌殺死，使織物的抗菌效果得到提高，但實(shí)驗(yàn)中沒有找出具有佳協(xié)同效應(yīng)的TiO2和ZnO的混合比例，有待于進(jìn)一步研究。
3·4耐洗性
取納米粉體用量為3%的4#試樣按照GB/T8629-2001標(biāo)準(zhǔn)中的4A程序進(jìn)行洗滌，水洗一次、五次和十次后測其抗菌率，結(jié)果見表7:
表7水洗次數(shù)和細(xì)菌減少百分率的關(guān)系
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|水洗次數(shù) | 一次 | 五次 | 十次|
|-----------|------------|------------|---------|
|抗菌率% | 90.5% | 81.3% | 73.6%|
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由表7可知，經(jīng)過整理的織物水洗牢度比較好，水洗十次以后織物的抗菌率在70%以上。
4結(jié)論
4·1低聚丙烯酸鈉比其它三種分散劑的分散效果好，且在pH=9或10時(shí)納米微粒的分散效果好，懸浮液穩(wěn)定。
4·2 當(dāng)納米粉體用量為3%(owf)，低聚丙烯酸鈉用量為2%(owf)時(shí)，納米微粒的分散效果好。
4·3 納米ZnO的抗菌性比納米TiO2的抗菌性好，納米TiO2/ZnO復(fù)合粉體的抗菌性要比單一納米TiO2或ZnO的抗菌性要好，這證明了復(fù)合納米粉體協(xié)同效應(yīng)的存在。
4·4納米粉體用量大于等于3%(owf)時(shí)，棉織物具有很好的抗菌性，且洗滌10次抑菌率仍達(dá)70%以上。1yPI7D
