齊高璨,張 煥,袁志好

(天津理工大學材料科學與工程學院納米材料與技術研究中心,天津 300384)

應用技術

氧化鋅納米棒改性滌綸綢緞的超疏水與抑菌性能＊

齊高璨,張 煥,袁志好

(天津理工大學材料科學與工程學院納米材料與技術研究中心,天津 300384)

采用溫和的濕化學法在滌綸綢緞的表面生長一層取向排列的氧化鋅納米棒陣列。利用 X射線衍射儀和場發(fā)射掃描電子顯微鏡對產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)分析和表面形貌觀察,通過液滴形狀分析系統(tǒng)及紙片法抑菌實驗對其濕潤性和抑菌性進行表征和測量。結(jié)果表明:經(jīng)氧化鋅納米棒表面改性的滌綸綢緞與水的接觸角達到 148°,展現(xiàn)出良好的超疏水性能;同時,經(jīng)取向氧化鋅納米棒陣列改性后的滌綸綢緞對致病性大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細菌表現(xiàn)出了良好的抑制作用。該產(chǎn)品在服裝和包裝等行業(yè)有著誘人的應用前景。

ZnO納米棒;表面改性;超疏水;抗菌

自從荷葉表面的多級微/納米結(jié)構(gòu)與其表面超疏水和自清潔性能的關系被發(fā)現(xiàn)以來[1],人造超疏水表面已經(jīng)引起人們的廣泛興趣。人造超疏水表面通常通過構(gòu)造粗糙表面和使用低表面能物質(zhì) (如有機蠟狀物)改性的方法來獲得[2]。然而目前已發(fā)展的超疏水化過程,要么制備條件苛刻、需要昂貴的原料,要么使用了對環(huán)境或皮膚有潛在危險的物質(zhì)(如有機氟化物),這大大限制了這種超疏水技術的實際應用。近年來,c軸取向的氧化鋅微 /納米結(jié)構(gòu)也被用于一些剛性基底 (例如:硅片、玻璃片)的超疏水改性。在這些研究中,由于 ZnO棒的尺寸太大不足以形成超疏水表面,因此使用低表面能物質(zhì)——鏈烷酸,進一步表面改性是必要的。筆者報道一種基于在滌綸綢緞表面生長一層氧化鋅納米棒的超疏水改性方法,該方法工藝過程簡單、成本低、環(huán)境友好,操作溫度低于 90℃,特別適合紡織面料這些不耐熱的材料。

1 實驗

1.1 氧化鋅納米棒表面改性滌綸綢緞的制備與表征

商用滌綸綢緞——色丁布料 (100%滌綸),被選擇作為實驗的樣品;ZnO納米棒表面改性采用的是與文獻[3]相近的溶液種子膜生長方法。首先將經(jīng)過水和乙醇超聲清洗的滌綸綢緞浸泡在溫度約為60℃的氧化鋅溶膠中[4],并提拉 3次使其表面形成ZnO納米顆粒晶種層,然后再放入由 0.025 mol/L硝酸鋅和 0.025 mol/L六次甲級四胺組成的水溶液中,在 90℃的水浴加熱溫度下反應 3 h[5](注:實際反應體系的溫度應該比 90℃的水浴溫度低),所得樣品用去離子水清洗后,再放入 60℃干燥箱中真空干燥,獲得超疏水改性后的樣品。

采用日本電子的 JS M-6700F型場發(fā)射掃描電鏡對樣品表面形貌進行觀察,利用日本理學公司生產(chǎn)的 D/MAXⅢ-C型 X射線衍射儀 [Cu靶,λ =0.154 18 nm,40 kV,150mA,掃描速度為4(°)/min]對樣品進行物相分析 ,使用德國 Krüss公司生產(chǎn)的DSA100型液滴形狀分析系統(tǒng)測量樣品表面的水接觸角。

1.2 抗菌實驗

抗菌實驗選用的是常見的兩種致病菌:致病性大腸桿菌 (O78)和金黃色葡萄球菌[6],這兩種菌種均是從中國獸藥監(jiān)查所菌種室購買。將培養(yǎng)后的菌液稀釋并均勻地涂敷在普通營養(yǎng)瓊脂平皿上,再將經(jīng)滅菌處理后的滌綸綢緞剪成直徑約為 6 mm的圓片,并分別放在平皿上,加蓋置于 37℃溫箱中培養(yǎng)24 h后,用游標卡尺測量抑菌圈直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

圖1給出了經(jīng)氧化鋅納米棒改性后的滌綸綢緞的表面形貌。由圖 1可見,在滌綸綢緞的纖維表面上均勻、密集地生長著一層 ZnO納米棒,納米棒直徑約在 50～70 nm,滌綸綢緞的表面因納米棒的存在而高低起伏,有較高的表面粗糙度。根據(jù)圖 1 c中的插圖可見,ZnO納米棒的頂端為完整的六邊形結(jié)構(gòu),表明頂端為 ZnO(001)晶體面,即為 [001]取向生長。圖 2為相應的 X射線衍射圖。圖 2表明,所生長的 ZnO納米棒為c軸取向的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),這與掃描電鏡分析所得出的結(jié)論一致。

圖1 氧化鋅納米棒表面改性的滌綸綢緞的掃描電鏡照片

圖2 表面改性后樣品的 XRD譜圖

2.2 疏水性能

圖3給出了改性前后滌綸綢緞與水接觸角的測量結(jié)果。改性前樣品的接觸角約為 53.8°,表現(xiàn)為親水性,而經(jīng) ZnO納米棒陣列膜表面改性后樣品的接觸角卻高達 147.8°,展現(xiàn)出優(yōu)越的憎水性能。由此可見,通過上述環(huán)境友好的無機物 ZnO的直接改性 (無需有機蠟狀物的進一步改性),就可以在親水的滌綸綢緞表面形成一個類荷葉效應的超疏水表面,從而有可能進一步實現(xiàn)自清潔功能。

圖3 水滴在滌綸綢緞樣品上的形貌照片

2.3 抑菌性能測試

比較了改性前后滌綸綢緞對致病性大腸桿菌(O78)和金黃色葡萄球菌的抑菌性能,通過測量抑菌圈直徑可以評價其抑菌效果。一般說來,抑菌圈直徑越大,抑菌效果越好,抑菌圈直徑大于 7 mm時為抗菌產(chǎn)品。改性前原料對兩種試驗的病原菌沒有任何抑菌作用,而經(jīng)過 ZnO納米棒陣列膜表面改性的滌綸綢緞對致病性大腸桿菌 (O78)和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為 10 mm和 11 mm,均超過被認為是抗菌產(chǎn)品的抑菌圈直徑,這表明改性后的滌綸綢緞不僅具有優(yōu)越的憎水特性,同時還具有良好的抗菌功能,這是使用有機蠟狀物超疏水改性難以達到的。

3 結(jié)論

通過在滌綸綢緞表面生長一層c軸取向的 ZnO納米棒陣列膜,可以使其由親水性向超疏水性轉(zhuǎn)變,并使其擁有良好的抗菌功能,同時還有望具有自清潔功能。這種多功能布料在醫(yī)用紡織產(chǎn)品、防水服飾、高檔服裝以及包裝等領域有重要的應用價值。

[1] BarthlottW,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces[J].Planta,1997,202(1):1-8.

[2] 陳姚,于欣偉,鐘智欣,等.新型疏水沉淀二氧化硅的制備[J].無機鹽工業(yè),2005,37(2):18-20.

[3] Feng Xinjian,Feng Lin,Jin Meihua,et al.Reversible super-hydrophobicity to super-hydrophilicity transition of alighed ZnO nanorod films[J].J.Am.Chem.Soc.,2004,126(1):62-63.

[4] Sakohara S,Tickanen L D,Anderson M A.Luminescence properties of thin zinc oxide membranes prepared by the sol-gel technique:change in visible luminescence during firing[J].J.Phys.Chem.,1992,96(26):11086-11091.

[5] Vayssieres L.Growth of arrayed nanorods and nanowires of ZnO from aqueous solutions[J].Adv.Mater.,2003,15(5):464-466.

[6] 郭廣生,甄志超,俞行.無機納米材料的改性及其在紡織工業(yè)中的應用[J].無機鹽工業(yè),2004,36(3):45-47.

Superhydrophobic and antibacter ial properties of modified terylene satin with zinc oxide nanorods

Qi Gaocan,Zhang Huan,Yuan Zhihao
(Nanom aterials&Nanotechnology Research Center,School of M aterials Science&Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300191,China)

Superhydrophobic terylene satin modified with aligned zinc oxide(ZnO)nanorodswas prepared by a tepidtemperature wet chemical route.Structure and morphology of productwere characterized by X-ray diffractometer and fieldemission scanning electron microscopy.Drop shape analysis system and paper-disk method was used to test its wetting and antibacterial properties.Results showed that the nanorod-modified terylene satin had a water contact angle of 148°,which showed a good hydrophobicity.Meanwhile,bacteriostatic test indicated that the modified terylene satin with aligned ZnO nanorods had a good inhibiting activity to pathogenic escherichia coli and staphylococcus aureus etc..Therefore,the product has an attractive application prospect in gar ment and packaging industries.

ZnO nanorods;surface modification;superhydrophobicity;antibacterial property

TQ132.41

A

1006-4990(2010)04-0058-02

教育部科學技術研究重點項目(207008);國家自然科學基金(20671070)。

2009-10-30

齊高璨 (1985— ),男,碩士研究生,研究方向為納米材料制備化學,已發(fā)表論文 1篇。

聯(lián) 系 人:袁志好

聯(lián)系方式:qigaocan123@163.com