鄭振榮， 吳濤林

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387; 2. 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

超疏水棉織物的簡易制備技術

鄭振榮1,2， 吳濤林1

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387; 2. 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

為制備超疏水棉織物，利用烷基氯硅烷對棉織物進行氣相沉積，在棉織物表面生成具有微觀粗糙結構的低表面能物質(zhì)聚硅氧烷，再結合織物本身的屈曲結構，使棉織物具有超疏水自清潔性能，制備方法簡易，成本低且不需要昂貴的設備。采用掃描電鏡、接觸角測定儀、集灰試驗等手段觀察棉織物的表面形貌，并研究其超疏水和自清潔性能。結果表明：當甲基三氯硅烷(MTS)與二甲基二氯硅烷(DDS)體積比為5∶1，MTS與DDS的總體積為8～10 mL，氣相沉積時間為120 min 時，制得棉織物表面的接觸角達152.3°，滾動角為2.7°；集灰試驗表明，沉積后的棉織物具有良好的自清潔功能。

棉織物; 氣相沉積; 超疏水; 自清潔

超疏水織物是紡織產(chǎn)品不斷向高性能、多功能發(fā)展的一種功能性織物。通過對荷葉的研究發(fā)現(xiàn),荷葉表面的化學組成和微觀結構決定了其表面的潤濕性能[1-4]。通常，超疏水織物可通過靜電紡絲法、溶膠-凝膠法、納米二氧化硅法等方法制備[5-7]。但目前還存在不能大批量生產(chǎn)制備，原材料成本高，所用試劑對環(huán)境有污染等問題[8-10]，因此現(xiàn)階段超疏水織物的研究重點是探索簡單、經(jīng)濟、環(huán)保的制備方法。本文利用烷基氯硅烷通過化學氣相沉積獲得超疏水棉織物，得到一種操作簡單，成本低的超疏水織物制備工藝，并對棉織物表面的形貌、超疏水性和自清潔性能進行研究。利用該技術制備的超疏水紡織品不僅可用作晴雨兩用服裝、餐桌布等裝飾材料和汽車防護罩等蓬蓋材料，還可應用于現(xiàn)代軍事、救災服裝、醫(yī)用防護服等高科技領域。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

棉斜紋織物(紗線線密度為32 tex×48 tex，經(jīng)緯密為420根/10 cm×178根/10 cm)；甲基三氯硅烷(MTS，分析純，天津化學試劑一廠)；二甲基二氯硅烷(DDS，分析純，天津光復精細化工研究所)；活性炭(粉狀，天津天大化工實驗廠)。

試驗設備：JY-82 接觸角測定儀(河北承德試驗機有限責任公司)；TM-1000 臺式掃描電鏡(日本日立高新技術公司)；CTHI-250B 恒溫箱(施都凱儀器設備上海有限公司)。

1.2 試驗方法

分別取一定體積的甲基三氯硅烷(MTS)和二甲基二氯硅烷(DDS)，在50 mL燒杯中混合均勻，將燒杯放置在相對濕度為80%的密閉容器中，待用。將尺寸為5 cm×10 cm的棉織物放在密閉容器中烷基氯硅烷溶液的上方，在氣相條件下沉積處理一定時間，即制得超疏水棉織物。

1.3 測試方法

1.3.1 接觸角測試

將試樣固定在載物臺上，吸取0.05 mL蒸餾水滴到織物表面，調(diào)節(jié)焦距和水滴的位置記錄讀數(shù)。在織物表面5個不同位置測定接觸角，求其平均值即為織物表面與水的接觸角。

1.3.2 滾動角測試

吸取0.3 mL的蒸餾水滴到織物表面，打開轉(zhuǎn)動開關轉(zhuǎn)動載物臺，記錄水滴剛開始滾動時織物傾斜的角度，每個試樣測定3次，取其平均值即為水滴在織物表面的滾動角。

1.3.3 織物表面形貌

利用TM-1000 臺式掃描電鏡觀察棉織物試樣的表面形貌，將試樣固定在樣品板上，快速抽真空，將試樣放大到適當?shù)谋稊?shù)后，對樣品拍照。

1.3.4 集灰試驗

將炭粉均勻地撒到待測織物表面，吸取0.1 mL蒸餾水滴到織物上，將織物傾斜一定角度使水滴滾落，觀察水滴帶走污物的情況，以此表征織物的自清潔能力。

2 結果與討論

2.1 氣相沉積反應條件的確定

甲基三氯硅烷(MTS)水解后分子中含有3個硅醇基，硅醇基可與織物表面的羥基形成氫鍵，硅醇基分子之間也會相互縮合形成網(wǎng)狀分子結構的聚硅氧烷物質(zhì)。二甲基二氯硅烷(DDS)分子中含有2個甲基，甲基的存在阻止了Si—O—Si鏈的擴展，甲基越多，硅醇基的反應越容易被終止，因此甲基含量的增加使DDS具有封端劑的作用[11]。

2.1.1 MTS與DDS體積比

MTS/DDS混合液總體積為6 mL，沉積時間為150 min，改變MTS與DDS的體積比，測織物表面的接觸角，結果如圖1所示。

圖1 MTS與DDS體積比對棉織物表面接觸角的影響Fig.1 Effects of volume ratio of MTS/DDS on contact angle of cotton fabrics

由圖1可見，隨著MTS與DDS體積比由3∶1增加至8∶1，織物表面的接觸角由150.5°增大到151.6°，這是因為MTS水解后生成3個硅醇基，在反應過程中用作擴鏈劑，隨著共混液中MTS用量增加，硅醇基間縮合反應的程度增加，因而織物表面的接觸角逐漸增大?？傮w而言，當MTS與DDS體積比在3∶1～8∶1范圍內(nèi)變化時，體積比的變化對棉織物表面的接觸角影響較小。

2.1.2 氣相沉積時間

MTS與DDS混合液總體積為6 mL，二者體積比為5∶1，改變氣相沉積時間，測沉積后棉織物表面的接觸角，結果如圖2所示。

圖2 沉積時間對棉織物表面接觸角的影響Fig.2 Effects of deposition time on contact angle of cotton fabrics

由圖2可知，當沉積時間從90 min延長到120 min時，棉織物表面的接觸角由149°增大到152°；這是因為隨著沉積時間的延長織物表面生成的沉積物聚硅氧烷增多，接觸角逐漸增大；隨著沉積時間從120 min延長到180 min，接觸角逐漸減小，這可能是當沉積時間超過120 min時，沉積物增厚到一定程度，繼續(xù)延長沉積時間會使沉積物覆蓋織物表面原有的屈曲結構及微小空隙，根據(jù)Cassie理論，水滴和織物表面之間的氣墊減少，導致織物超疏水性下降，因此適宜的沉積時間為120 min。

2.1.3 MTS / DDS總體積

MTS/DDS體積比為5∶1，氣相沉積時間為120 min，改變MTS / DDS混合液總體積，測沉積后棉織物表面的接觸角，結果如圖3所示。

圖3 MTS / DDS總體積對棉織物表面接觸角的影響Fig.3 Effects of total volume of MTS/DDS on contact angle of cotton fabrics

由圖3可見，當MTS/DDS混合液總體積由2 mL增大到8 mL時，沉積后棉織物表面的接觸角逐漸增大到152.3°，繼續(xù)增加MTS/DDS混合液的用量，棉織物表面的接觸角略有下降。這是因為在MTS/DDS混合液總體積增加時，MTS、DDS的量增加，所以MTS、DDS水解產(chǎn)生的硅醇基與棉織物及硅醇基之間反應程度增加，使織物表面低表面能的沉積物增多，接觸角逐漸增大。當MTS/DDS混合液總量超過10 mL后，可能會造成棉織物表面的沉積物過量，影響織物原有的屈曲結構，使粗糙度降低。因此，MTS/DDS混合液總體積在8～10 mL較為合適。

2.2 棉織物表面形貌與性能測試

2.2.1 掃描電鏡觀察棉織物表面形貌

圖4示出棉織物表面的SEM照片。

圖4 棉織物表面的SEM圖Fig.4 SEM images of the surface of cotton fabrics.(a) Original cotton fabric (×2 000)；(b) Deposited cotton fabric (×2 000)；(c) Deposited cotton fabric (×5 000)

圖4(a)為原棉織物表面的形貌，織物表面很光滑；圖4(b)為MTS/DDS氣相沉積后的棉織物放大2 000倍時的SEM照片，可見棉織物表面生成了很多微小顆粒，將照片繼續(xù)放大至5 000倍(見圖4(c))時可見，棉織物表面覆蓋著許多不同尺寸的微納米級顆粒，再結合棉織物本身的屈曲結構，使棉織物表面具有多重粗糙結構。

2.2.2 棉織物超疏水性能表征

圖5示出氣相沉積后棉織物表面的水滴照片。圖5(a)為沉積后棉織物表面與水的接觸角照片，織物表面與水的接觸角為152.3°，滾動角為2.7°；圖5(b)為普通相機拍攝的水滴滴落在棉織物表面的照片，可見水滴形態(tài)穩(wěn)定，與織物表面的接觸面積很小，表現(xiàn)出良好的超疏水性能。

圖5 氣相沉積后棉織物表面的水滴照片F(xiàn)ig.5 Images of water droplets on deposited fabrics. (a) Contact angle of cotton fabric surface and water; (b) Water droplets resident on cotton fabric surface

2.2.3 棉織物自清潔性能測試

圖6示出棉織物表面的自清潔性能。由圖可見，當水滴滴在原棉織物表面后，水滴快速鋪展，炭粉仍然留在織物表面。當水滴滴在氣相沉積后的棉織物表面時，水滴呈圓球狀，不但沒有在織物表面鋪展，而且隨著織物表面略有傾斜，水滴可在織物表面滾動，并將織物表面的炭粉帶走，表現(xiàn)出良好的自清潔功能。

圖6 棉織物表面的自清潔性能測試Fig.6 Self-cleaning test of cotton fabric surfaces. (a) Original cotton fabric; (b) Deposited cotton fabric

3 結 語

采用MTS/DDS共混液對棉織物進行化學氣相沉積成功制得超疏水棉織物，制備方法簡單，易操作，不需要昂貴的設備。化學氣相沉積制得的棉織物表面的接觸角可達152.3°，滾動角為2.7°。 沉積后棉織物性能測試結果表明，該棉織物具有良好的自清潔功能，棉織物上的水滴在滾落時可將織物上的污物粒子帶走。該類自清潔織物的開發(fā)不僅賦予織物自清潔性能，還可大大降低織物在清洗過程中的能耗和水耗，有利于節(jié)約能源。

FZXB

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Study on simple preparation technique of superhydrophobic cotton fabrics

ZHENG Zhenrong1, 2， WU Taolin1

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,Tianjin300387,China)

In order to prepare superhydrophobic cotton fabrics, alkylchlorosilanes were used and deposited on the cotton fabric by chemical vapor deposition, to form on the surface of the fabric a low surface energy material—polymethylsiloxane with rough microstructure, which, in combination with the tortuous structure inherent in the fabric, made the cotton fabric have superhydrophobic and self-cleaning properties. SEM, contact angle tester, and dust collecting test were used to examine the surface morphology and superhydrophobic and self-cleaning properties of the cotton fabric. The results showed that when the volume ratio of methyltrichlorosilane (MTS) to dimethyldichlorosilane (DDS) was 5∶1, total volume of DDS and MTS was 8-10 mL, deposition time was 120 min, the contact angle of the cotton fabric was 152.3°, and the sliding angle was 2.7°. Self-cleaning tests showed that the cotton fabric has excellent self-cleaning properties. This approach is simple and inexpensive and does not require expensive equipment.

cotton fabric; chemical vapor deposition; superhydrophobic; self-cleaning

0253- 9721(2013)09- 0094- 05

2012-10-17

2013-02-06

國家自然科學基金資助項目(51206122)

鄭振榮(1981—),女,講師，博士。主要研究方向為功能防護紡織品的研究。E-mail：tianjinzhengzr@163.com。

TS 195.5

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