劉祖蘭, 李蘭倩, 譚 煉, 劉一萍, 盧 明

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 重慶 400716)

基于簇狀氧化鋅的抗紫外蠶絲織物整理

劉祖蘭, 李蘭倩, 譚 煉, 劉一萍, 盧 明

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 重慶 400716)

為了賦予蠶絲織物抗紫外性能，采用層層組裝技術(shù)在蠶絲織物表面構(gòu)筑簇狀氧化鋅粒子。采用掃描電鏡(SEM)、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)表征了簇狀氧化鋅粒子的表面形態(tài)和粒徑，測(cè)試了蠶絲織物抗紫外效果、透氣性等性能。結(jié)果表明：采用水熱合成法制備的氧化鋅粒子呈團(tuán)簇狀，經(jīng)十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)改性后氧化鋅粒子的粒徑為215.9 nm，分散性得到明顯提高；整理后的蠶絲織物表面出現(xiàn)簇狀氧化鋅結(jié)構(gòu)，抗紫外效果隨組裝層數(shù)的增加而增加；同時(shí)，層層組裝后織物的透氣性并未產(chǎn)生明顯變化，并具有較好的耐水洗性和耐光性。

層層組裝; 簇狀氧化鋅粒子; 蠶絲織物; 抗紫外性

隨著生活水平的提高，人們對(duì)紡織品的功能性要求越來(lái)越高，研發(fā)具有抗紫外功能的蠶絲織物成為一大研究熱點(diǎn)。

紡織品常用的抗紫外輻射物質(zhì)可以分為有機(jī)紫外線吸收劑、無(wú)機(jī)紫外線屏蔽劑[1]和納米抗紫外線整理劑。有機(jī)紫外吸收劑光穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生色變，使用壽命短，會(huì)刺激皮膚。無(wú)機(jī)紫外線屏蔽劑的主要作用機(jī)制是反射或散射紫外線。而氧化鋅、二氧化鈦[2]等納米級(jí)微粒對(duì)UVB全波段具有較強(qiáng)的屏蔽性，而且光穩(wěn)定性好[3]。氧化鋅是六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，在室溫下禁帶寬度為3.37 eV，屏蔽紫外線的波段范圍大，折光率小，漫射光率低，透明度高，廉價(jià)、無(wú)毒，是理想的紫外線屏蔽劑[4]。

賦予織物抗紫外性能的方式主要有纖維功能化和后整理，其中后整理方式包括吸盡法、涂層法、浸軋法和微膠囊加工技術(shù)[5]。吸盡法和浸軋法存在整理劑與織物結(jié)合牢度較差的問(wèn)題，涂層法破壞織物手感，微膠囊技術(shù)目前尚不成熟。

層層組裝(layer-by-layer assembly)是基于物質(zhì)間的弱力，交替沉積物質(zhì)來(lái)制備復(fù)合膜的膜構(gòu)筑方法[6]。層層組裝的概念最早于1966年由杜邦公司應(yīng)用科學(xué)家Iler提出，但并沒(méi)有引起人們的重視。直到1991年，Decher等[7]采用層層組裝的方法制備功能性聚電解質(zhì)和有機(jī)小分子超薄膜，現(xiàn)代層層組裝的工作才開(kāi)啟。這一技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制膜的組成和結(jié)構(gòu)，適用于大面積、非平面基底上膜的沉積，能保證結(jié)合牢度和織物手感。本文采用層層組裝的方式將簇狀氧化鋅粒子整理到蠶絲織物表面，研究組裝后蠶絲織物的抗紫外效果、透氣性等性能，探討層層組裝技術(shù)用于無(wú)機(jī)氧化物粒子對(duì)紡織品抗紫外整理的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

織物：桑蠶絲織物，市售(經(jīng)密53根/cm，緯密53根/cm，平方米質(zhì)量69 g/m2)。

試劑：硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)、氫氧化鈉(NaOH)、硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)、六次亞甲基四胺(C6H12N4)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，均為分析純(成都市科龍化工試劑廠)，聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA，工業(yè)級(jí),張家港凱寶來(lái)環(huán)保科技有限公司)。

儀器：KQ2200DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠)，SHB-D循環(huán)水式抽空泵(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)，YG(B)461D-Ⅱ型數(shù)字式織物透氣量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司)，IS19-1型積分球(北京普析通用儀器有限公司)，ALPHA德國(guó)布魯克傅里葉紅外光譜儀(天津布蘭頓科技有限公司)，Nano-S90納米粒度儀(馬爾文儀器有限公司)。

1.2 整理液制備

1.2.1 制備簇狀氧化鋅粒子

配制硝酸鋅與六次亞甲基四胺混合溶液，摩爾比為1︰1，超聲處理10 min，在90 ℃下加熱攪拌3 h，過(guò)濾，70 ℃烘干，所得白色粉末即為簇狀氧化鋅粒子[8-9]。

1.2.2 簇狀氧化鋅粒子改性

用簇狀氧化鋅粒子配制2 g/L的分散液，超聲處理10 min，加入濃度為0.05%的CTAB[10]，再超聲處理20 min以提高簇狀氧化鋅粒子的分散性。改性后的簇狀氧化鋅粒子Zeta電位為+39.45 mV。

1.2.3 組裝液的配制

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的PDDA溶液備用；配制質(zhì)量濃度為42.63 g/L的Na2SiO3溶液[7]，調(diào)節(jié)pH值至11.4，備用。

1.3 織物表面構(gòu)筑簇狀氧化鋅

用熱水清洗蠶絲織物以除去表面雜質(zhì)，自然晾干。

蠶絲織物首先組裝兩層PDDA/Na2SiO3(即交替循環(huán)浸軋PDDA，Na2SiO3為一層，再循環(huán)一次為兩層)，再浸軋改性ZnO粒子分散液，最后組裝兩層Na2SiO3/PDDA，烘干，為組裝了一層簇狀ZnO。組裝n層簇狀ZnO即重復(fù)上述過(guò)程n次。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 紫外線防護(hù)性能測(cè)試

采用IS19-1積分球測(cè)試織物的透射率，根據(jù)透射率評(píng)價(jià)織物抗紫外線輻射的防護(hù)效果。計(jì)算公式[11]如下：

式中：T(UVA)為UVA波段的紫外線透過(guò)率，%；T(UVB)為UVB波段的紫外線透過(guò)率，%；Tλ為波長(zhǎng)為λ時(shí)的紫外線透過(guò)率，%；Δλ為紫外線光波長(zhǎng)度間距，nm。

1.4.2 織物透氣性測(cè)試

采用YG(B)461D-Ⅱ型數(shù)字式織物透氣量?jī)x測(cè)試織物的透氣性。

1.4.3 織物紫外線防護(hù)性的耐洗性測(cè)試

根據(jù)GB/T 15552―2007《絲織物試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則》，測(cè)試織物抗紫外效果耐洗性。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)表征

從圖1可以看出，制備的ZnO粒子呈簇狀。圖2是改性前后ZnO粒子的粒徑分布。改性前的ZnO平均粒徑為535.1 nm，改性后的ZnO平均粒徑降低到215.9 nm。與改性前相比，粒徑明顯減小，在水溶液中的分散性得到提高。

圖1 簇狀ZnO粒子結(jié)構(gòu)SEM圖Fig.1 SEM images of tufted ZnO particles

圖2 簇狀ZnO粒子的粒徑分布Fig.2 Size distribution of tufted ZnO particles

圖3是蠶絲織物層層組裝ZnO后的SEM照片。從圖3可以看出，ZnO粒子呈團(tuán)簇狀吸附組裝到蠶絲纖維表面。

圖3 ZnO組裝蠶絲織物表面SEM圖Fig.3 SEM images of silk fabric assembled with ZnO

圖4是層層組裝前后的蠶絲織物紅外譜圖。圖4中蠶絲織物在1 650.0 cm-1和1 518.7 cm-1處有吸收峰，分別對(duì)應(yīng)酰胺I的無(wú)規(guī)構(gòu)象峰和酰胺II的β折疊構(gòu)象峰[12]。而處理后的蠶絲織物在483 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，該峰為ZnO的特征峰譜帶。說(shuō)明簇狀ZnO粒子已經(jīng)通過(guò)層層吸附的方式組裝到蠶絲織物上。

圖4 層層組裝前后的蠶絲織物紅外譜圖Fig.4 FT-IR spectrograms of silk fabrics before and after layer-by-layer assembly

2.2 組裝層數(shù)對(duì)蠶絲織物抗紫外性能影響

用1.3所述的方法對(duì)蠶絲織物進(jìn)行處理，對(duì)不同層數(shù)ZnO組裝處理后的織物進(jìn)行抗紫外性能測(cè)試。

圖5是不同ZnO粒子層數(shù)處理織物的紫外光透過(guò)率。從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)ZnO粒子層層組裝處理后，蠶絲織物的抗紫外效果明顯增加，并且抗紫外效果隨著ZnO組裝層數(shù)增加逐漸提高。

圖5 不同ZnO粒子層數(shù)處理織物的紫外光透過(guò)率Fig.5 The ultraviolet light transmittance of silk fabrics treated with different layers of ZnO particles

由表1中蠶絲織物抗紫外性能測(cè)試數(shù)據(jù)看出，組裝1層簇狀ZnO的蠶絲織物與未經(jīng)任何處理的蠶絲織物相比其UVB、UVA透過(guò)率分別降低了62.07%、47.59%。組裝簇狀ZnO超過(guò)7層后，織物抗紫外性能增加不明顯，因而之后的實(shí)驗(yàn)均以組裝7層簇狀ZnO的織物(LBL布)為研究對(duì)象。

表1 ZnO粒子層數(shù)對(duì)蠶絲織物紫外防護(hù)性能的影響

2.3 對(duì)織物透氣性的影響

采用織物透氣量?jī)x測(cè)試組裝簇狀ZnO粒子前后蠶絲織物的透氣性，結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)簇狀ZnO層層組裝的蠶絲織物透氣性僅比未處理織物降低5%，對(duì)織物透氣性影響較小。從圖6看出，織物經(jīng)過(guò)層層組裝簇狀ZnO后，織物孔隙幾乎沒(méi)有被堵塞，因而蠶絲織物透氣性不會(huì)發(fā)生明顯變化。

圖6 處理織物光學(xué)顯微鏡觀察照片F(xiàn)ig.6 Optical microscope photograph of the fabric

2.4 紫外光照射對(duì)織物抗紫外性能的影響

圖7是紫外光照射不同時(shí)間對(duì)織物的紫外光透過(guò)率的影響。從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)48 h紫外光照射后的織物紫外光透過(guò)率明顯低于經(jīng)過(guò)24 h紫外光照射的織物。隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，織物紫外光透過(guò)率逐漸下降，織物抗紫外線效果增加。

圖7 紫外光照射對(duì)蠶絲織物紫外光透過(guò)率的影響Fig.7 Effect of UV-irradiation on ultraviolet light transmittance of silk fabrics

2.5 層層組裝蠶絲織物的耐洗性

圖8是水洗次數(shù)對(duì)織物紫外光透過(guò)率的影響。

圖8 水洗次數(shù)對(duì)織物紫外光透過(guò)率的影響Fig.8 Effect of washing times on ultraviolet light transmittance of silk fabrics

從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)水洗后，織物紫外線透過(guò)率提高。隨著水洗次數(shù)增加，織物抗紫外效果先降低后增加。原因是隨著水洗次數(shù)增加，散著于織物上的簇狀ZnO粒子脫落，而經(jīng)過(guò)層層吸附方式組裝到織物上的簇狀ZnO粒子則由于聚電解質(zhì)多次脫水壓縮而更為緊密。經(jīng)過(guò)20次水洗后，織物對(duì)UVB的透過(guò)率為7.47%，對(duì)UVA的透過(guò)率為14.03%，說(shuō)明經(jīng)層層組裝處理的織物具有耐久性。

3 結(jié) 論

1)經(jīng)過(guò)簇狀ZnO層層組裝改性后的蠶絲織物抗紫外效果明顯提高，透氣性沒(méi)有明顯變化。

2)對(duì)層層組裝后的蠶絲織物進(jìn)行紫外光照射，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)8～48 h紫外光照射后，織物抗紫外效果有所增加。

3)多次水洗過(guò)程中，層層組裝簇狀ZnO的蠶絲織物對(duì)紫外線的防護(hù)性能先降低后增加。

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Preparation of Uvioresistant Silk Fabrics Based on Tufted Zinc Oxide

LIU Zulan, LI Lanqian, TAN Lian, LIU Yiping, LU Ming

(College of Textiles & Garments, Southwest University, Chongqing 400716, China)

The tufted ZnO particle was constructed on the surface of silk fabrics by layer-by-layer assembly in order to endow the silk fabric with uvioresistant performance. SEM and DLS were used to characterize surface morphology and particle size of tufted ZnO particles and test uvioresistant effect and air permeability of silk fabric. The results show that ZnO particles prepared by hydrothermal method present cluster shape; the particle size of ZnO particles modified by CTAB is 215.9 nm; the dispersity improves significantly; tufted ZnO structure appears on the surface of treated silk fabric; uvioresistant performance of silk fabric enhances with the rise in the layers; meanwhile, air permeability of silk fabric after layer-by-layer assembly has no significant change, and the silk fabric owns good washing fastness and light fastness.

layer-by-layer assembly; tufted ZnO particle; silk fabric; uvioresistant performance

2014-09-15;

2014-11-12

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(XDJK2013B026)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410635013)；本科生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(1316005)

劉祖蘭(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ苄约徔椘费芯?。通信作者：盧明，副教授，lumingswu@gmail.com。

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.03.005

TS195.5

A

1001-7003(2015)03-0021-05 引用頁(yè)碼: 031105