劉 慧， 徐英蓮

(浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

納米ZnO整理對(duì)蠶絲織物抗紫外線性能的影響

劉 慧， 徐英蓮

(浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

為提高蠶絲織物防紫外線性能，采用鈦酸酯偶聯(lián)劑制備納米ZnO水溶膠，對(duì)織物進(jìn)行防紫外線整理。使用Lambda900紫外分光光度計(jì)，測(cè)試波長(zhǎng)280～400 nm范圍的紫外線透過率，以織物的紫外線透過率和UPF值作為其防紫外線性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探討納米ZnO整理蠶絲織物的最優(yōu)整理工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明：納米ZnO質(zhì)量濃度對(duì)整理后織物的UPF值影響最大，其次是偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度、超聲振蕩時(shí)間。優(yōu)化工藝條件為：納米ZnO質(zhì)量濃度18 g/L、偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度12 g/L、超聲分散時(shí)間20 min。整理前后織物的平均紫外線透過率由27.09%降低到2.46%，UPF值從2.624增加到35.428；納米ZnO整理織物具有較優(yōu)的抗紫外線持久性。

納米ZnO； 鈦酸酯偶聯(lián)劑； 蠶絲織物； 紫外線透過率

蠶絲纖維是一種天然蛋白質(zhì)纖維，耐光性較差。近年來，由于環(huán)境污染導(dǎo)致臭氧層破壞，紫外線危害日趨嚴(yán)重。在此環(huán)境下，對(duì)蠶絲織物進(jìn)行防紫外線整理十分必要[1-2]。

無機(jī)類的納米ZnO作為織物后整理材料，其效能已得到證明：Ashrafi等[3]在絲纖維表面進(jìn)行納米ZnO的涂層，表明納米ZnO在吸收和分散紫外輻射方面比普通尺寸的更有效。Vigneshwaran等[4]通過軋烘焙工藝將納米ZnO附著于棉織物表面，使得棉織物在350 nm的透射率從80%降至20%。表明納米ZnO具有量子限域特性、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等特殊性能，對(duì)特定波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象，對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象[5-6]。因此，納米ZnO在較寬的紫外范圍內(nèi)有較強(qiáng)的屏蔽作用。

從生態(tài)環(huán)境、人體安全和高效、耐持久等方面切入，探討蠶絲織物的后整理材料和方法。本文利用鈦酸酯偶聯(lián)劑制備納米ZnO水溶膠，使納米ZnO能夠更好得與蠶絲結(jié)合，改善蠶絲織物的防紫外線性能，增加其耐洗牢度。采用正交試驗(yàn)法，研究納米ZnO質(zhì)量濃度、偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度、超聲分散時(shí)間對(duì)蠶絲織物整理效果的影響，對(duì)測(cè)試結(jié)果使用直接分析法和方差分析法得出優(yōu)化工藝條件。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

織物：電力紡蠶絲織物，面密度為64 g/m2。

試劑：平平加O(實(shí)驗(yàn)用)、水溶性納米ZnO(紹興光催化公司，20 nm，99.5%)、鈦酸酯偶聯(lián)劑201(AR)(南京道寧化工有限公司)。

儀器：EL-300A型電子天平，HH-S型恒溫水浴鍋，DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，KQ-400KDB型數(shù)控超聲波清洗器，101-3型不銹鋼數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱，Lambda 900紫外分光光度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

納米顆粒由于其表面的不飽和懸鍵易吸附H原子而發(fā)生團(tuán)聚，所具備的特性也將隨之減弱。因此，在使用前應(yīng)確保納米顆粒分散均勻。另外納米粒子與纖維的結(jié)合力較差，整理效果的耐洗性較差[7-8]。針對(duì)這2個(gè)問題，本文利用鈦酸酯偶聯(lián)劑制備納米ZnO水溶膠。

1.2.1 蠶絲織物前處理

將蠶絲織物裁成6 cm×6 cm大小，稱取質(zhì)量，按1∶30的浴比浸入平平加O溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%)中，于30 ℃浸漬15 min，取出晾干作為原樣。

1.2.2 納米ZnO水溶膠的配制

配制一定質(zhì)量濃度的納米ZnO水溶液，高速攪拌15 min后超聲波分散一段時(shí)間，再加入一定質(zhì)量濃度的鈦酸酯偶聯(lián)劑，超聲波分散一段時(shí)間，得到納米ZnO水溶膠，具體工藝參數(shù)如表1所示。

1.2.3 蠶絲織物整理

水浴鍋加熱至40 ℃，放入納米ZnO水溶膠和處理過的織物，浴比為1∶30，每隔5 min用玻璃棒翻動(dòng)織物，使得浸漬均勻，50 min后取出試樣，浸漬、烘干，烘干溫度為80 ℃，時(shí)間為3 min，再將試樣放到浴比為1∶30的去離子水中攪拌3 min，將清洗后的試樣室溫晾干。

表1 正交試驗(yàn)計(jì)劃表

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 防紫外線性能測(cè)試

按照GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評(píng)定》，使用Lambda900紫外分光光度計(jì)，測(cè)試波長(zhǎng)在280～400 nm范圍的紫外線透過率。根據(jù)下式計(jì)算紫外線防護(hù)系數(shù)UPF值。

式中：Eλ為相對(duì)紅斑的紫外線光譜效能；Sλ為太陽(yáng)光譜輻射能；Tλ為波長(zhǎng)為λ時(shí)試樣的紫外線透過率。因?yàn)樵赨V-A波段Eλ值很小，UV-B波段Eλ非常高，因此UPF主要反映UV-B防護(hù)等級(jí)。本文計(jì)算的是波長(zhǎng)280～320 nm的UPF值。

紫外線透過率越小，UPF值越大，紫外防護(hù)效果越好。

1.3.2 耐久性能測(cè)試

為了分析織物抗紫外線的持久性，對(duì)整理后的織物分別進(jìn)行5、10、20次洗滌。參照FZ/T 73023—2006《抗菌針織品》附錄C的簡(jiǎn)化洗滌條件及程序，具體洗滌方法是：采用質(zhì)量濃度為2 g/L的標(biāo)準(zhǔn)合成洗滌劑，浴比為1∶30，水溫為(40±3)℃，加入試樣洗5 min，然后用自來水清洗2 min，計(jì)為洗滌1次[9-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米ZnO整理蠶絲織物較優(yōu)工藝分析

2.1.1 紫外線透過率

圖1示出9種不同工藝條件下試樣的紫外線透過率。由圖可知，與蠶絲織物原樣比較，經(jīng)過納米ZnO整理，紫外線透過率明顯降低，但整理工藝參數(shù)對(duì)織物的抗紫外線效果有較大的影響。

由圖1可知，蠶絲織物對(duì)不同波長(zhǎng)的紫外光透射效果不同：波長(zhǎng)在280～300 nm時(shí)，紫外線透過率較低，之后突然升高，穩(wěn)定在較高水平。這主要是由于波長(zhǎng)為279～292 nm時(shí)，剛好與蠶絲蛋白質(zhì)中酪氨酸和色氨酸的吸收特征相接近，它們會(huì)與紫外線發(fā)生光化反應(yīng)，吸收紫外線，減少紫外線對(duì)人體皮膚的傷害，但這也會(huì)使蠶絲蛋白質(zhì)分子主鏈的肽鍵斷裂，分子鏈裂解，蠶絲泛黃變色，影響織物的性能。也就是說在279～292 nm時(shí)蠶絲織物是犧牲自身來達(dá)到防紫外線效果的。當(dāng)波長(zhǎng)越來越高時(shí)，它自身不再具有防紫外線功能，紫外線透過率升高。

由圖1還可知，經(jīng)納米ZnO整理織物的紫外光透射效果為：整理后試樣的紫外線透過率都有所降低，尤其波長(zhǎng)在300～380 nm之間變化最為明顯。這是因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)，蠶絲本身不再具有良好的防紫外線功能，原樣的紫外線透過率變得很高。而試樣經(jīng)過整理后，表面會(huì)吸附納米ZnO，當(dāng)ZnO顆粒粒徑小于100 nm時(shí)，其禁帶寬度約增加到4.5 eV，可以很好地吸收280～350 nm波長(zhǎng)的紫外線[5]，阻隔紫外線的透射，從而起到紫外防護(hù)作用。

2.1.2 UPF值

根據(jù)測(cè)得的紫外線透過率，計(jì)算這9種不同工藝條件下試樣的UPF值，結(jié)果如表2所示。原樣的UPF為2.624，經(jīng)過納米ZnO整理后織物的UPF值增大，紫外防護(hù)性能提高。為了探討各因素對(duì)整理后UPF值影響的大小，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析和方差分析[11]。

2.1.2.1 直觀分析 通過比較相應(yīng)的T值得出各因子3個(gè)水平間的差異，指標(biāo)值越大越好。從表2

表2 UPF值及直觀分析計(jì)算表

可看出，使整理后的UPF值達(dá)到最大的水平組合是A3B2C3，即納米ZnO質(zhì)量濃度為18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度為12 g/L，超聲分散時(shí)間為20 min時(shí)可以使UPF達(dá)到最大，紫外防護(hù)性能最佳。

隨著納米ZnO質(zhì)量濃度提高，織物表面吸附的ZnO顆粒增多，納米ZnO紫外線阻隔效果明顯。但當(dāng)ZnO質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度后，吸附值趨于穩(wěn)定，這說明纖維表面單位面積上納米粒子的數(shù)量達(dá)到飽和。此時(shí)容易產(chǎn)生納米ZnO顆粒團(tuán)聚，織物表面出現(xiàn)一些白斑，納米ZnO的抗紫外線性能不再提高，而且織物的手感等服用性能會(huì)受影響，因此，必須選擇合適的納米ZnO質(zhì)量濃度。

鈦酸酯偶聯(lián)劑的官能團(tuán)—OR能夠與納米ZnO表面的吸附水發(fā)生偶聯(lián)形成較強(qiáng)的氫鍵，在納米ZnO的表面形成緊密的有機(jī)單分子層，使納米ZnO表面得到改性，達(dá)到良好的分散效果。另外由于羥基基團(tuán)能改善納米粒子與纖維間的相容性，產(chǎn)生共價(jià)鍵，提高二者間的結(jié)合牢度[8]。因此，需要適量選擇對(duì)納米顆粒有很好分散作用的偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑的質(zhì)量濃度過高，會(huì)使體系的穩(wěn)定性變差。

由于超聲分散是利用超聲空化產(chǎn)生的高溫高壓等來削減納米顆粒間的作用力，防止納米粒子團(tuán)聚，達(dá)到良好的分散效果[12]。經(jīng)超聲波作用，在開始時(shí)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)沉淀量的減少比較明顯，但如果時(shí)間過長(zhǎng)，體系破乳，沉淀量會(huì)慢慢增多，不利于ZnO的分散穩(wěn)定[12]。

2.1.2.2 方差分析 表3示出UPF方差分析表。由表可知，因子A(納米ZnO質(zhì)量濃度)對(duì)結(jié)果影響最大，其次是B(偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度)和C(超聲分散時(shí)間)。對(duì)于顯著因子A應(yīng)該選擇其最好的水平，因?yàn)槠渌阶兓瘯?huì)造成指標(biāo)的顯著不同[11]。而對(duì)于因子B和C，可以根據(jù)降低成本、操作方便來選擇較低水平，即納米ZnO質(zhì)量濃度取18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度和超聲分散時(shí)間視具體需要而定。

表3 方差分析表

注：F0.99(2,2)=99，F(xiàn)0.95(2,2)=19.0，F(xiàn)0.90(2,2)=9.0。顯著性表示：F≥F0.99(2,2)，特別顯著；F0.99(2,2)>F≥F0.95(2,2)，顯著；F0.95(2,2)>F≥F0.90(2,2)，較顯著；F0.90(2,2)>F，不顯著。

綜上所述，納米ZnO整理蠶絲織物的優(yōu)化工藝條件為：納米ZnO質(zhì)量濃度18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度12 g/L，超聲分散時(shí)間20 min。在上述優(yōu)化工藝條件下，整理前后織物的紫外線透過率由27.09%降低到2.46%，UPF值從2.624增加到35.428。

2.2 抗紫外線耐久性能分析

將原樣、未經(jīng)洗滌的試樣和經(jīng)過不同洗滌次數(shù)的試樣分別放入紫外分光光度計(jì)中，測(cè)試波長(zhǎng)在280～320 nm范圍的紫外線透過率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：洗滌后的整理織物在280～320 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的抗紫外線性能；隨著洗滌次數(shù)的增加，織物的紫外線透過率有提高的趨勢(shì)。在280～320 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，原樣的紫外線透過率為27.09%，未經(jīng)過洗滌的試樣為2.46%，經(jīng)過5次洗滌后為4.68%，10次洗滌后為7.86%，20次洗滌后為9.64%。洗滌后試樣紫外線透過率逐漸提高，但明顯低于原樣。這是因?yàn)樵谂悸?lián)劑作用下納米ZnO與蠶絲纖維間產(chǎn)生了共價(jià)鍵，連接牢度提高。但隨著洗滌次數(shù)的增加，織物表面的部分納米顆粒脫落，導(dǎo)致防紫外線性能降低，因此，以后的試驗(yàn)中可以在整理液中加入適于蠶絲織物的黏合劑，加強(qiáng)其固著牢度，提高耐洗性能。

3 結(jié) 論

1)蠶絲織物經(jīng)過納米ZnO整理后，其紫外線透過率普遍降低，并且在波長(zhǎng)300～380 nm范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定處于較低的水平，但整理工藝參數(shù)對(duì)織物的抗紫外線效果有較大的影響。

2)對(duì)UPF值進(jìn)行直觀分析和方差分析得到納米ZnO整理蠶絲織物的優(yōu)化工藝：納米ZnO質(zhì)量濃度為18 g/L，偶聯(lián)劑質(zhì)量濃度為12 g/L，超聲分散時(shí)間為20 min。在此工藝條件下，織物的紫外線透過率由整理前的27.09%降到2.46%，UPF從整理前的2.624增加到35.428。

3)對(duì)織物進(jìn)行耐久性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，洗滌后的試樣能夠保持穩(wěn)定的抗紫外線性能，即納米ZnO整理后的織物具有較優(yōu)的抗紫外線持久性。

FZXB

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Influence of nano-ZnO finishing on anti-UV properties of silk fabrics

LIU Hui, XU Yinglian

(KeyLaboratoryforAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Nano-ZnO was modified by titanate coupling agent and then used in anti-UV finishing for improving the anti-UV properties of silk fabrics. Then Lambda 900 UV spectrophotometer was used to measure the UV transmittances in the wavelength range from 280 nm to 400 nm， and the UV transmittances and UPF values of the finished fabrics were used to evaluate UV resistance. Moreover orthogonal experiments were designed to determine the optimum process. The results showed that the optimum finishing conditions were as followed: nano-ZnO concentration has remarkable effect on the UPF value, followed by coupling agent concentration and ultrasonic treatment time; and the optimal parameters for anti-UV finishing is nano-ZnO concentration 18 g/L, coupling agent concentration 12 g/L, and ultrasonic treatment time 20 min. The average UV transmittance reduced from 27.09% to 2.46%, the UPF value increased from 2.624 to 35.428, and the treated silk fabric had good laundering durability.

nano-ZnO; titanate coupling agent; silk fabric; UV transmittance

10.13475/j.fzxb.20150800205

2015-08-03

2016-02-15

劉慧(1992—)，女，碩士生。研究方向?yàn)楝F(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品研究。徐英連，通信作者，E-mail: xy16000@126.com。

TS 131.9

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