基于多孔材料制备超疏水防紫外多功能纺织品

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受自然界中超疏水现象得到启发,超疏水表面的研究引起了众多学者和专家的兴趣,其制备技术和方法也在不断的更新和发展。从“荷叶效应”可知,微纳米粗糙度结构和低表面能化学物质是构筑超疏水表面必不可少的两个条件。微纳米粗糙度结构往往是通过引入纳米无机材料来实现的,Si O2气凝胶和花状Cu S都是纳米多孔材料,能够在纺织品表面构筑微纳米粗糙度结构,其中Si O2气凝胶具有密度小、比表面积大和三维网络多孔结构等特点,在超疏水表面的构建上展现了广阔的应用前景;而花状Cu S纳米材料以其独特的花状层级多孔结构和光电效应,在赋予纺织品表面粗糙度的同时,又使得纺织品具有抗紫外和光催化性能,对于多功能纺织品的开发和应用具有重要的现实意义。分别利用Si O2气凝胶纳米多孔材料和花状Cu S层级多孔结构与低表面能物质复合,在棉织物表面构筑有机-无机复合结构,使得纺织品具有超疏水抗紫外等功能性的同时,还能提高无机纳米材料与纺织品的结合牢度,增强其耐久性,对于耐久性多功能纺织品的研究和开发具有重要意义。本论文基于纳米多孔材料,依据“荷叶效应”原理和超疏水模型,采用有机-无机复合的方法,制备了超疏水抗紫外多功能纺织品,主要的研究内容如下:(1)采用溶胶-凝胶法,以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体,常压干燥制备了疏水Si O2气凝胶,并研究了MTMS/Me OH摩尔比、p H、草酸/MTMS摩尔比、凝胶化温度、老化温度对疏水Si O2气凝胶的密度和孔隙率的影响,获得了疏水Si O2气凝胶的最佳制备工艺,结果表明:当MTMS/Me OH摩尔比为1:24,氨水调节p H为8,草酸/MTMS摩尔比为1.6×10-4:1,凝胶化温度为40℃,老化温度为50℃条件下制备的Si O2气凝胶的凝胶时间为9h,密度为0.1064g/cm3,孔隙率为95.16%,比表面积可达394.03m2/g,孔径主要分布在2~10nm范围内。红外光谱(FT-IR)表明制备的Si O2气凝胶含有较多的甲基,羟基含量极少,这也与气凝胶表现出疏水性保持一致,接触角可达151.0°。由扫描电镜(SEM)图可以看出Si O2气凝胶的三维空间网络多孔结构,颗粒尺寸2μm左右,孔洞尺寸大都为微纳米级。(2)通过一步法整理,将最佳工艺条件下制备Si O2气凝胶与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制备成PDMS/Si O2气凝胶复合材料,再通过浸-轧-焙的工艺将其整理到棉织物上,得到了超疏水棉织物,并探讨各因素对整理后棉织物疏水效果的影响。结果表明:Si O2气凝胶用量为4%、PDMS用量为4%、焙烘温度为160℃、焙烘时间为60min,整理的棉织物接触角为155.6°,滚动角为8.2°,具有优异的超疏水性能。FT-IR和X射线光电子能谱(XPS)表明整理后的棉织物表面带有Si元素,说明气凝胶已成功附着。从SEM和原子力显微镜(AFM)图中可以看出Si O2气凝胶在棉织物表面均匀覆盖,气凝胶本身存在疏水性的同时为超疏水表面提供了微纳米粗糙度,另外,气凝胶内部孔隙内空气的存在也为超疏水表面的构建提供了有利的条件。耐洗性测试表明制备的超疏水棉织物经25次皂洗后仍具有较好的疏水性;自修复测试表明制备的棉织物样品经过三次等离子体刻蚀和焙烘后接触角仍为140°左右,具有良好的自修复性能。(3)采用水热/溶剂热法,以氯化铜为铜源、硫脲为硫源制备了花状Cu S纳米材料,然后通过一步法整理,将花状Cu S与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制备成PDMS/花状Cu S复合材料,再通过浸渍-焙烘的处理工艺将其整理到棉织物上,得到了超疏水抗紫外线的棉织物,并探讨各因素对整理后棉织物疏水效果的影响。结果表明:花状Cu S用量为4%、PDMS用量为4%、焙烘温度160℃、焙烘时间为60min,整理的棉织物接触角为157.7°,滚动角为7.2°,具有优异的超疏水性能。XPS表明整理的棉织物纤维表面带有新的Si、Cu、S等元素,且C、O等元素含量也明显提高。SEM和AFM图中可以看出花状Cu S在PDMS的“包裹”下均匀的覆盖在棉织物表面且粗糙度得到提高,花状Cu S纳米片之间空气的存在为超疏水表面的构建创造了有利条件。抗紫外测试表明经整理过后的棉织物其UPF值从22提高到511,且经紫外灯高强度长时间照射20h后,其水接触角仍可达152°,具有一定的超疏水稳定性。光催化测试表明经整理的棉织物对亚甲基蓝的降解率达90%以上,可知其具有优异的光催化性能,多功能纺织品的研究和开发具有一定的发展潜力和应用前景。
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