纳米TiO2/Ag复合水性温敏聚氨酯整理剂的应用研究

2021-09-25 10:05王媛媛陈建芳
关键词:乳液紫外线织物

张 汇,周 亭,王媛媛,廖 欢,易 苏,陈建芳

(湖南工程学院 材料与化工学院,湘潭411104)

随着社会的发展及人们生活水平的提高,人们对衣着舒适和健康的需求也日益增强[1].水性聚氨酯以水为分散介质,安全、低公害,具备良好的耐磨性、柔韧性等优点,被广泛用于纺织品整理中.纳米材料因为具有大的比表面积和独特的物理化学性质,所以在催化、抗菌等方面的应用前景广受关注,纳米TiO2、Ag具有抗菌、紫外屏蔽等特点[2-4].将水性温敏聚氨酯(WTSPU)与纳米材料有机结合,可以综合二者的优点,制得含纳米微粒复合物用于织物整理,可以赋予织物多功能性,在纺织品行业具有良好的应用前景[5-6].本研究采用原位负载技术制得纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液,并研究其综合性能.

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

材料与试剂:白色涤纶机织物(190T),广州腰虎商贸有限公司;牛肉膏等生物试剂,北京双旋微生物培养基制品厂;聚酯二醇(PBA,3000)工业级,天津科密欧化学试剂有限公司;聚乙二醇(PEG,2000)化学纯,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)化学纯,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)化学纯,二月桂酸二丁基锡(DBTDL)化学纯,天津市永大化学试剂有限公司;1,4-丁二醇(BDO)化学纯,羟甲基纤维素钠(CMC)工业级,广东汕头市西泷化工厂;其他化学试剂均为分析纯.

菌种:金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus(S.aureus,ATCC9118)、大肠杆菌Escherichia coli(E.coli,CCTCC AB 93454),自制.

仪器:HD902C型防紫外线透过及防晒测试仪(北京卓川电子科技有限公司);YG026H型多功能电子织物强力机(太仓市强乐实验设备有限公司);YG601H型计算机式织物透湿仪(宁波纺织仪器厂);SU3500型扫描电子显微镜(日立高新技术公司);YG825E-20型数字式渗水性测试仪(宁波纺织仪器厂);SW24A-IIA型皂洗牢度试验机(温州市太荣纺织仪器有限公司);R-3型定型机(厦门瑞比精密机械有限公司).

1.2 实验方法

1.2.1纳米银的制备

采用PVP还原法以0.065 gAgNO3为前驱体、0.13 gPVP为还原剂、6.8 g丙三醇(GI)为溶剂,混合后在超声波分散仪中进行分散30 min,在100℃油浴中低速搅拌1 h,制备出纳米Ag溶液,于阴凉、干燥处保存备用.

1.2.2纳米TiO2/Ag-WTSPU预聚体及其水分散体的制备

将干燥好的4.000 g PEG(聚合度1000)与3.600 g PBA置于装有搅拌器的三口烧瓶中,升温至120℃,抽真空除水;降温至80℃后,解除真空,加氮气保护,在三口瓶中加入3 mL丁酮,与4.4670 g IPDI反应1 h;向反应体系中滴加少量的催化剂,生成端异氰酸酯基预聚物;向预聚物中依次加入1.1133 g二羟甲基丙酸(DMPA)与0.7480 g BDO,在WPU发生扩链反应时,分别加入预聚体质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的钛酸四丁酯(TBOT)与预聚体质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的纳米Ag溶液,降温至60℃,加入三乙胺(TEA)1 mL继续反应,再加78.9270 g蒸馏水高速搅拌,即制得纳米TiO2/Ag-WTSPU水分散乳液[7-9].

1.2.3整理工艺

在固含量为15%的纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液中加入质量分数为1%的CMC进行增稠,然后使用涂膜器均匀刮涂涤纶布,放入干燥箱,焙烘温度为170℃,时间为45 s,室温冷却后进行测试,涂膜厚度为80~90μm.

1.3 分析测试

1.3.1涂层织物外观及结构分析

采用SU3500型扫描电镜(SEM),观察样品织物的表面结构并拍摄成像.

1.3.2涂层织物力学性能分析

采用电子织物强力仪,参照GB/T 3923.1-2013剪取经向试样各5块,夹具间距200 mm,拉伸速度100 mm/min.拉伸至试样断裂,记录拉力峰值,计算各平均值.

1.3.3涂层织物耐抗紫外线透过率的测定

参照GB/T 18830-2009《纺织品防紫外线性能的评定》标准测试UPF值、UPF AV值、T(UVA)AV值和T(UVB)AV值,评定纺织品的抗紫外线效果.

1.3.4涂层织物耐洗性能测试

2.1 两组患者术前、术后心肌损伤标志物含量比较 术后,两组患者H-FABP、CK-MB、cTnⅠ均高于本组术前,且A组高于B组,差异均有统计学意义(P<0.05,表1)。

参照GB/T3921-2008《纺织品色牢度耐皂洗牢度》的标准测试织物耐洗性,将整理后的涤纶织物放入皂洗机中(皂片5 g/L,浴比1∶50)在40℃水温中水洗30 min,在三级水中再进行两次清洗,即完成一次水洗,洗后试样悬挂在不超过60℃的空气中干燥,观测其性能.

1.3.5涂层织物透湿量的测定

涂层织物透湿量按照GB/T 12704.1-2009(吸湿法)测试,测试温度分别设定为20℃、25℃、30℃、40℃、50℃.透湿量(WVP)采用式(1)计算:

式中:WVP为透湿量,g/(m2·d);△m为透湿量杯中的质量变化,g;T为测试时间,s;S为透湿杯的杯口面积,m2.

1.3.6涂层织物的抗菌性能测试

参照GB/T 20944.1-2007进行抗菌性能测试,制备牛肉膏蛋白胨琼脂培养基,以无菌操作将0.1 mL菌悬液均匀涂布于固化后的培养基平板上.待测样品(直径为25±5 mm的织物圆片)经20 W紫外灯室温照射6 h后置于37℃中培养18 h(日光灯照),测量样品周围抑菌圈的大小,按式(2)计算试样的抑菌带宽度.

式中:H—抑菌带宽度,单位为毫米(mm);D—抑菌带外径的平均值,单位为毫米(mm);d—试样直径,单位为毫米(mm).

2 结果与讨论

2.1 纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理前后织物表面形态

采用纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液对涤纶织物进行整理,运用扫描电镜(SEM)观察涤纶织物的表面形态,结果如图1所示.从图1可知,未经过整理的织物表面光滑,组织结构较为松散,纤维之间存在较多空隙,有透气性;将纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理到涤纶织物上后,经扫描电镜测试发现纳米微粒在其表面均匀分布,负载效果良好,存在少量团聚现象.同时,由于PU的粘连作用使纤维与纤维之间变得紧密.

图1 涤纶织物整理前后表面形态

2.2 纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理前后织物的力学性能分析

对整理前后的织物进行力学性能测试,测试数据如表1所示,从表1数据可知,整理后的织物断裂强力均有增加,这可能是因为PU软段中多种二元醇本身的结构不同所导致.聚酯制成的水性聚氨酯含极性大的酯基,在这种PU内部,不仅硬段间能够形成氢键,而且软段上的极性基团也能部分地与硬段上的极性基团形成氢键,使硬相能更均匀地分布于软相中,起到弹性交联点的作用,在室温下可形成软段结晶[11],提高了其力学性能.同时纳米TiO2、Ag的含量不同,其断裂强力不同,且随两种纳米微粒含量的增大呈增加趋势,这可能是因为纳米材料本身的强度和硬度以及微裂纹效应,使得织物力学性能提高.

表1 织物整理前后的力学性能

2.3 纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理前后织物的抗紫外及耐水洗性能

采用不同微粒含量的纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理织物并进行洗涤,测试整理后织物的抗紫外性能,测试结果如表2所示,从表2和图2可知,随着纳米TiO2、Ag含量的增加,织物的抗紫外效果明显提高,当纳米微粒含量均达0.4%时,紫外防护系数(UPF)为53.7%,达到可作为抗紫外织物的标准;长波紫外线(UVA)透过率为4.96%,表明织物有抗紫外线效果.而且织物洗涤后,抗紫外线的效果虽降低,但差距不大,表明纳米微粒包覆性好,纳米TiO2/Ag-WTSPU整理剂耐水性较好.这可能是因为,除了纳米粒子本身对紫外线的吸收作用外,将纳米微粒整理到织物上,也可使PU膜对紫外线具有一定的反射作用[12],从而减少了透射率;同时纳米TiO2具有催化紫外光线的能力,最终使其以电磁波的形式向各个方向发射,从而降低了织物的紫外线透过率,达到抗紫外线的效果.

图2 织物整理前后与洗涤前后的抗紫外线效果图

表2 织物整理前后与洗涤前后的抗紫外线效果

2.4 纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液对织物透湿量的影响

测试不同纳米TiO2、Ag含量的整理剂对织物透湿量的影响,测试结果如图3所示.从图3可知,随着温度的上升,织物的透湿量逐渐增加,在25~30℃时,织物透湿量有一个突变,超过30℃后透湿量不再大幅度增加,体现了织物具备一定的温敏特性.这可能是因为PU是由刚性硬段与柔性软段形成的嵌段共聚物,软硬段在聚合物中拥有各自的聚集区,即软段相与硬段相由于热力学上的不相溶性,当外界温度发生变化时,就会出现微相分离的现象[13-15].

图3 不同纳米TiO2/Ag负载量对涂层织物透湿量的影响

2.5 纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理前后织物的抗菌性能

分别以E.Coli、S.aureus为实验菌种,测试经不同纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理后,织物的抑菌效果统计如表3所示.由表3可知,将纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液整理到织物上,使得织物具有良好的抗菌性能,且随着两种纳米粒子负载量的增大,抑菌带宽度逐渐增大,抑菌效果增加,当负载量相同时,整理后的织物对金葡(S.aureus)的抑菌效果更好.

表3 织物整理前后对E.Coli/S.aureus的抑菌效果

3 结论

采用原位负载法制得纳米TiO2/Ag-WTSPU乳液,用该乳液对涤纶织物进行整理,对整理前后的织物进行SEM、力学性能、透湿性、耐水洗、抗紫外以及抗菌性表征,研究表明:整理后织物表面纳米微粒均匀分布,负载效果良好,存在少量团聚现象;当纳米TiO2、Ag负载量均为0.4%时,织物的断裂强力和拉伸长度分别为393.2 N、42.2 mm,织物水洗前后的UPF值均>50,达到防紫外线要求,且有一定耐水洗性;织物在20~30℃透湿量突变,显示一定温敏特性,且织物在40℃时的透湿量达2480 g/(m2·d);对两种菌均有抑制效果,且在同条件下对金葡抑制效果更佳;当纳米TiO2、Ag负载量增加时,织物的力学性能、抗紫外线性及抗菌性均有增强,有效改善了织物的服用性能.

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