溶胶-凝胶技术是利用金属醇盐或者无机盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经热处理形成氧化物或其它化合物的一种方法。这是目前材料制备研究较为广泛采用的方法,如制备纳米材料、抗反射膜、有机-无机复合材料、陶瓷纤维等。用SiO2或其它金属氧化物纳米溶胶处理织物,经过干燥除去有机溶剂,可在织物表面形成一层多空结构的氧化物干凝胶膜,而原来的纳米溶胶粒子形成三维网状结构。纳米溶胶的优点是易于进行化学和物理改性,所以使用改性纳米溶胶可以大幅度地改变织物的功能性。化学改性是在溶胶形成的过程中使添加物与金属氧化物粒子以共价键的形式键合,如:通过不同的金属烷氧基化合物共水解来进行化学改性,此法可以得到混合金属氧化物涂膜;另一种化学改性是通过含有一个R侧基的3-烷氧基硅氧烷的共水解、共缩聚完成,通过改变R侧基来调节纳米溶胶膜的性能,如R基为烷基或全氟烷基时,可得到疏水或疏油的膜,而且也可以把R基转换成染料或生物活性物质,来改变纳米溶胶膜的功能性.物理改性是把添加剂均匀地混入并固定在金属氧化物中,不形成共价键,如添加聚合物.溶胶-凝胶技术在溶胶的制备时可以对溶胶进行亚微米、纳米级。

    甚至分子级的物理和化学的改性,极大地改变溶胶的应用范围,如添加生物活性物质、染料分子、纳米粒子等,把改性的溶胶应用到纺织品上,更加扩大了纺织品的应用.溶胶-凝胶技术具有制备工艺简单,容易操作,反应温度低,得到产物均匀度高等优点,可以在织物的表面形成复杂的无机氧化物网络结构,这层凝胶固着在织物的表面,改善纤维的表面化学性能,赋予织物一定的功能性,如表1所示[2].

   本文利用溶胶-凝胶技术得到TiO2纳米水溶胶,然后把该溶胶整理在棉织物上,结果发现,织物表面形成一层无机氧化物涂层,具有一定的疏水性,但手感度、白度降低.

一、实验

1、实验材料及药品

   钛酸丁酯(化学纯),冰乙酸(分析纯),盐酸(分析纯),8 040有机硅乳液,一般平纹机织棉织物.

2、TiO2水溶胶的制备

   TiO2水溶胶的制备方法:先将冰乙酸和钛酸丁酯混合,然后缓慢地滴加到HCl水溶液中,滴加完毕后,静置分层即得到透明度很高的TiO2水溶胶.

3、拒水性能测试方法

(1)耐水压值的测定.采用连通管型水压仪测定试样的耐水压性能.

(2)淋水实验.采用淋水实验仪器如图1进行淋水实验,参考图2进行淋水级数的判断.

二、实验结果与讨论

1、TiO2水溶胶浓度对棉织物拒水性能的影响

   将棉织物于TiO2水溶胶中二浸二轧,然后将织物在烘箱中一定温度下烘干,再在高温下热处理数分钟,然后用以上所述方法测试织物的耐水压值和淋水级数,来评价其疏水效果.整理条件为:轧余率60%,浴比1∶5,60℃预烘30 min,150℃焙烘3 min,采用不同浓度的TiO2水溶胶来整理棉织物,结果如表2.

　  从表2可知当TiO2水溶胶浓度为0.1 mol/l时,其耐水压值大,当溶胶浓度增大,焙烘后在织物表面形成的无机干凝胶膜的厚度越大,且形成的无机网络结构中水分不易全部挥发尽,使其耐水压值降低,如水溶胶的浓度降低,经过溶剂的挥发后,在织物表面形成的干凝胶膜较薄,所以耐水压值降低.同时也测定了水在整理后织物上的接触角,其接触角都超过120°,水滴能在织物表面自由滚动,有如荷叶效果,但是织物表面滴上水后会形成一层水膜,及接触角的后退角和前进角的差异很大,根据表面化学中的粗糙度和接触角的关系可知,用TiO2整理后的纯棉布,表面的粗糙度增加,又因为溶胶-凝胶法整理织物后,在织物的表面形成一层透明的干凝胶膜,且是微孔膜,所以淋水实验级数都是50分.

2、熨烫对棉织物拒水性能的影响同样整理3个布样,后用熨斗在130℃左右,熨烫1~2 min,然后测试数据如表3.

　 比较表2和表3,发现熨烫后,因为无机网络结构中的水分进一步挥发,在高温下,TiO2无机网络结构进一步致密化,使织物的耐水压值都有稍许提高,而淋水级数不变.

3、柔软剂对棉织物拒水性能的影响

   由于用TiO2水溶胶整理纯棉织物后,其表面形成一层无机氧化物薄膜,使织物的手感降低,为了改善织物的手感,采用柔软剂对织物进行预处理.整理方法:先用8 040有机硅乳液整理,二浸二轧,1∶5浴比,轧液率60%,60℃预烘30 min,130℃焙烘5 min.然后用不同浓度的TiO2水溶胶整理,多浸多轧,轧液率60%,60℃预烘30 min,150℃焙烘3 min.后用熨斗在130℃熨烫1~2 min,测试拒水数据如表4.

   先用8 040A有机硅乳液整理织物使其本身具有一定的疏水性,同时也改善织物的手感.从表4数据分析得,用4 g/l有机硅乳液和TiO2水溶胶整理后使织物的耐水压值有所下降,而淋水级数增加了一个级别,比单独用有机硅乳液整理织物的耐水压值提高,淋水级数提高3个级别,而用0.4 g/l有机硅乳液,对织物的影响不大.

4、整理后织物白度及手感的变化

   用简易织物硬挺度实验仪测定整理前后的平均抗弯长度来评价手感.

　　从表5中可知,TiO2水溶胶整理后,其白度稍微发生了变化,当所用的TiO2水溶胶浓度越大,白度下降就越大,如果整理后再经过熨烫,其白度会进一步降低.同时整理后的棉布平均抗弯长度增大,手感较未整理硬挺.

5、整理前后织物表面的电镜照片

   图3为织物整理前后的扫描电子显微镜照片,从图3中可以看出,未整理的棉纤维表面有凹槽,而用TiO2水溶胶整理过的棉纤维的表面,凹槽在一定程度上减少了,是干凝胶填补了部分凹槽,干凝胶在纤维的表面明显的形成一层厚度较为均匀的凝胶膜.在部分纤维之间,也形成了一层很薄的干凝胶膜,这层干凝胶膜因为不在纤维表面,与纤维不形成化学结合,而是形成纤维之间不连贯的干凝胶膜,如果经过揉搓,这层膜很容易断裂脱落.

三、结　语

   用TiO2纳米水溶胶整理纯棉织物,由于在织物的表面形成了一层无机氧化物薄层,改变了织物的表面化学结构,表现出一定的疏水作用.采用0.1 mol/l的水溶胶整理纯棉布,其耐水压值可达到19.7 cm,淋水级数可达到50,如果经过熨烫10 s,其耐水压值还可以提高,而淋水级数只能达到50.为了改善手感,而采用先用疏水的有机硅乳液整理,然后再用TiO2水溶胶整理,疏水性能稍有提高,比单独用TiO2水溶胶整理后织物的手感要平滑柔软.

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