2016年11月11日 星期五 09:15:33
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產品開發 | 自清潔紡織品開發技術

發表時間:2019/9/24

自清潔紡織品技術是基于荷葉自潔作用原理,使紡織品具備與荷葉相似的自清潔效應,可有效防止生活中意外沾污,其核心技術在于具有“三防”功能的同時,毫不影響面料本身的吸濕透氣性。自清潔功能紡織品的開發,不僅可緩解洗滌帶來的環境和能源問題,還能有效屏蔽和消解如細菌、病毒、殺蟲劑、污漬等各種各樣的環境污染物,避免這些污染物通過皮膚或呼吸道對人體造成傷害,可廣泛應用于日常服裝、生化防護服、醫療保健、環境、農場、軍事等領域。獲得自清潔功能的途徑主要包括兩類:一是形成超疏水化表面,二是形成光催化表面。


超疏水化表面技術

根據表面動態潤濕原理,超疏水化表面水滴在運動狀態下處于Cassie 態。Cassie 態下,在表面張力作用下,水滴形狀接近于圓球體,水滴在超疏水表面上的運動行為類似于球體的滾動。此時,當疏水化表面雜質的尺寸小于水滴圓球的尺寸時,水滴對雜質顆粒的粘附作用(表面張力)遠大于疏水化表面對該雜質的粘附作用,于是可以將雜質吸附于水滴表面并逐漸將其包裹在水滴內部,雜質顆粒將在水滴內部并隨水滴的運動一起運動,從而實現雜質的清除。

基于仿生學原理構建材料表面結構,獲得仿生自清潔表面是自清潔功能紡織品制備的主要方法。許多動植物(如荷葉、水稻葉和蝴蝶翅膀)具有超疏水和自清潔效果,利用荷葉或花瓣作為模板進行結構復制,得到反(類)荷葉或花瓣表面結構的聚合物薄膜具有良好的自清潔效果。研究顯示,利用碳納米管(CNT)沉積在棉織物上形成粗糙表面產生“荷葉效應”,可達到超疏水目的。



蝴蝶翅膀和水黽足的超疏水結構


另一種超疏水化的方法是使用低表面能的含氟、硅基團的物質對表面進行修飾或是涂層。如NanoSphere 技術通過對棉和天然纖維混紡織物進行氟碳整理獲得拒污、拒水和拒油性能,也可應用到蠶絲、羊毛紡織品的拒水整理中。

第三,可利用納米技術對纖維和織物進行超疏水化處理。如Mincor TX TT 整理技術模擬荷葉的微觀結構,通過整理工藝將納米粒子嵌入聚合物基質中,賦予整理織物耐久的納米結構表面;中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所的研究團隊構筑了有多級微納復合結構的多壁碳納米管(MWCNT)/ 熱塑性彈性體(TPE)復合超疏水智能涂層,該涂層同時兼具了超疏水和優異的應變感知性能,可有效地抵抗環境中水、酸液、堿液、汗液等的干擾。




多功能智能涂層表面形貌(a、b),水滴在未處理、堿、酸、紫外處理之后的智能涂層表面的光學照片(c)以及智能涂層截面的微觀形貌(d)


光催化表面處理技術

基于光催化原理的自清潔表面技術是一項利用新型復合納米高科技功能材料的技術,目前使用最多的表面納米材料為納米級TiO2 光誘導薄膜。在一定波長的光線照射下,光催化劑納米粒子受激生成電子-空穴對,其中電子具有較強的還原性,相反空穴具有氧化性。因此光催化劑納米粒子在光線輻射下具備極強的氧化-還原作用,可以對許多難降解的有機物進行分解,將光催化劑表面的各種污染物摧毀,同時達到抑制細菌生長和病毒活性的能力,達到自清潔的目的。

1997 年,Nature 上首次報道了納米TiO2 薄膜的雙親性原理,開辟了TiO2 在自清潔領域的應用。此后,在有機高分子纖維自清潔方面的研究成果也層出不窮。香港理工大學以及澳大利亞的研究顯示,在滌綸及棉纖維織物表面制備出銳鈦礦型納米TiO2 薄膜,該技術整理后的棉織物,光催化氧化后可降解表面的污漬,如紅酒漬等;美國海軍實驗室分子生物學工程中心通過向薄膜中添加有效降解化學毒素的酶,控制薄膜層厚度為500nm,再將該薄膜整理到紡織品上,使用過程中添加到膜層中的酶可迅速中和毒素,且無有害物殘留,可應用于軍用、民用的防護服整理;墨爾本皇家理工大學的研究人員在棉紗線上沉積3D 銅和銀納米結構,然后將其編織成織物,當該織物暴露在光線下時,納米結構吸收能量使金屬原子中的電子被激發,進而分解織物表面的污垢,在大約6min 內實現自清潔。


微金屬表面結構

具有自清潔性能的纖維和織物在日常生活和工業中有著非常廣泛的應用前景,但自清潔纖維和織物的研究現狀表明,尚有許多關鍵問題有待進一步研發。比如超疏水自清潔表面制備方法大多需要復雜的設計、精細的控制技術或價格昂貴的氟硅化合物;光催化自清潔表面技術存在無機TiO2  顆粒與纖維結合的牢度不夠、易脫落,影響纖維手感以及難以在纖維表面均勻分散等問題。因此,要開發出適用于纖維材料且高性能化、低成本化的自清潔方法還需要新的思路。

(來源:紡織導報官微)

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