超疏水棉織物的簡易制備技術

鄭振榮， 吳濤林

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387; 2. 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

超疏水棉織物的簡易制備技術

鄭振榮1,2， 吳濤林1

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387; 2. 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

為制備超疏水棉織物，利用烷基氯硅烷對棉織物進行氣相沉積，在棉織物表面生成具有微觀粗糙結構的低表面能物質聚硅氧烷，再結合織物本身的屈曲結構，使棉織物具有超疏水自清潔性能，制備方法簡易，成本低且不需要昂貴的設備。采用掃描電鏡、接觸角測定儀、集灰試驗等手段觀察棉織物的表面形貌，并研究其超疏水和自清潔性能。結果表明：當甲基三氯硅烷(MTS)與二甲基二氯硅烷(DDS)體積比為5∶1，MTS與DDS的總體積為8～10 mL，氣相沉積時間為120 min 時，制得棉織物表面的接觸角達152.3°，滾動角為2.7°；集灰試驗表明，沉積后的棉織物具有良好的自清潔功能。

棉織物; 氣相沉積; 超疏水; 自清潔

超疏水織物是紡織產品不斷向高性能、多功能發展的一種功能性織物。通過對荷葉的研究發現,荷葉表面的化學組成和微觀結構決定了其表面的潤濕性能[1-4]。通常，超疏水織物可通過靜電紡絲法、溶膠-凝膠法、納米二氧化硅法等方法制備[5-7]。但目前還存在不能大批量生產制備，原材料成本高，所用試劑對環境有污染等問題[8-10]，因此現階段超疏水織物的研究重點是探索簡單、經濟、環保的制備方法。本文利用烷基氯硅烷通過化學氣相沉積獲得超疏水棉織物，得到一種操作簡單，成本低的超疏水織物制備工藝，并對棉織物表面的形貌、超疏水性和自清潔性能進行研究。利用該技術制備的超疏水紡織品不僅可用作晴雨兩用服裝、餐桌布等裝飾材料和汽車防護罩等蓬蓋材料，還可應用于現代軍事、救災服裝、醫用防護服等高科技領域。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

棉斜紋織物(紗線線密度為32 tex×48 tex，經緯密為420根/10 cm×178根/10 cm)；甲基三氯硅烷(MTS，分析純，天津化學試劑一廠)；二甲基二氯硅烷(DDS，分析純，天津光復精細化工研究所)；活性炭(粉狀，天津天大化工實驗廠)。

試驗設備：JY-82 接觸角測定儀(河北承德試驗機有限責任公司)；TM-1000 臺式掃描電鏡(日本日立高新技術公司)；CTHI-250B 恒溫箱(施都凱儀器設備上海有限公司)。

1.2 試驗方法

分別取一定體積的甲基三氯硅烷(MTS)和二甲基二氯硅烷(DDS)，在50 mL燒杯中混合均勻，將燒杯放置在相對濕度為80%的密閉容器中，待用。將尺寸為5 cm×10 cm的棉織物放在密閉容器中烷基氯硅烷溶液的上方，在氣相條件下沉積處理一定時間，即制得超疏水棉織物。

1.3 測試方法

1.3.1 接觸角測試

將試樣固定在載物臺上，吸取0.05 mL蒸餾水滴到織物表面，調節焦距和水滴的位置記錄讀數。在織物表面5個不同位置測定接觸角，求其平均值即為織物表面與水的接觸角。

1.3.2 滾動角測試

吸取0.3 mL的蒸餾水滴到織物表面，打開轉動開關轉動載物臺，記錄水滴剛開始滾動時織物傾斜的角度，每個試樣測定3次，取其平均值即為水滴在織物表面的滾動角。

1.3.3 織物表面形貌

利用TM-1000 臺式掃描電鏡觀察棉織物試樣的表面形貌，將試樣固定在樣品板上，快速抽真空，將試樣放大到適當的倍數后，對樣品拍照。

1.3.4 集灰試驗

將炭粉均勻地撒到待測織物表面，吸取0.1 mL蒸餾水滴到織物上，將織物傾斜一定角度使水滴滾落，觀察水滴帶走污物的情況，以此表征織物的自清潔能力。

2 結果與討論

2.1 氣相沉積反應條件的確定

甲基三氯硅烷(MTS)水解后分子中含有3個硅醇基，硅醇基可與織物表面的羥基形成氫鍵，硅醇基分子之間也會相互縮合形成網狀分子結構的聚硅氧烷物質。二甲基二氯硅烷(DDS)分子中含有2個甲基，甲基的存在阻止了Si—O—Si鏈的擴展，甲基越多，硅醇基的反應越容易被終止，因此甲基含量的增加使DDS具有封端劑的作用[11]。

2.1.1 MTS與DDS體積比

MTS/DDS混合液總體積為6 mL，沉積時間為150 min，改變MTS與DDS的體積比，測織物表面的接觸角，結果如圖1所示。

圖1 MTS與DDS體積比對棉織物表面接觸角的影響Fig.1 Effects of volume ratio of MTS/DDS on contact angle of cotton fabrics

由圖1可見，隨著MTS與DDS體積比由3∶1增加至8∶1，織物表面的接觸角由150.5°增大到151.6°，這是因為MTS水解后生成3個硅醇基，在反應過程中用作擴鏈劑，隨著共混液中MTS用量增加，硅醇基間縮合反應的程度增加，因而織物表面的接觸角逐漸增大。總體而言，當MTS與DDS體積比在3∶1～8∶1范圍內變化時，體積比的變化對棉織物表面的接觸角影響較小。

2.1.2 氣相沉積時間

MTS與DDS混合液總體積為6 mL，二者體積比為5∶1，改變氣相沉積時間，測沉積后棉織物表面的接觸角，結果如圖2所示。

圖2 沉積時間對棉織物表面接觸角的影響Fig.2 Effects of deposition time on contact angle of cotton fabrics

由圖2可知，當沉積時間從90 min延長到120 min時，棉織物表面的接觸角由149°增大到152°；這是因為隨著沉積時間的延長織物表面生成的沉積物聚硅氧烷增多，接觸角逐漸增大；隨著沉積時間從120 min延長到180 min，接觸角逐漸減小，這可能是當沉積時間超過120 min時，沉積物增厚到一定程度，繼續延長沉積時間會使沉積物覆蓋織物表面原有的屈曲結構及微小空隙，根據Cassie理論，水滴和織物表面之間的氣墊減少，導致織物超疏水性下降，因此適宜的沉積時間為120 min。

2.1.3 MTS / DDS總體積

MTS/DDS體積比為5∶1，氣相沉積時間為120 min，改變MTS / DDS混合液總體積，測沉積后棉織物表面的接觸角，結果如圖3所示。

圖3 MTS / DDS總體積對棉織物表面接觸角的影響Fig.3 Effects of total volume of MTS/DDS on contact angle of cotton fabrics

由圖3可見，當MTS/DDS混合液總體積由2 mL增大到8 mL時，沉積后棉織物表面的接觸角逐漸增大到152.3°，繼續增加MTS/DDS混合液的用量，棉織物表面的接觸角略有下降。這是因為在MTS/DDS混合液總體積增加時，MTS、DDS的量增加，所以MTS、DDS水解產生的硅醇基與棉織物及硅醇基之間反應程度增加，使織物表面低表面能的沉積物增多，接觸角逐漸增大。當MTS/DDS混合液總量超過10 mL后，可能會造成棉織物表面的沉積物過量，影響織物原有的屈曲結構，使粗糙度降低。因此，MTS/DDS混合液總體積在8～10 mL較為合適。

2.2 棉織物表面形貌與性能測試

2.2.1 掃描電鏡觀察棉織物表面形貌

圖4示出棉織物表面的SEM照片。

圖4 棉織物表面的SEM圖Fig.4 SEM images of the surface of cotton fabrics.(a) Original cotton fabric (×2 000)；(b) Deposited cotton fabric (×2 000)；(c) Deposited cotton fabric (×5 000)

圖4(a)為原棉織物表面的形貌，織物表面很光滑；圖4(b)為MTS/DDS氣相沉積后的棉織物放大2 000倍時的SEM照片，可見棉織物表面生成了很多微小顆粒，將照片繼續放大至5 000倍(見圖4(c))時可見，棉織物表面覆蓋著許多不同尺寸的微納米級顆粒，再結合棉織物本身的屈曲結構，使棉織物表面具有多重粗糙結構。

2.2.2 棉織物超疏水性能表征

圖5示出氣相沉積后棉織物表面的水滴照片。圖5(a)為沉積后棉織物表面與水的接觸角照片，織物表面與水的接觸角為152.3°，滾動角為2.7°；圖5(b)為普通相機拍攝的水滴滴落在棉織物表面的照片，可見水滴形態穩定，與織物表面的接觸面積很小，表現出良好的超疏水性能。

圖5 氣相沉積后棉織物表面的水滴照片Fig.5 Images of water droplets on deposited fabrics. (a) Contact angle of cotton fabric surface and water; (b) Water droplets resident on cotton fabric surface

2.2.3 棉織物自清潔性能測試

圖6示出棉織物表面的自清潔性能。由圖可見，當水滴滴在原棉織物表面后，水滴快速鋪展，炭粉仍然留在織物表面。當水滴滴在氣相沉積后的棉織物表面時，水滴呈圓球狀，不但沒有在織物表面鋪展，而且隨著織物表面略有傾斜，水滴可在織物表面滾動，并將織物表面的炭粉帶走，表現出良好的自清潔功能。

圖6 棉織物表面的自清潔性能測試Fig.6 Self-cleaning test of cotton fabric surfaces. (a) Original cotton fabric; (b) Deposited cotton fabric

3 結 語

采用MTS/DDS共混液對棉織物進行化學氣相沉積成功制得超疏水棉織物，制備方法簡單，易操作，不需要昂貴的設備。化學氣相沉積制得的棉織物表面的接觸角可達152.3°，滾動角為2.7°。 沉積后棉織物性能測試結果表明，該棉織物具有良好的自清潔功能，棉織物上的水滴在滾落時可將織物上的污物粒子帶走。該類自清潔織物的開發不僅賦予織物自清潔性能，還可大大降低織物在清洗過程中的能耗和水耗，有利于節約能源。

FZXB

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Study on simple preparation technique of superhydrophobic cotton fabrics

ZHENG Zhenrong1, 2， WU Taolin1

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,Tianjin300387,China)

In order to prepare superhydrophobic cotton fabrics, alkylchlorosilanes were used and deposited on the cotton fabric by chemical vapor deposition, to form on the surface of the fabric a low surface energy material—polymethylsiloxane with rough microstructure, which, in combination with the tortuous structure inherent in the fabric, made the cotton fabric have superhydrophobic and self-cleaning properties. SEM, contact angle tester, and dust collecting test were used to examine the surface morphology and superhydrophobic and self-cleaning properties of the cotton fabric. The results showed that when the volume ratio of methyltrichlorosilane (MTS) to dimethyldichlorosilane (DDS) was 5∶1, total volume of DDS and MTS was 8-10 mL, deposition time was 120 min, the contact angle of the cotton fabric was 152.3°, and the sliding angle was 2.7°. Self-cleaning tests showed that the cotton fabric has excellent self-cleaning properties. This approach is simple and inexpensive and does not require expensive equipment.

cotton fabric; chemical vapor deposition; superhydrophobic; self-cleaning

0253- 9721(2013)09- 0094- 05

2012-10-17

2013-02-06

國家自然科學基金資助項目(51206122)

鄭振榮(1981—),女,講師，博士。主要研究方向為功能防護紡織品的研究。E-mail：tianjinzhengzr@163.com。

TS 195.5

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