ZnO改性棉織物的制備及其抗紫外性能研究

劉 紅

（陜西服裝工程學院服裝學院，陜西西安 712000）

太陽光中的少量紫外線照射有利于人體產生維生素D，促進骨骼發育；但當過量的紫外線照射人體皮膚時，可能導致人體皮膚老化、紅腫脫皮，嚴重時甚至會引起皮膚疾病，增加患皮膚癌的概率［1-2］，因此，對紫外線進行防護已經受到人們的重視。

棉織物具有良好的透氣性和吸濕性，穿著舒適，是人們夏季最青睞的服裝面料之一，但棉織物的抗紫外能力較差，因此，增加棉織物的抗紫外功能受到廣泛關注［3-4］。棉織物的抗紫外性能影響因素較多，包括織物密度、結構、厚度、顏色，后整理工藝和紫外線吸收劑等［5］。

近年來，研究人員將TiO2、ZnO、CuO 和Ag 等顆粒應用于后整理工藝，制備出具有抗紫外功能的織物［6-9］。ZnO 是一種n 型半導體，禁帶寬度3.37 eV，化學性能穩定，對人體皮膚無損傷，是一種優良的紫外線屏蔽劑，可用于制備抗紫外線織物［10］。

本文采用兩步水熱法，將ZnO 顆粒整理到棉織物表面，成功制備出抗紫外功能棉織物，即使經過多次水洗仍能保持良好的抗紫外功能，并且保留了棉織物良好的物理機械性能。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：棉織物（放入氫氧化鈉、檸檬酸和聚乙二醇辛基苯基醚的水溶液中預處理，以去除雜質）；氫氧化鈉，檸檬酸，聚乙二醇辛基苯基醚，六水合硝酸鋅，環六亞甲基四胺。儀器：RINT-2200 X 射線衍射儀，JASCO NRS-7100拉曼光譜儀，JEOL-2100掃描電鏡，TU-1810 型紫外可見分光光度計，UV-2000F型紡織品抗紫外因子測試儀。

1.2 ZnO 改性棉織物的制備

采用兩步法制備ZnO 改性棉織物。第一步，將1 mol 硝酸鋅加入20 mL 去離子水中并持續攪拌，將1 mol 環六亞甲基四胺加入20 mL 去離子水中，隨后將兩種溶液混合；將棉織物加入該混合溶液中浸泡30 min 后再超聲30 min，然后將含有棉織物的溶液加入高壓釜中，120 ℃保溫2 h，取出后用去離子水清洗，60 ℃干燥2 h，得到含ZnO 籽晶的棉織物。第二步，將1 mol 硝酸鋅加入20 mL 去離子水中并持續攪拌，將1 mol 環六亞甲基四胺加入20 mL 去離子水中，隨后將兩種溶液混合；將含ZnO 籽晶的棉織物加入溶液中浸泡，再轉移到高壓釜中，120 ℃保溫12 h，取出后用去離子水沖洗，60 ℃干燥2 h，得到的樣品記為ZnO-CF。只經過預處理的棉織物記為CF。

1.3 測試

抗紫外性能：利用紡織品抗紫外因子測試儀測試樣品在波長250～400 nm 的光透過率和防紫外系數（UPF）。UVA 透過率衰減率=（1-改性棉織物UVA 透過率/原棉織物UVA 透過率）×100%。

白度：參照GB/T 8424.2—2001測試。

斷裂強力：參照GB 3923.1—2013 進行拉伸斷裂強力測試，測試3次，取平均值。

抗皺性（回復角）：采用折皺回復儀測試，負荷10 N，承受時間5 min。

透氣性（透氣量）：參照GB/T 5453—1997，利用透氣測量儀測試。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 XRD

如圖1 所示，CF 和ZnO-CF 在14.85°、16.80°和22.60°處均出現棉織物的衍射峰（CF：JSPDS Card No.03-0226），衍射峰形狀無明顯差別，說明預處理及兩次水熱處理均未對棉織物本身的晶體結構造成明顯影響［11］。ZnO-CF 的其他衍射峰與鉛鋅礦ZnO 的衍射峰（JCPDS Card No.75-0576）位置一致，表明ZnO 成功附著到棉織物表面。圖1a 中，除棉織物本身的衍射峰外，ZnO 的(002)衍射峰強度最高，說明ZnO 沿著c軸方向擇優生長，ZnO 的形狀呈棒狀，這主要是因為c軸方向的表面能最低，生長速度最快［12］。

圖1 ZnO-CF(a)和CF(b)的XRD 圖譜

2.1.2 Raman 光譜

如圖2 所示，未經ZnO 整理的棉織物沒有出現明顯的Raman 特征峰，ZnO-CF 在332、378、409、438 和583 cm-1處存在特征峰。根據群論理論，A1+E1+E2模式具有Raman 活性。438 cm-1處的強特征峰為非極性聲子E2模式，表明制備的ZnO 為高度結晶的鉛鋅礦結構［13］；332 cm-1處的峰歸因于E2模式的次級Raman 散射；378、409 cm-1處的峰為A1（TO）和E1（TO）模式，表明c 軸方向存在原子取代；583 cm-1處的特征峰為E1（LO）模式，該特征峰的出現可能與氧缺陷有關［14］。

圖2 ZnO-CF(a)和CF(b)的Raman 光譜

2.1.3 表面形貌

如圖3 所示，只經預處理的棉織物表面光滑，無明顯的顆粒存在；ZnO-CF 的表面存在相互連接的致密顆粒，呈圓形棒狀。

圖3 CF(a)和ZnO-CF(b)的SEM 圖

如圖4 所示，C 和O 特征峰歸因于棉織物的纖維素，Zn 來自于棒狀的ZnO 顆粒，而Pt 屬于分析測試過程中的添加物質，不屬于ZnO-CF。

圖4 ZnO-CF 的EDS 圖譜

2.2 ZnO-CF 的抗紫外性能

根據GB/T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評定》，當織物的UPF 值大于40 且UVA 透過率小于5%時可歸類為防紫外產品。由表1 可以看出，棉織物經過ZnO 改性以后，UPF 值是原棉織物的10.3 倍，達到104.7。CF 對UVA 的透過率為26.40%，ZnO-CF對UVA 的透過率為1.68%，對UVA 的透過率衰減了93.60%。ZnO-CF的UPF值和UVA透過率均超過GB/T 18830—2009 對防紫外產品的要求，具有良好的抗紫外性能。

表1 CF 和ZnO-CF 的UPF 值、UVA 透過率對比

2.3 洗滌對ZnO-CF 抗紫外性能的影響

如圖5 所示，在初始條件下，隨著洗滌次數的增加，UPF 值先快速下降，后下降趨勢逐漸減緩；經過50 次洗滌后，UPF 值相比初始狀態下降了約27%，但仍然遠高于40。隨著洗滌次數的增加，ZnO-CF 的UVA 透過率逐漸增大，經過50 次洗滌后，UVA 透過率提高至4.38%，低于5%。綜合考慮UPF 值和UVA透過率，ZnO-CF 經過多次水洗后仍然滿足GB/T 18830—2009，可作為防紫外產品。

圖5 ZnO-CF 的UPF 值和UVA 透過率隨洗滌次數的變化趨勢

2.4 ZnO-CF 對不同波長紫外線的透過率

由圖6 可以看出，未改性棉織物的紫外線透過率由250 nm 處的12%幾乎呈線性增長到400 nm 處的32%。ZnO 改性棉織物在250～350 nm 內平穩維持較低的紫外線透過率；隨著波長的進一步增大，紫外線透過率逐步增加，在400 nm 處的紫外線透過率約為4%。在整個紫外線區域，ZnO 改性棉織的紫外線透過率遠低于原棉織物，具有良好的抗紫外性能。

圖6 CF(a)和ZnO-CF(b)對不同波長紫外線的透過率

2.5 ZnO-CF 的物理機械性能

物理機械性能是棉織物的基本性能之一，增加棉織物的抗紫外功能不能以削弱物理機械性能為代價。由表2 可知，ZnO 改性后的棉織物白度、斷裂強力和透氣量均有所下降，但幅度不大，并未影響棉織物的使用性能；回復角相比未改性棉織物大大增加，表明ZnO-CF 具有更好的防皺效果。ZnO-CF 的物理機械性能相比原棉織物并沒有較大削弱，表明ZnO 改性棉織物在增加抗紫外功能的同時仍然保留了其他使用性能。

表2 CF 和ZnO-CF 的部分物理機械性能對比

3 結論

以兩步水熱法制備ZnO 改性棉織物，可有效將ZnO 棒狀顆粒負載于棉織物表面。改性后棉織物的UPF 值高達104.7，UVA 透過率降低至1.68%，遠超防紫外產品的要求。經過50 次水洗后，ZnO 改性棉織物的UPF 值和UVA 透過率分別為76.1 和4.38%，依然高于防紫外產品的要求，表明ZnO 改性棉織物具有持久的紫外防護能力。ZnO 改性棉織物的物理機械性能并未明顯減弱，并具有更好的抗皺性能，表明ZnO改性棉織物具有開發為防紫外紡織品的潛力。