新型含纳米ZnO抗紫外整理剂的应用研究yd5604

陈英发(北京市服装面料研究开发与评价重点实验室)

张永文(北京服装学院材料工程学院)

原载：2005“汽巴精化杯”第二届中青年染整工作者论坛论文集；61-64

 

   【摘要】本文研究了三种不同方法制得的纳米ZnO和聚丙烯酸酯的复合体系——新型含纳米ZnO抗紫外整理剂的稳定性和抗紫外性能，并与同类产品进行了比较。结果表明：新型含纳米ZnO抗紫外整理剂在30天以内具有良好的放置稳定性；抗紫外整理剂ZnO的抗紫外性能接近或超过同类含纳米ZnO的抗紫外整理剂，并且具有良好的耐洗涤性。

   关键词  纳米ZnO  抗紫外整理  稳定性  UPF

0   前言

    抗紫外整理是近三十年来逐渐受到人们关注的一种功能整理。由于大气层中臭氧层变薄，导致地球表面的紫外线辐射量增强，由此产生对人类的伤害使得人们越来越重视纺织品的抗紫外防护功能。

    纳米技术在纺织品加工中应用的一个重要方面就是纳米ZnO作为紫外线屏蔽剂应用于抗紫外整理。ZnO廉价无毒，对皮肤无刺激性，热稳定性好，不分解、不变质，屏蔽紫外线波长范围在240-380nm，比TiO2(340-360nm)宽，折光率(n=1.9)也比Ti02(n=2.6)小，对光线的漫散射率低，透明度较高[1-2]，是作紫外线屏蔽剂的好材料。但纳米ZnO对纤维无亲和力，需借助粘着剂机械地附着在纤维表面。前期研究发现：在纳米ZnO的分散体系中加入聚丙烯酸酯使纳米ZnO颗粒分布均匀，有助于提高分散体系的稳定性[3]。聚丙烯酸酯又是一性能优良的粘着剂，由此设计并研制了纳米ZnO和聚丙烯酸酯的复合体系，该体系作为抗紫外整理剂在整理时无需另加粘着剂，具有使用方便的特点。本论文对三种不同方法制得的纳米ZnO和聚丙烯酸酯复合体系的稳定性能和抗紫外性能进行了比较研究，并通过与同类产品的比较全面地评价了复合体系的抗紫外整理剂的性能。

1   实验部分

    1·1实验材料

    自制抗紫外整理剂ZA、ZB、ZC(含纳米ZnO)，抗紫外整理剂UV2(含纳米Zn0)(上海博纳维来新材料有限公司)，抗紫外整理剂SCJ-966 (二苯甲酮类化合物)(北京洁尔爽高科技有限公司)。

1.2  主要实验仪器

    ZETASIZER粒径测试仪 (Malvem Insruments Ltd，Malvem UK)，JSM-6360 LV型扫描电子显微镜 (日本)，M350型紫外分光光度计 (英国SDL国际有限公司)，XSX-2摄像显微镜(Panasonic，Japan)，KQ-l00DB型数控超声波清洗器(上海昆山市超声仪器有限公司)。

1.3  实验方法

1.3.1  制备方法闭

1)     抗紫外整理剂ZA:  将稳定化的纳米ZnO乳液与合成的聚丙烯酸酯A在一定条件下复合制得。

2)     抗紫外整理剂ZB： 在聚丙烯酸酯合成中加入硅改性剂，其他条件同聚丙烯酸酯A，合成的产品为聚丙烯酸酯B，然后与稳定化的纳米ZnO乳液在一定条件下(同ZA)复合制得。

3)     抗紫外整理剂ZC：合成聚丙烯酸酯时的软硬单体比例同A，只是在合成时，先将硬单体加入聚合成"核"，然后再加入软单体继续聚合成聚丙烯酸酯C。最后与稳定化的纳米ZnO乳液在一定条件下(同ZA)复合制得。

1.3.2  整理方法

    工艺流程：

    二浸二轧(带液率70%)→预烘(80℃，3mn)→焙烘(l60℃，2min)。

1.3.3  测试方法

    1)稳定性：取一定量整理剂样品于带刻度试管中，初始高度为50mm，静置一定时间后，读取上层清液高度，衡量其静置稳定性。清液高度越高，说明团聚沉淀越多，稳定性越差。

    2）织物抗紫外效果测定：采用防紫外透过及防晒保护测试系统(SDL)测得织物UVA和UVB波段的紫外线透过率，按澳大利亚/新西兰标准 (AS/NZS 4399)，以UPF值及UPF等级评织物抗紫外效果。

    3)耐久性试验方法

    参照国标GB/T3921.3-1997，用下述条件对整理后织物进行洗涤:

    标准皂片         5g/L

无水碳酸钠       2g/L

温度             60±2℃

    时间             30min/次

    浴比             50:1

2   结果与讨论

    2·1整理剂的稳定性能

    2·1·1粒度分布

    抗紫外整理剂ZA、ZB、ZC的粒度分布见图1、图2和图3。由图可知，ZA、ZB的粒径分布带较窄，在95-160nm之间，但平均粒径较大，ZC的粒径分布带较宽，而平均粒径只有92.8nm。

2·1·2稳定性

    由表1中清液高度来看，ZA静置10天的沉淀体积分数为36%，再静置10天增加4%；ZB静置10天的沉淀体积分数为26%，再静置10天增加4%；ZC静置10天的沉淀体积分数为8%，再静置10天增加1%。由此可见，ZC的静置稳定性最好。

    此外，将静置20天后，分别将整理剂ZA、ZB、ZC摇匀，取2滴以5倍去离子水稀释，在光学显微镜下观测颗粒分布状态 (见表1)，发现颗粒分布均匀，团聚现象不明显，说明稳定性良好。

2·2抗紫外性能

2·2·1稳定性与抗紫外性能

由表2中的UPF等级来看，ZA、ZB、ZC均达到了50+，抗紫外性能极好；从UPF值来看，ZA、ZB、ZC依次递增，表明ZC抗紫外性能最好。静置20天，ZA、ZB、ZC整理后织物的UPF值和UPF等级基本保持不变，说明稳定性良好；静置30天后，UPF值和UPF等级有所下降，其中ZA、ZC下降较ZB少些，说明抗紫外整理剂ZA、ZB、ZC的存放期为30天以内，超过30天，不能保证其优良的抗紫外效果。

表1整理剂的稳定性

编号

静置时间/天

清液高度

颗粒状态(20天)

整理剂ZA

1

2.0

10

18

20

20

整理剂ZB

1

1.0

10

13

20

15

整理剂ZC

1

1.0

10

4.0

20

4.5

表2   整理剂的抗紫外整理效果

编号

静置时间

Mean UVA/%

 Mean UVB/%

 Mean UPF

Rated UPF

整理剂ZA

1

3.8

0.6

116.4

50+

10

3.8

0.7

114.7

50+

20

3.6

0.7

110.8

50+

30

4.8

1.5

56.8

40

整理剂ZB

1

3.2

0.5

134.1

50+

10

3.1

0.5

135.8

50+

20

3.1

0.5

132.6

50+

30

5.8

1.9

42.7

35

整理剂ZC

1

2.8

0.4

198.1

50+

10

2.7

0.3

195.4

50+

20

2.6

0.3

197.6

50+

30

5.3

1.7

47.8

40

原布

-

18.9

10.1

8.35

5

     注:整理时，整理剂用量均为 l00g/L

2·2·2    同类产品比较

表3  抗紫外整理剂ZC与同类产品的抗紫外性能比较

整理剂

用量g/L

Mean UVA/%

 Mean UVB/%

 Mean UPF

Rated UPF

UV2

30

8.6

2.4

32.4

20

60

5.2

1.6

53.2

35

90

4.2

1.3

88.8

50

120

3.6

0.8

115.7

50+

150

3.0

0.6

136.3

50+

SCJ-966

30

9.7

3.2

24.2

20

60

8.4

2.3

32.3

25

90

4.6

0.7

113.5

50+

120

3.2

0.5

129.5

50+

150

2.2

0.2

304.1

50+

ZC

30

7.8

3.1

27.8

20

60

5.4

1.8

49.8

45

90

4.0

1.2

78.4

50+

120

3.6

0.8

116.0

50+

150

3.2

0.9

134.0

50+

    从表3中UPF等级来看，用量为90g/L时，UV2达到了  50，SCJ966和自制的ZC均达到了50+，说明SCJ966和自制的ZC抗紫外效果很好。

2·2·3   耐久性

    由表4中UVF值下降率可见，洗涤10次后SCJ966下降达 87.8% 之多，UV2下降15%，ZA只下降了5%。从UPF等级来看，洗涤10次后SCJ966由50+降到了10，耐久性最差，UV2由50下降到了40,ZA由50+下降到50，表明洗涤10次后ZA仍然具有良好的抗紫外效果。

表4  抗紫外整理耐久性比较

系列

洗涤次数

Mean UVA/%

 Mean UVB/%

 Mean UPF

Rated UPF

UPF值下降率/%

UV2

未洗

4.2

1.3

88.8

50

-

5次

5.8

1.5

60.2

45

32.2

10次

6.1

1.6

58.5

40

34.1

SCJ-966

未洗

4.6

0.7

113.5

50+

-

5次

11.1

4.8

17.1

15

84.9

10次

12.7

6.0

13.9

10

87.8

ZC

未洗

4.0

1.2

78.4

50+

-

5次

4.5

1.5

67.9

45

13.4

10次

5.6

2.9

64.7

45

17.5

注：整理剂用量均为90g/L。

    通过扫描电镜SEM观测，整理前后织物的表面的形貌如图 4，5，6(放大100倍)。和图 7，8，9(放大2000倍)。

    对比上述SEM照片可知，未处理织物的纤维表面清洁光滑，经整理后纤维表面覆盖了一层白色ZnO颗粒，且ZnO颗粒呈现不连续分布;洗涤10次后，ZnO颗粒并末明显脱落，织物表面形貌与洗涤前基本无差异，可见ZnO已被牢固地附着在纤维表面。聚丙烯酸酯的超细粒径决定了其具有良好的渗透性，使得聚丙烯酸酯能够和织物的表面基团之间充分交联，从而包覆的ZnO牢固地附着在织物表面。

    3结论

    对整理剂的稳定性研究表明，抗紫外整理剂ZA、ZB和ZC在30天以内具有良好的放置稳定性，相比较而言抗紫外整理剂ZC稳定性更好。

    通过与同类产品比较和耐久性研究表明:抗紫外整理剂ZC的抗紫外性能接近或超过同类含纳米ZnO的抗紫外整理剂，并且具有良好的耐洗涤性，这与抗紫外整理剂ZC中含有超细粒径的聚丙烯酸酯有关。

    参考文献

    [1]方云 杨澄宇，纳米技术与纳米材料，日用化学工业，2003，33(1)；55-59

    [2]王世敏 许祖勋 傅晶，纳米材料制备技术，北京，化学工业出版社，2002

    [3]张永文 陈英，含纳米氧化锌抗紫外线整理剂的制备及性能研究，第四届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集；199-204