溶膠改性論文：織物用溶膠改性探究
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本文作者：王黎明1，2沈勇1張惠芳1蔡再生2葉風(fēng)英1作者單位：1上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院2東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院
納米TiO2溶膠對(duì)紫外-可見(jiàn)光吸收效果的影響
1未改性納米TiO2溶膠
按照1．2節(jié)納米TiO2溶膠制備方法，改變加入的水量，得到各含水量的TiO2溶膠，測(cè)定其對(duì)紫外-可見(jiàn)光的吸收效果，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，所制得的納米TiO2溶膠在200～325nm均有較強(qiáng)的吸收，而在325～800nm范圍內(nèi)基本上無(wú)吸收。這是因?yàn)榧{米TiO2是化合物半導(dǎo)體，在適當(dāng)波長(zhǎng)的光激發(fā)下，能產(chǎn)生光生電子和光生空穴，被激發(fā)的電子向?qū)н\(yùn)輸，而光生空穴則限制在價(jià)帶中，這種光激發(fā)過(guò)程需要吸收一定能量的光，而納米TiO2只有在紫外光照射下才產(chǎn)生光催化性能［1］。改變水的用量對(duì)TiO2的紫外吸收效果有一定影響。一般情況下，當(dāng)加水量在2．5mL和3mL時(shí)，TiO2的紫外-可見(jiàn)光吸收效果明顯增強(qiáng)。
2摻雜改性納米TiO2溶膠
在加入3mL水量條件下，制備納米TiO2溶膠，并用不同濃度的Fe3+和Cu2+試劑對(duì)其進(jìn)行摻雜改性，測(cè)定它們對(duì)紫外-可見(jiàn)光的吸收效果，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。由圖2和圖3可知，納米TiO2溶膠摻雜Fe3+和Cu2+后，對(duì)紫外-可見(jiàn)光的吸收效果明顯。當(dāng)Fe3+摻雜量為1%和Cu2+摻雜量為2%時(shí)，得到最大吸收峰，其吸收值為2．0，比未摻雜前的1．4有較大提高。由此可見(jiàn)，摻雜使得納米TiO2對(duì)光波長(zhǎng)的響應(yīng)范圍明顯增強(qiáng)，并向可見(jiàn)光區(qū)拓展。但當(dāng)摻雜量進(jìn)一步增加時(shí)，卻不能繼續(xù)增大納米TiO2最大吸收峰處的吸收強(qiáng)度。根據(jù)TiO2的摻雜機(jī)理，雜質(zhì)金屬離子摻入TiO2后，改變了TiO2相應(yīng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。雜質(zhì)金屬離子能級(jí)不僅可以接受TiO2價(jià)帶上的激發(fā)電子，也可以吸收光子使電子躍遷到TiO2的導(dǎo)帶上。由于摻雜能級(jí)處于禁帶之中，使長(zhǎng)波光子也能被吸收，即在TiO2禁帶中引入新的雜質(zhì)能級(jí)后，TiO2電子躍遷轉(zhuǎn)移過(guò)程發(fā)生變化，光激發(fā)的閾值降低而擴(kuò)展了TiO2吸收光譜的范圍［11］。
納米TiO2溶膠的光催化性能
在加入3mL水量條件下，制備納米TiO2溶膠，以不同濃度的Fe3+和Cu2+對(duì)其摻雜改性，測(cè)定它們對(duì)亞甲基藍(lán)的光催化性能，計(jì)算降解率(A0=3．214)，結(jié)果見(jiàn)表1。由圖4可知，位于3500～3000cm－1處的寬吸收峰是由于O—H的伸縮振動(dòng)引起的，這說(shuō)明二氧化鈦粉末表面除了存在Ti—H2O的表面吸附態(tài)，還存在Ti—OH的表面態(tài)［14］。在1638．5cm－1處的吸收峰是由于O—H的彎曲振動(dòng)引起的，在1414．4cm－1附近的吸收峰是由于N—H的伸縮振動(dòng)引起的，說(shuō)明制備溶膠中使用硝酸調(diào)節(jié)pH值。在1031．54cm－1處是Ti—O—Ti振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰［15］。在744．9cm－1和680．4cm－1附近的吸收峰是二氧化鈦的特征吸收。由圖5和圖6可知，它們?cè)?00～800cm－1間都有吸收峰，這是二氧化鈦的特征吸收，摻入Fe3+后，吸收峰出現(xiàn)在791．21cm－1處，Cu2+則出現(xiàn)在732．64cm－1處。因此，摻入金屬后，并未改變納米TiO2的結(jié)構(gòu)。
摻雜改性納米TiO2溶膠在棉織物上的應(yīng)用
1降解VOC性能
將未改性納米TiO2及摻雜改性后的納米TiO2配制成3%和4%的納米TiO2溶膠處理織物，并用TVOC在線檢測(cè)艙測(cè)定對(duì)丙酮(VOC)的降解效果，其結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，用經(jīng)過(guò)Fe3+和Cu2+摻雜改性后的納米TiO2溶膠處理織物，其降解丙酮的效果比未改性的納米TiO2溶膠有較明顯的提高，且隨著納米TiO2溶膠溶度的增加，降解效率也相應(yīng)增大。通過(guò)在TiO2溶膠中摻雜金屬離子，引入新電荷、改變晶格或增加晶格缺陷，因此可影響光生電子-空穴的運(yùn)動(dòng)狀況，并促使TiO2光生電子-空穴的有效分離，擴(kuò)大其對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)范圍，從而達(dá)到提高光催化活性的效果［13］。
2抗紫外效果
將未改性納米TiO2及摻雜改性后的納米TiO2配制成3%納米TiO2溶膠處理織物，測(cè)定織物抗紫外線效果，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，處理織物的抗紫外效果隨著納米TiO2的加入得到明顯提高，特別是UVB透過(guò)率有較大幅度下降，且用摻雜改性后的納米TiO2溶膠處理織物，抗紫外線效果尤為明顯。此外，從表3還可以看出，F(xiàn)e3+摻雜量為1%及2%，Cu2+摻雜量為2%及3%時(shí)，抗紫外線效果變化基本不大。這說(shuō)明在上述濃度范圍內(nèi)，摻雜改性納米TiO2溶膠的抗紫外線效果基本相同。
3斷裂強(qiáng)力變化
將未改性納米TiO2溶膠及摻雜改性后的納米TiO2溶膠分別配制成3%納米TiO2溶膠處理到織物上，測(cè)定織物的斷裂強(qiáng)力變化，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，經(jīng)過(guò)納米TiO2溶膠整理后，織物的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力有所提高，緯向的斷裂強(qiáng)力無(wú)明顯變化，且經(jīng)過(guò)20次洗滌后斷裂強(qiáng)力也無(wú)明顯影響。這可能是由于TiO2溶膠顆粒粒徑很小，可以進(jìn)入棉纖維的無(wú)定形區(qū)，尤其是當(dāng)其進(jìn)入棉纖維胞腔的缺陷部位，并且在此部位與纖維素大分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效緩解應(yīng)力集中的現(xiàn)象，提高棉織物的斷裂強(qiáng)力［16，17］。
