前言
紡織品在日常應用中易被沾污,需要經常清洗,但在此過程中,不同織物間會再次發生沾污,且洗滌廢水也會給環境帶來二次污染。早在2O世紀9O年代,人們就開始關注紡織品的衛生功能,開發出具有環保自潔功能的織物[l,2]。基于光催化技術的自清潔材料對有機物的光降解特性,將其施于紡織品,通過吸收光能,將有機物礦化為無機小分子,使紡織品具有自清潔功能[3,4]。
納米二氧化鈦(Ti02)是一種性質穩定,無二次污染和化學活性高的無機納米材料,在空氣凈化、衛生保健和廢水處理等領域廣泛應用[5]。為了提高Ti02光催化劑的催化活性和對可見光的利用率,許多研究者對其進行摻雜改性研究。稀土元素具有較大的離子半徑,難以進入Ti02晶格,而主要存在Ti02表面,且具有未充滿的
本研究采用溶膠-凝膠法制備稀土離子銩(Tm)摻雜Ti02溶膠,并用于棉織物整理。在波長400-780 nm的光照條件下,通過降解織物上的有機污物,考察整理后棉織物的光催化自清潔性能。
1 試驗
1.1 材料與儀器
織物 25tex×25tex純棉漂白機織布。
試劑 鈦酸四丁酯(CR),無水乙醇(AR),鹽酸(AR)(以上試劑均由國藥集團化學試劑有限公司提供);氧化銩(AR)淄博偉杰稀土有限公司);辣椒紅素(E60,汕頭市明德食品添加劑有限公司)。
儀器 X-Rite 8400型電腦測色配色系統(美國愛色麗公司),85
1.2 Tm/TiO2溶膠的制備
采用溶膠-凝
將TmCl3溶液及溶液A緩緩滴入鹽酸溶液中,攪拌30min,得到均勻透明溶膠。將溶膠于
1.3 棉織物整理工藝
棉織物凈洗(凈洗劑
1.4 測試方法
為便于觀察,選擇合適的有色有機物(辣椒紅素)作為污漬,對織物原樣和整理樣進行測試。光催化降解試驗在自制的光照反應器中進行,采用標準三基色熒光燈照射,波長400-780nm。用棉織物相對Κ/S值的變化來表征降解過程中辣椒紅素濃度的變化。
將織物在辣椒紅素污染液中浸1min,取出,
| 降解率= | (K/S)0 - (K/S)t | ×100% (1) |
| (K/S)0 |
式中: (K/S)0 ——光照前織物上辣椒紅素K/S值;
(K/S)t ———光照t時織物
按GB/T3921.3-1997《紡織品耐洗色牢度實驗方法》進行洗滌,然后測試洗滌數次后負載溶膠棉織物的光催化性能。
依據GB/T3923.1―1997《紡織品織物拉伸性能:斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》,采用YG
2 結果與討論
2.1 工藝條件優化
圖1為Tm/TiO2摩爾分數比對污物降解率的影響, TiO2和Tm/ TiO2溶膠質量濃度均為
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| 圖1 稀土摻雜量對污物降解率的影響 |
由圖1可見,未整理棉織物經可見光照射210min后,污物降解率僅為20%左右,說明污物中的辣椒紅素在可見光照射下相對穩定。相同光照時間下,隨著溶膠中Tm摻雜量的增加,污物降解率提高;當Tm摻雜摩爾分數比為2%時,經可見光照射210min,其光催化降解率達到94%左右。這是因為摻雜稀土金屬可以增加TiO2對污物的吸附,降低TiO2的帶隙能[7],并在其表面沉積形成原子簇,將光生電子與空穴分離,從而提高TiO2的光催化氧化活性。摻雜離子參與污物的降解反應,并可以改變其反應途徑,加快其降解進程。當繼續增加Tm摻雜量時, TiO2的光催化效率反而降低,這是因為過多的Tm離子也可能造成摻雜物質過剩而溢出TiO2表面,成為新的電子-空穴復合中心;另一方面,Tm離子沉積在TiO2表面,形成一層稀土離子氧化物薄膜,阻礙了TiO2對光子的吸收,從而降低了光催化效率。
污物的降解是光催化和光敏化共同作用的結果。污物中的辣椒紅素是一種天然
在可見光強度21.0 mW/cm2,光照時間210min的條件下,采用陳化5d的Tm/ TiO2溶膠施于織物,探討溶膠施加量對污物降解率的影響,結果見圖2。
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| 圖2 溶膠用量對污物降解率的影響 |
由圖2可知,溶膠用量較少時,污物降解率較低,這是因為光源產生的光子不能被充分吸收,光催化反應效率較低;增加溶膠用量,污物降解率迅速升高,當溶膠質量濃度為
在可見光源強度為21.0 mW/cm2,光照時間為210min的條件下,采用
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| 圖3 溶膠陳化時間對污物降解率的影響 |
由圖3可以看出,棉織物采用陳化1d的溶膠整理,其上污物降解率僅為20%左右。Ti02是由鈦酸四丁酯在酸催化劑和水的相互協同作用下,使Ti-OR逐步水解生成Ti-OH,然后發生縮聚形成Ti-0-Ti結構,最終得到Ti02。陳化時間較短時,聚合反應仍在進行,聚合程度較低,多聚體中心Ti原子的配位體配位數較少,形
采用質量濃度為
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| 圖4 光照條件對污物降解率的影響 |
由圖4可知,隨著光照強度的增加,污物降解率逐漸提高;光源強度為21.0 mW/cm2時,光照180min后污物降解率可達到92%。Tm/ Ti02受光激發產生的電子和空穴濃度會影響污物降解速率。Bahnemann D等[10]研究表明,較低光強下,污物降解速率與光強呈線性關系;中等強度光強下,污物降解速率與光強的平方根呈線性關系。因此,在4.2-21.O mW/cm2的低光強下,污物降解率隨光照強度增加而提高。較適宜的光照強度為21.0 mW/cm2。
當光照強度一定時,污物降解率隨著光照時間的延長而提高;光照180min后,污物降解率達到最大值;繼續延長光照時間,降解率無顯著增加。因此,較適宜的光照時間為180min。
2.2 織物自清潔功能的耐洗性
將采用優化工藝制備的Tm/Ti02溶膠(質量濃度
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| 圖5 溶膠整理織物自清潔功能的耐洗性 |
由圖5
經浸漬焙烘工藝整理的棉織物,其自清潔功能具有較好的耐久性,主要是由于高溫焙烘時,TiO2溶膠的大部分羥基與棉纖維中的羥基發生脫水反應,形成網狀結構的多元共價交聯[11],其結合力較牢固。此外,少部分TiO2溶膠還可以與棉纖維發生一元共價交聯,或自交聯后吸附在棉纖維表面,但其結合力較弱。
其反應式為:
經過多次水洗后,雖然附著在纖維表面或與纖維結合不牢固的膠粒容易損失,導致污物降解率下降,但與纖維發生鍵合或交聯的膠粒相對牢固,從而使織物具有耐久的自清潔功能。
2.3 織物的斷裂拉伸性能
稀土離子摻雜TiO2溶膠的pH值很低,對整理后織物的斷裂強力會有影響。不同用量Tm/ TiO2溶膠整理棉織物的斷裂強力和斷裂伸長率見表1。溶膠中Tm摻雜摩爾分數比為2%,陳化5d。
表1 溶膠用量對棉織物斷裂強力和伸長率的影響
| 溶膠用量(g/L) | 斷裂強力/N | 強力下降率% | 斷裂伸長率% | |||
| 經向 | 緯向 | 經向 | 緯向 | 經向 | 緯向 | |
| 空白 | 623.8 | 290.0 | / | 9.7 | 12.9 | |
| 0.3 | 340.7 | 257.3 | 45.4 | 11.3 | 7.6 | 12.0 |
| 0.5 | 349.3 | 262.5 | 44.0 | 9.5 | 8.6 | 12.3 |
| 0.8 | 337.4 | 248.2 | 45.9 | 14.4 | 7.1 | 11.9 |
| 1.0 | 330.6 | 220.7 | 47.0 | 23.9 | 6.2 | 11.5 |
表1中,稀土Tm/ TiO2整理后棉織物的經緯向斷裂強力和伸長率均較未整理布樣明顯降低,織物最大經緯向強力下降率分別為47.0%和23.9%,經緯向斷裂伸長率分別下降了3.5%和1.4%。這主要是由于所制備的溶
3 結論
(1)采用溶膠-凝膠法,在棉織物上負載稀土離子摻雜TiO2溶膠。在Tm摻雜摩爾分數比2%,溶膠用量
(2)負載Tm/ TiO2溶膠棉織物的自清潔功能具有較好的耐久性,水洗20次后對污物降解率為82%。(3)整理后織物經緯向斷裂強力和斷裂伸長率損失較嚴重,損傷最大時經緯向強力下降率分別達到47.0%和23.9%,經緯向斷裂伸長率分別下降了3.5%和1.4%。
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