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溶胶-凝胶技术在织物抗紫外线抗菌整理中的应用

专业：

纺织工程

溶胶-凝胶技术在织物抗紫外线抗菌整理中的应用

摘要

溶胶-凝胶技术是利用金属醇盐或者无机盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化再经热处理形成氧化物或其它化合物的方法。

溶胶-凝胶的处理可以在织物表面形成复杂的氧化物网络结构，从而改变纤维的表面性能，赋予织物一定功能性。

本论文根据以上的原理，以钛酸丁酯、乙酸锌和乙醇胺为原料，以无水乙醇为溶剂，以冰乙酸为酸度控制剂，采用溶胶-凝胶法通过采用不同的原料配比，不同的滴加速度，不同的pH值，不同的温度,不同加水量等条件进行了一系列实验。

制备出多种纳米TiO2-ZnO掺杂溶胶。

并对纯棉织物进行了功能整理，通过一系列实验，得出了用于织物抗紫外线抗菌整理的TiO2-ZnO掺杂溶胶最合适的原料配方及工艺条件。

并通过实验对纳米TiO2-ZnO掺杂溶胶的抗紫外线和抗菌性能进行了研究。

关键词：

溶胶-凝胶，TiO2溶胶，ZnO溶胶，TiO2-ZnO掺杂溶胶，抗紫外线，抗菌

SOL-GELTECHNOLOGYINTHEPREPARATIONOFANTI-BACTERIALFABRICSRESISTULTRAVIOLETAPPLICATIONS

ABSTRACT

Sol-geltechnologyistheuseofmetalpartsorinorganicsaltthroughsaltsolution,sol、gelandsolidificationformingoxidesviaheattreatmentorothercompounds.Sol-gelprocessinginacomplexfabricssurfaceoxidesnetworkstructure,thuschangingthefibresurfaceperformance,givenacertainfunctionalfabrics.

Inthispaper,theTiO2solandSiO2solwerepreparedbasedontheprincipleofthesol-geltechnology.Usingtitaniumalkoxideandfacilityfortherawmaterialstodryethanolassolventstoiceethanoicacidcontrolagentforacidity,usingsol-gellawbyusingdifferentmaterialsallocation,differentTiacceleration,differentpHvalues,differenttemperatures,differentwaterconditionsandaseriesofexperiments.ProducedavarietyofnanoTiO2-ZnOmixedsol.Andcottonfabricsforthefunctionalsortingthroughaseriesofexperimentsdrawnupfortheanti-bacterialfabricsresistultravioletrangesolTiO2-ZnOmostsuitablerawmaterialsandrecipescrafts.AndthroughexperimentsonthenanometerTiO2-ZnOmixedsolresistultravioletrangeandanti-bacterialperformanceofthestudy.

Keyword:

sol-gel,TiO2sol,ZnOsol,TiO2-ZnOmixedsol,ultravioletrangeresist,bacterialresistant

第一章绪论------------------------------------------------------------------------------------------

1.1溶胶凝胶技术的发展及现状-------------------------------------------------------------

1.2溶胶-凝胶法的原理---------------------------------------------------------------------

1.3溶胶-凝胶技术的特点------------------------------------------------------------------

1.4溶胶-凝胶技术在纺织品功能整理上的应用---------------------------------------

1.5本论文研究的目的与意义-------------------------------------------------------------

目的--------------------------------------------------------------------------------

意义--------------------------------------------------------------------------------

第二章纳米TiO2-ZnO掺杂溶胶的制备及工艺研究-----------------------------------------

2.1理论基础----------------------------------------------------------------------------------

溶胶-凝胶法制备技术-----------------------------------------------------------

影响溶胶制备的主要因素--------------------------------------------------

2.2实验------------------------------------------------------------

主要试剂-----------------------------------------------------------

实验所用仪器-----------------------------------------------------------

试验方法与工艺流程-------------------------------------------------------

2.3结果与讨论-------------------------------------------------------------

溶胶稳定性------------------------------------------------------------

影响溶胶稳定性的因素分析------------------------------------------------

第三章TiO2-ZnO混合水溶胶对纯棉织物的抗菌整理-----------------------------------

-------------------------------------------------------------------------------

纳米TiO2-ZnO的抗菌机理----------------------------------------------

纳米TiO2-ZnO作为无机抗菌材料的特点----------------------------

影响纳米TiO2-ZnO光催化抗菌性能的因素--------------------------

3.2抗菌整理--------------------------------------------------------------------------------

实验材料-------------------------------------------------------------

试剂及仪器----------------------------------------------------------

整理工艺-------------------------------------------------------

3.3抗菌实验----------------------------------------------------------------------

试剂及仪器------------------------------------------------------

实验原理------------------------------------------------------

实验方法及操作步骤------------------------------------------------------

菌种液浓度的选择------------------------------------------------------

振荡时间的选择------------------------------------------------------

培养时间的选择----------------------------------------------------

计算公式----------------------------------------------------

评价标准----------------------------------------------------

3.4结果与讨论--------------------------------------------------

抗菌实验照片------------------------------------

TiO2-ZnO比例对抗菌性能的影响------------------------------

掺银对抗菌性能的影响-------------------------------------

抑菌率------------------------------------

第四章：

纳米TiO2-ZnO混合水溶胶抗紫外线整理------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------

紫外线及其对人体的影响---------------------------------------------

紫外线屏蔽效果的标准---------------------------------------------

抗紫外线织物的作用机理---------------------------------------------

影响织物紫外线透过率的因素-------------------------------------------

抗紫外整理--------------------------------------------------

实验材料------------------------------------------------

试剂及仪器--------------------------------

整理工艺----------------------------

4.3抗紫外性能测试------------------------------------------------------------

试样的选择----------------------------------------------------------------

实验仪器--------------------------------------------------------------

测试方法---------------------------------

4.4实验结果与讨论----------------------------------------------------------------------

TiO2和ZnO的比例改变对纯棉织物抗紫外性能的影响-------------

不同整理液浓度对紫外透过率的影响

不同焙烘温度对紫外透过率的影响

不同焙烘时间对紫外透过率的影响

第五章：

整理后织物性能测试----------------------------

5.1理论基础----------------------------------------------------------------------

白度测试------------------------------------------------------

5.3透湿性测试------------------------------------------------------------------------

5.4强力测试---------------------------------------------------------------------

5.5小结-------------------------------------------------------------------

第六章结论-------------------------------------------------------------

参考文献---------------------------------------------------------------------------------------

致谢-------------------------------------------------------------------------------------------

第一章绪论

溶胶凝胶技术的发展及现状

溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术就是以液体化学试剂为原料，在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解、缩聚化学反应，形成稳定的透明溶胶液体系，溶胶经陈化，胶粒间缓慢聚合，形成由氧化物前驱体为骨架的三维聚合物或者是颗粒空间网络，其间充满失去流动性的溶剂，形成凝胶。

自1971年Dislish首次采用溶胶-凝胶技术制得多元氧化物固体材料以来，溶胶-凝胶技术发展很快，现已成为材料科学和工艺的重要研究领域，近年来广泛应用于电子、陶瓷、光热学、化学、生物、环境处理等各个领域。

在化学方面，制得化学性质和热稳定性质良好的无机纳米材料。

由于具有特殊的光电特性，已引起人们的广泛兴趣，由其制备的气敏、光敏、湿敏材料和催化剂材料，越来越引人注目。

此技术在制备各种形状的功能材料及其基体（光导纤维、催化剂及载体、吸附剂、复合材料等）方面具有广阔的应用前景。

同传统材料制备技术相比，由于所制得的产品均匀度高、纯度好、烧成温度比传统方法约低400℃～500℃、反应过程易于控制、副反应少、工艺操作简单、易实现工业化生产等，所以溶胶-凝胶法已成为无机材料合成中的一个独特方法，日益受到科学家们的青睐。

日、美、法等国已采用此法生产超细粉体的品种多达100余种。

近五年发展起来的包埋法引起很多人的重视，逐渐用于传感技术领域的应用和开发。

1.2溶胶-凝胶法的原理[1]

溶胶-凝胶法（Sol-Gel）基本原理是:

将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。

包括以下三个过程[2]:

（1）溶胶的制备有两种方法制备溶胶，其一是先将部分或全部组分用适当沉淀首先沉淀下来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒.因这种原始颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围，因而可制得溶胶。

另一种方法是由同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的研究控制，使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到胶体溶胶。

（2）溶胶-凝胶转化溶胶中含大量的溶剂（水或醇），凝胶化过程中使体系失去流动性，形成一种开放的骨架结构。

实现胶凝的途径有两种：

一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度实现溶胶凝化；二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现溶胶凝化。

（3）凝胶干燥在一定条件下（如加热或焙烧），使溶剂蒸发，得到粉料。

干燥过程中凝胶结构变化很大。

一般易于水解的金属化合物，如卤化物、硝酸盐以及金属醉盐等都适合于Sol-Gel工艺，其中金属盐溶液（氢化物、硝酸盐、硫酸盐等）和氧化物或氢氧化物溶液，这两种类型的溶液在一定的条件下可形成凝胶，胶体粒子与介质一起形成两相以上体系，系统中存在相界，这种胶体是热力学不稳定系统，因外界条件变化或自身老化而发生沉淀或絮凝等现象。

另一种类型的溶液是高分子溶液，即溶解的聚合物溶液或可聚体溶液，它们通过化学缩聚而形成具有连续网络的聚合物凝胶，大分子胶体与周围介质形成热力学上的真溶液，是热力学稳定体系，化学反应的相对速度和程度决定着凝胶过程.大多数情况下，Sol-Gel工艺指的是后一种情况，并只限于讨论基于金属有机化合物为原料的氧化物材料的Sol-Gel工艺。

1.3溶胶-凝胶技术的特点

Sol-Gel方法的特点是用液体化学试剂（或将粉状试剂溶于溶剂中）或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物体，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，经放置一定时间转变为凝胶，其中含有大量液相，需借助蒸发除去液体介质，而不是机械脱水.在溶胶或凝胶状态下即可成型为所需制品，在低于传统烧成温度下烧结。

Sol-Gel法与传统方法相比，有以下优点[3]：

（1）可通过简单的设备在大的、形状复杂的衬底表面形成涂层。

不需要任何真空条件或其他昂贵的设备，便于应用推广；

（2）可获得高度均匀的多组分氧化物涂层和特定的组分不均匀涂层。

制品在低温和温和的化学条件下形成，凝胶均匀、稳定、分散性好；尤其是多组分的制品，其均匀度可达分子或原子尺度；而且溶剂在处理过程中易被除去；

（3）与许多无机试剂及有机试剂相容，便于固定掺杂其它试剂；且凝胶的比表面积很大；

（4）可制备别的方法不能制备的材料，如有机-无机复合涂层；

（5）反应过程易于控制，可大幅度减少副反应；从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的制品，如纤维、粉料或薄膜等；

（6）很容易引入微量元素，掺杂改性。

掺杂或未掺杂的溶胶凝胶可加工成各种形状，或形成块状或涂于硅、玻璃及光纤上形成敏感膜，也可根据特殊用途制成纤维或粉末材料；

（7）热处理过程所需的温度低，这对于制备那些含有易挥发组分或在高温下易发生相分离的多元体系来说非常有利；

（8）化学、光学、热学及机械稳定性好，适合在严酷条件下使用；光谱吸收一般在近紫外-近红外区域，有利于吸光或荧光测量。

该方法的缺点是：

（1）所用原料多为有机化合物，成本较高，有些对健康有害；

（2）处理过程时间较长，制品易产生开裂；

（3）若烧成不够完善，制品中会残留细孔及OH—或C，后者使制品带黑色；

（4）大量的过程变量，如PH值、反应物浓度比、温度、有机物杂质等会影响凝胶或晶粒的孔径（粒径）和比表面积，使其物化特性受到影响，从而影响合成材料的功能性；

（5）溶胶-凝胶法制备的超细粉末中存在着团聚现象。

1.4溶胶-凝胶技术在纺织品功能整理上的应用

由于溶胶-凝胶工艺独特的优点，日益受到人们的重视，其应用十分广泛，利用溶胶-凝胶技术可以在各种纺织品上形成透明的，黏附性强的金属或非金属氧化物薄膜。

根据织物表面不同的性能要求，可以对涂层的溶胶进行化学或物理改性，经化学或物理改性后的纳米溶胶可以大幅度的改变织物的性能。

织物经溶胶-凝胶技术涂层整理改性后可获得的一些重要性能如下：

（1）物理机械性能：

抗静电性，抗摩擦度，粘性/抗粘性，阻燃；

（2）光学性能：

着色，光泽，紫外光稳定性；

（3）生物性能：

抗菌，生物相容性，生物催化作用，抗过敏，生物活性物质及香味的释放。

1.5本论文研究的目的与意义

目的

制备具有抗紫外线和抗菌效能的溶胶并整理到纯棉织物上，对其性能进行分析。

意义

本课题在现有溶胶制备的基础上，采用金属有机醇盐作前驱体，无水乙醇作溶剂，通过控制水解反应，使部分缩合，形成均匀稳定且透明度高的无机氧化物溶胶，依次经过：

浸轧-预烘-焙烘整理到纯棉织物上，使织物表面形成一层透明的无机氧化物凝胶膜，来改变织物的表面结构，使其具有抗紫外线和抗菌作用。

为进一步利用溶胶-凝胶技术整理织物，提高织物的功能性起到了一定的研究意义。

而溶胶-凝胶技术整理织物还有更多的功能有待开发，相信溶胶-凝胶技术一定会给纺织行业来更多的商业价值。

第二章纳米TiO2-ZnO混合水溶胶的制备及工艺研究

2.1理论基础

目前，采用溶胶-凝胶技术制备TiO2溶胶对织物进行抗紫外线抗菌整理是纺织领域研究的热点。

鉴于制备纯TiO2溶胶成本比较昂贵，本文采用掺杂的方法制备出TiO2-ZnO混合水溶胶及掺银水溶胶，对织物进行防紫外线和抗菌整理。

溶胶-凝胶法制备技术

溶胶-凝胶方法是湿化学反应方法之一，不论所用的起始原料（称为前驱物）为无机盐还是金属醇盐，其主要反应步骤是前驱物溶于溶剂（水或有机溶剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应生成物聚集成nm级粒子并组成溶胶，经蒸发干燥转变为凝胶，基本反应原理如下[5]：

（1）溶剂化：

能电离的前驱物-金属盐的金属阳离子Mz+将吸引水分子形成溶剂单元M（H2O）（Z为M离子的价数），为保持它的配位数而有强烈地释放H+的趋势。

M（H2O）nZ+→M（H2O）n-1（OH）（Z-1）++H+

这时如有其它离子进入就可能产生聚合反应，但反应式极为复杂。

（2）水解反应：

非电离式分子前驱物

a金属醇盐M（OR）n的水解反应：

M（OR）n+xH2O→M（OH）x（OR）n-x+xROH

反应可延续进行，直至生成M（OH）n

b金属无机盐络合

[M（H2O）n]z++yH2O→[MOu（OH）y-2u（H2O）n-y+u]（z-y）+H3O+

（3）缩聚反应：

a形成氧桥键的缩聚（Oxolaion）

M-OH+M-OX→M-O-M+XOH（其中X=H或R）

B形成氢氧桥键的缩聚（Olation）

M-0H+M-OH→M-（OH）2-M

反应生成物是各种尺寸和结构的溶胶体粒子。

影响溶胶制备的主要因素

影响溶胶-凝胶技术的因素主要有：

水量、溶剂、金属醇盐、螯合剂、催化剂、水解温度等。

不同的反应条件对溶胶的性能有很大的影响。

（1）加水量的