涂层织物自清洁性能的研究.docx
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涂层织物自清洁性能的研究
天津工业大学
毕业论文
纳米TiO2涂层织物自清洁整理的研究
姓名高天放
学院纺织学院
专业轻化工程
指导教师霍瑞亭
职称教授
2013年6月8日
天津工业大学毕业论文任务书
题目
纳米TiO2涂层织物的自清洁整理
学生姓名
高天放
学院名称
纺织学院
专业班级
轻化091
课题类型
理论研究与工艺设计
课题意义
随着人们对环保和功能性的要求日益重视，传统的纺织品已不能满足现代产业用、服用和装饰用的最新要求。
本文重点讨论了织物自清洁技术的理论基础和实验操作，通过光触媒分解有机物的特点，研究了纳米材料的光催化自清洁特性，探索自清洁涂层的浆料配方和涂层工艺，并设计自清洁性能的评价方法。
任务与进度要求
3.18：
下达任务书，确定课题；
3.19-3.26:
查阅相关文献，了解课题内容、现况；
3.27-4.04：
确定实验方案；
4.05-5.26：
探索各添加剂用量和选择与涂层效果的关系，并设计自清洁效果检测方法；
5.27-6.04：
实验数据总结分析。
撰写论文，完成论文初稿；
6.05-6.12：
对论文进行修改，准备毕业论文答辩；
6.13-6.20：
论文答辩及装订。
主要参考文献
[1]黄涛,张国亮,张辉,等.高性能纳米二氧化钛制备技术研究进展[J][J].化工进展,2010,29（3）:
498-504.
[2]花金龙,潘伟,张玉莲,等.纳米TiO2在功能纺织材料中的应用[J].染整技术,2011,33（003）:
7-9.
[3]盛国栋,李家星,王所伟,等.提高TiO2可见光催化性能的改性方法[J].化学进展,2009,21（12）:
2492-2504.
[4]WongYWH,YuenCWM,LeungMYS,etal.Selectedapplicationsofnanotechnologyintextiles[J].AUTEXResearchJournal,2006,6
（1）:
1-8.
[5]刘吉平,田军.纺织科学中的纳米技术[M].中国纺织出版社,2003.
[6]张立德.第四次浪潮:
纳米冲击波[M].中国经济出版社,2003.
起止日期
2013年03月18日-2013年06月20日
备注
院长教研室主任指导教师
毕业论文开题报告表
2013年03月26日
姓名
高天放
学院
纺织学院
专业
轻化工程
班级
091班
题目
纳米TiO2涂层织物的自清洁整理
指导教师
霍瑞亭
1、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：
随着人们对环保和功能性的要求日益重视，传统的纺织品已不能满足现代产业用、服用和装饰用的最新要求。
自清洁材料是指在自然条件下利用阳光、空气、雨水能保持自身清洁的材料，材料本身具有除臭、抗菌、抗霉、防污等多重功能。
本课题利用光触媒分解有机物的特点，研究纳米材料的光催化自清洁特性，探索自清洁涂层的浆料配方和涂层工艺，并对涂层织物的自清洁性能进行评价。
目前国内外对于自清洁纺织品尚无商业化大生产，本课题通过将纳米技术和涂层技术相结合，开发具有自清洁功能的纺织品，为高性能纺织品的开发奠定基础。
二、进度及预期结果：
起止日期
主要内容
预期结果
3.18-3.26：
3.27-4.4：
4.5-5.11：
5.12-5.31：
6.1-6.10：
6.11-6.15：
查阅相关文献，了解课题内容、现况，确定实验方案；
探索纳米TiO2粉体的分散工艺；
探索纳米TiO2浆料中各添加剂用量和类型与涂层效果的关系；
探索纳米TiO2涂层厚度与涂层效果的关系；
撰写论文；
准备毕业论文答辩
完成
论文
完成课题的现有条件
查阅了大量资料，实验仪器设备、药品基本具备。
审查意见
指导教师：
霍瑞亭2013年03月26日
学院意见
主管领导：
年月日
天津工业大学本科毕业论文评阅表
（论文类）
题目
纳米TiO2涂层织物的自清洁整理
学生姓名
高天放
学生班级
轻化091
指导教师姓名
霍瑞亭
评审项目
指标
满分
评分
选题
能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。
题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。
10
题目与生产、科研等实际问题结合紧密。
10
课题调研、
文献检索
能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。
15
论文撰写
结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。
10
文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。
10
外文应用
能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。
5
论文水平
论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。
15
有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。
15
论文有独到见解或有一定实用价值。
10
合计
100
意见及建议：
评阅人签名：
年月日
天津工业大学毕业论文成绩考核表
学生姓名
高天放
学院名称
纺织学院
专业班级
轻化091
题目
纳米TiO2涂层织物的自清洁整理
1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：
成绩：
指导教师签字：
年月日
2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：
成绩：
答辩主席（或组长）签字：
年月日
3．毕业设计（论文）总成绩：
a.指导教师
给定成绩
b.评阅教师
给定成绩
c.毕业答辩成绩
总成绩
（a×0.4+b×0.2+c×0.4）
摘要
随着纺织工业的发展和人民生活水平的日益提高，人们对纺织品质量的要求越来越高，对环保和功能性的要求也日益重视，传统的纺织品已不能满足现代产业用、服用和装饰用的最新要求。
自清洁材料是指在自然条件下利用阳光、空气、雨水能保持自身清洁的材料，材料本身具有除臭、抗菌、抗霉、防污等多重功能。
本文重点讨论了织物自清洁技术的理论基础和实验操作，通过光触媒分解有机物的特点，研究了纳米材料的光催化自清洁特性，探索自清洁涂层的浆料配方和涂层工艺，并设计自清洁性能的评价方法。
通过大量实验及结果分析，得到浆料中增稠剂、粘合剂、纳米TiO2-乙醇分散液等的最佳组成配方和合适的涂层厚度。
由于目前对自清洁性能评价尚不完善，本课题还建立了自清洁纺织品评价方法。
经实验验证，该方法较好地表征了自清洁织物的性能。
关键词：
自清洁；纺织品；二氧化钛；涂层；光触媒。
Abstract
Withthedevelopmentofthetextileindustryandpeople'slivingstandardsrising,thedemandingofhighqualitytextilesisincreasing,environmentalandfunctionalrequirementsarealsoincreasing.Thetraditionaltextileindustryhasbeenunabletosatisfythelatestrequirementsofthemodernuse,wearinganddecorativeuse.
Self-cleaningmaterialisundernaturalconditions,itcankeepitsclean,bysunlight,air,water,thematerialhasadeodorant,anti-bacterial,anti-fungal,anti-foulingandothermultiplefunctions.
Thisarticlefocusesontheself-cleaningtechnologytheoreticalbasisandexperimentaloperationoffabric,photocatalyticdecompositionoforganicthroughthecharacteristicsofnanomaterialsphotocatalyticself-cleaningproperties,exploreself-cleaningcoatingslurryformulationsandcoatingprocesses,thenproposedevaluationcriteriaofself-cleaning.Processwasoptimizedtoobtainaappropriateconcentrationofthickener,binder,nanoTiO2-ethanoldispersionsolutionofoptimumandanappropriatecoatingthicknessbytests.Duetothecurrentevaluationoftheself-cleaningperformanceisnotperfect,thesubjecthasestablishedaself-cleaningtextiletestingmethods.Theexperimentsprovethatthismethodcancharacterizetheself-cleaningfabricperformancebetter,itprovidesanimportantbasicresearchandevaluationcriteriaforself-cleaningtextiles.
Keywords：
self-cleaning；textile；TiO2；coating；photocatalyst.
目录
第一章绪论1
1.1课题来源及意义1
1.2国内外发展概况1
1.3课题研究内容2
第二章纳米自清洁技术的理论基础4
2.1纳米技术4
2.2二氧化钛光催化自清洁涂层的制备6
2.3光触媒7
2.4纳米粒子的分散稳定10
2.5织物涂层概论12
第三章实验及测试方法14
3.1实验药品及织物14
3.2实验设备及仪器14
3.3实验方法15
3.4测试及评价方法16
第四章织物自清洁整理工艺及性能评价18
4.1纳米TiO2-C2H5OH比例实验结果与讨论18
4.2纳米TiO2浆料中增稠剂用量实验结果与讨论18
4.3纳米TiO2浆料中粘合剂选择实验结果与讨论19
4.4纳米TiO2浆料中TiO2-C2H5OH分散液的用量实验结果与讨论20
4.5纳米TiO2涂层厚度确定实验结果与讨论21
第五章全文结论23
参考文献24
文献翻译26
谢辞42
第一章绪论
1.1课题来源及意义
随着纺织工业的发展和人民生活水平的日益提高，人们对纺织品质量的要求越来越高，对环保和功能性的要求也日益重视，传统的纺织品已不能满足现代产业用、服用和装饰用的最新要求。
现代纺织品的方向发展已朝向多元化和功能化。
自清洁材料（Self-cleaningmaterials）是指在自然条件下利用阳光、空气、雨水能保持自身清洁的材料，材料本身具有除臭、抗菌、抗霉、防污等多重功能。
1972年，Fujiyama和Honda在TiO2半导体电极上发现了水的光电催化分解作用，随后，Carey等报道了TiO2水浊液在近紫外光照射下可以使多氯联苯脱氯。
自此，多相光催化氧化技术以其独特优势，开始得到国内外研究者的高度重视，其研究和应用已在各个领域迅速发展起来[1]。
TiO2因具有光催化活性高、稳定性好、对人体无毒、价格低廉等优点，使其在诸多半导体光催化剂中脱颖而出，应用领域至今已遍及有机废水的降解、重金属离子的还原、空气净化、杀菌、防雾等众多方面，成为了近年新材料领域的研究热点。
纳米TiO2是一种催化活性高、氧化能力强的无机纳米材料，在紫外线照射下,其表面有超亲水性，污物不易附着，具有良好的抗菌和自清洁性能，能够杀灭细菌等微生物，使污物不易附着在其表面，即使附着也是和外层水膜结合，附着污物在外部风力、水淋冲力、自重等作用下，能自动从纳米TiO2表面剥离下来。
自然光中的紫外线足以维持纳米TiO2表面的亲水特性，从而使其具有长期的自洁去污效应[2]。
因此，纳米TiO2被广泛应用于抗菌涂料、抗菌塑料、抗菌水处理装置、化妆品、纺织品、抗菌性餐具及医用设备等领域。
另外，TiO2作为半导体光催化剂，在空气净化、卫生保健、废水处理等环境治理方面，已开发出了诸如光催化空气净化器、自清洁抗菌卫生瓷砖、自清洁抗雾玻璃等多种用途的TiO2产品。
1.2国内外发展概况
自从德国波恩大学生物学家WilhelmBarthlott揭开荷叶效应之谜以来，人们从环保和节约能源的角度出发，开展了纳米自清洁技术的研究。
目前，纳米自清洁技术已应用在纺织品上。
瑞士的SchoellerTextile公司把荷叶效应与纳米技术结合，应用于纺织品后整理，开发了“纳米球”技术；美国的
Nano-TexLLC公司采用分子转换使化学纤维表层含有耐久的纳米吸收组织，使水和油很容易形成珠子滚落而不会渗透于纤维，开发出自清洁服装提高其水分调控性；这种技术称之为Nano-Pel防水拒油整理的纳米技术，不仅应用于棉、亚麻、羊毛和丝等天然纤维，也可用于如聚酯、尼龙和腈纶等合成纤维，特别是应用于天然纤维，可以获得非常卓越的耐久拒水、拒油性能，并且保留原来的手感和透气性；香港的GP纳米技术有限公司也己研制出纳米抗污拒水整理剂由马萨诸塞技术学院的化学工程师KarenGleason教授使用热长丝化学蒸汽沉积法来制备聚四氟乙烯纳米膜，此方法可以使普通棉织物达到拒水效果，并且外观、手感及透气性无明显变化，耐洗性持久。
鄂尔多斯集团采用中科院化学研究所研究的自清洁技术生产出的纳米羊绒衫，不仅轻薄、柔软、保暖、滑爽而且防水、防油、防污、自清洁、抗起球、防毡化、易护理[3]。
虽然在国内外已经广泛地开展了纳米自清洁技术的研究工作，但是在大规模产业化生产中还存在着许多问题，如纳米材料与织物的粘合问题、纳米材料在整理剂中的分散稳定性问题、纳米粒子在涂层浆料中分散稳定性问题、纳米粒子在织物表面存在的物理化学结构的表征、纳米粒子效应与织物预期功能关系等。
因此，开展此研究工作将具有一定的现实意义。
1.3课题研究内容
1.3.1纳米粉体分散稳定性研究
由于纳米粉体粒径小、比表面积和总表面能都很大，在溶液中容易团聚，团聚的存在将大大提高纳米粒子粒径，阻碍纳米粉体优势的充分发挥，因此提高纳米粉体的分散稳定性将是制备纳米自清洁整理剂及织物的前提。
本课题通过测试纳米TiO2粉体的分散稳定性，分析其影响因素。
1.3.2自清洁涂层浆料各类添加剂用量
将纳米TiO2应用于织物涂层时，一方面需考虑纳米粒子本身的分散问题，纳米粒子在分散系中易出现团聚，不仅影响涂层织物的功能性，而且会在涂层表面产生颗粒，影响织物涂层的手感；另一方面需考虑浆料的流变性和黏稠度，保证浆料涂覆于织物上时不会出现浆料渗漏和粘附刮刀等情况。
选择合适的添加剂用量，使织物涂层的功能性得到最大限度的发挥。
1.3.3涂层效果和涂层厚度的关系
涂层厚度作为织物涂层的重要影响因素，不仅对织物的手感产生影响，而且对于浆料和织物之间的相互作用产生影响，如织物涂层的耐水洗牢度和耐摩擦牢度。
故选择一合适厚度对涂层实际生产应用具有至关重要的作用。
1.3.4织物自清洁涂层的效果检测
关于光触媒产品，目前尚无国家或国际标准。
日本由有关科研单位、民间相关厂商等组成了一个自主性机构—光触媒产品技术协议会，制定并公布了相关产品性能实验方法和性能评价标准。
但由于实验条件或者实验者本身的技术有限，且此评价标准无法对结果进行量化评价。
故自设计评价方法，通过织物涂层对染液的分解，分析涂层的自清洁效果。
第二章纳米自清洁技术的理论基础
通过纳米技术研制自清洁织物的方式，之一是模仿荷叶效应的原理，利用纳米技术通过添加纳米粒子，赋予材料高的粗糙因子，从而进一步提高拒水、拒油、拒污性能，使材料不沾水、不沾油；二是赋予纺织品表面光催化活性，达到自清洁效果[4]。
纳米自清洁的内容包括三方面，即物理自清洁、生物自清洁和化学自清洁。
1物理自清洁
物理自清洁是指借助物理作用使表面达到自清洁作用。
这是由于纳米表面含有很高的粗糙度，产生巨大的比表面能，雨水、油污、粉尘等污染物落到表面上时，可借助重力、风力及雨水的作用自行滚落。
2生物自清洁
随着全球气候的变暖，细菌大量繁殖。
生物自清洁主要是指抗菌作用，利用自清洁技术，使表面没有细菌附着、繁衍的生存环境，抑止生物的新陈代谢达到抗菌作用。
3化学自清洁
由于某些光触媒纳米粒子具有极高的表面活性，在阳光尤其是紫外线照射下，能够自行分解出自由移动的电子和空穴。
空穴使水氧化，电子使空气中的氧还原，生成的原子氧和氢氧自由基能与有机物发生化学反应生成CO2和H2O，从而在短时间内起到分解有机物，达到表面自清洁效果。
2.1纳米技术
纳米技术是指在微观环境下，即在纳米尺寸范围内，人类将认识和改造自然的能力延伸到原子、分子水平，通过直接操纵和安排原子、分子、原子团或分子团，使其重新排列、组合，创造出新的物质和物品的新技术。
纳米技术作为近年来新崛起的一门高新技术，在机械、电子、材料、光学、化工、医药等诸多领域正在得到越来越广泛的应用，同样纳米技术也逐步向纺织领域渗透，为纺织业注入了新的活力，可以预见其在纺织领域将具有广泛的应用前景[5]。
由于纳米材料的超细化、比表面积大、价电子处于极小的空间范围，因而其物理、化学性能都会发生很大的变化，呈现出完全不同于传统材料的特性。
主要表现在：
表面效应、小尺寸效应、量子效应等方面[6]。
2.1.1表面效应
纳米材料的表面效应，即纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米微粒尺寸的减小而大幅增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米材料性质变化。
固体颗粒的表面积与粒径的关系为式2-1-1：
SW=k/（ρ•D）（式2-1-1）
式2-1-1中:
SW为比表面积，ρ为粒子的理论密度；D为粒子平均直径；k为形状因子。
由式2-l-1可知，随颗粒尺寸的减小，粒子的表面积迅速增加，从而使处于微粒表面的原子数大大增加，这些表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，它们存在大量的表面缺陷及许多悬空键，具有高度的不饱和性及很高的化学反应活性，因而使这些原子极易与其它原子相结合而转入稳定态。
而纳米粒子表面原子的畸变也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化，因此纳米材料具有新的光学及电学性能如对红外线的吸收和发射作用、对紫外线的屏蔽作用等。
纳米粒子的高表面活性能使其具备某些光催化分解有机物、氧化杀菌作用[7]。
2.1.2体积效应
体积效应是指纳米微粒尺寸减小、体积缩小、粒子内的原子数减少而造成的效应。
研究表明，当超细粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长及透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质等均会呈现出新的特性。
例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；由磁有序向磁无序状态的转变、超导相向正常相的转变、电子谱的改变、金属熔点的降低等[7]。
2.1.3量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。
对于只有有限个导电电子的超微粒来说，低温下能级是离散的，对于宏观物体包含无限个原子（即导电电子数N→∞）。
能级间距与总电子数的关系为式2-1-2：
δ＝4Ef/3N（式2-1-2）
式2-2中：
δ为能级间距；Ef为费米能级；N为总电子数。
间距δ→0，即对大颗粒或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米颗粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致δ有一定的值，即能级间距发生分裂。
当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同[8]。
2.2二氧化钛光催化自清洁涂层的制备
由于TiO2具有高效降解有机污染物的能力，科学家们将TiO2应用于自清洁表面涂层，以制备具有更高效自清洁能力的表面。
制备TiO2自清洁涂层的主要方法有Sol-gel（溶胶-凝胶法）、等离子体法、层层自组装法、电极沉淀法、聚合物/纳米粒子法和磁控溅射法等。
2.2.1溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法（Sol-gel）是利用烷基钛或含钛醇盐作前驱体，在液相环境中均匀混合进行水解、缩合反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，经过挥发或热分解，将溶胶缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，再用以进行涂层。
2.2.2等离子体法
等离子法进行表面处理是指利用直流电将压缩气体电离成等离子体。
等离子体在磁场作用下定向流动，这些带电粒子所带正负电荷相等，因而等离子体内部具有良好的导电性能，而外部电荷呈中性。
由于等离子体中含有大量活化微粒，为掺杂元素提供便利，因此，人们希望通过在等离子体中掺杂其它元素，以增加TiO2吸收光谱的范围。
2.2.3层层自组装法（LbL）
层层自组装法（LbL）是将带电极基板放置于溶解TiO2纳米粒子溶液中（如二甲基二烯丙基氯化铵与TiO2纳米管溶液），交替沉积制备聚电解质自组装多层膜，然后对涂层膜进行煅烧处理，制备自清洁涂层。
由于LbL是在电极基板表面成膜，因此，LbL主要应用在惰性导电基材表面的自清洁处理。
2.2.4纳米粒子法
纳米粒子法制备自清洁涂层是指将纳米TiO2颗粒分散在熔融高聚物中进行涂层，涂层经表面粗糙处理后，再经烘干及焙烘，制得自清洁涂层。
这一方法对纳米颗粒、高聚物及分散方法有较高的要求。
首先，纳米TiO2粒径要小；其次，需将纳米TiO2均匀分散在熔融高聚物中；最后，所用的高聚物需要有较好的耐降解性（一般使用含氟高聚物）。
2.2.5其它方法
制备TiO2表面自清洁涂层的方法还有化学气相沉积法、自组装法和射频磁控溅射法等。
根据不同基材的不同处理要求，可选择适当的方法对表面进行自清洁整理[9]。
2.3光触媒
纳米光催化技术也称为光触媒技术于上世纪80年代中期起源于日本，其原理是利用锐钦矿二氧化钦经纳米技术处理作为光触媒，在紫外光作用下产生光氧化还原能力，使微生物和化学污染物彻底分解成二氧化碳和水。
经过二十多年的研究与发展，此项技术的研究已经取得很大进展[10]。
纳米TiO2可见光透过性好、吸收紫外光性能强、
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