1 构建荷叶仿生织物的理论基础
1.1 荷叶拒水的机理
荷叶表面有序分布着平均直径为5~9μm的乳突, 且每个乳突表面分布有直径约124nm的绒毛。正是由于这种特殊结构和低表面能的蜡状物的存在, 减小了荷叶与外界物质的接触面积。而在这些微小凹凸之间, 储存着大量的空气, 当水滴落在荷叶上时, 由于空气层、乳突结构及蜡质的共同作用, 水滴不能渗透叶片, 而呈现自由滚动的状态。因此, 通过荷叶仿生人工制备超疏水表面时需要在物质表面形成较大的表面粗糙度和较小的表面能。
1.2 溶胶-凝胶理论
溶胶亦称胶体溶液, 是指在液体介质中分散了1~100nm的固体颗粒悬浮在液相中, 并不断做布朗运动的多相体系, 它是具有液体特征的胶体体系。溶胶在适当的条件下经分散颗粒相互联结成为网络而形成凝胶。
溶胶-凝胶法即用含高化学活性组分的化合物为原料, 并通过水解、缩合等化学反应, 在溶液中形成稳定的溶胶体系。经陈化, 胶粒间缓慢聚合, 形成凝胶。凝胶经干燥、固化形成分子乃至微纳米结构。
2 棉织物的荷叶仿生研究
本文以正硅酸乙酯 (TEOS) 为硅源, 按H2O:HAC:TEOS摩尔比为116:1:0.4制备纳米SiO2溶胶。
2.1 Si O2溶胶浓度的影响
将制得的SiO2溶胶稀释不同的倍数, 得到不同浓度的SiO2溶胶, 浓度包括0.42、0.21、0.10、0.08、0.05、0.02 和0.01mol/L。使用上述不同浓度的SiO2溶胶分别处理织物, 并对织物进行喷淋和滴水测试。测试结果表明, 使用浓度为0.21 mol/L (即稀释一倍) 的SiO2溶胶时拒水效果最佳。
2.2 改性硅氧烷的制备及最佳工艺的确定
为了使溶胶处理后的织物具有更好的拒水性能, 本文采用具有低表面能的十六烷基三甲氧基硅烷【化学结构式为CH3 (CH2) 15Si (OCH3) 3】对织物进行表面修饰。十六烷基三甲氧基硅烷常温下呈油状, 需选择合适的溶剂将其制成溶液。实验选用三种制备方法进行比较, 包括用乳化剂 (AEO-9和OP-10) 分别与其混合制成均匀的乳液, 以及用丙酮作为溶剂的三种方法。用浓度为0.21 mol/L的SiO2溶胶采用相同的轧-烘-焙工艺整理三块相同的棉织物, 再用上述三种改性硅氧烷分别处理织物。测试结果表明, 以OP-10作乳化剂的改性硅氧烷的拒水整理效果最好。
为避免过量的OP-10 对织物拒水性能产生不良影响, 将OP-10 的用量降低。最终确定通过十六烷基三甲氧基硅烷、HAC、OP-10 和水的摩尔比为1:2:18:50 的配方制得的改性硅氧烷的稳定性和拒水整理效果最佳。
2.3 SiO2溶胶与TiO2溶胶的配合使用
对棉织物分别进行溶胶处理, 包括 (1) 单独的TiO2溶胶处理、 (2) 单独的SiO2溶胶处理、 (3) 先TiO2溶胶处理后SiO2溶胶处理和 (4) 先SiO2溶胶处理后TiO2溶胶处理四种。其中, SiO2溶胶浓度为前期确定的0.21mol/L;TiO2溶胶按钛酸丁酯 (TMB) :HAC:HCL:H2O摩尔比为1:3.98:0.0045:50.5 的配比制成, 并在使用前稀释三倍, 即实验中使用的TiO2溶胶的浓度为0.143 mol/L。溶胶处理后, 再使用前文述及的以十六烷基三甲氧基硅烷、HAC、OP-10 和水的摩尔比为1:2:18:50 的配方制得的改性硅氧烷整理织物。
3 实验结果
3.1 棉织物的溶胶处理
以正硅酸乙酯 (TEOS) 为硅源, 水为溶剂, HAC为催化剂, 按H2O:HAC:TEOS摩尔比为116:1:0.4, 制备纳米SiO2溶胶。将制成的溶胶稀释不同的倍数, 分别处理织物。测试各织物的拒水效果, 当SiO2溶胶的浓度为0.21 mol/L时效果最佳。
3.2 棉织物的表面修饰
选用合适的溶剂将十六烷基三甲氧基硅烷制成均匀的溶液处理织物。本文采用了三种改性硅氧烷溶液的制备方法进行比较。经测试, 以OP-10作乳化剂的改性硅氧烷的拒水整理效果最理想。
经接触角测试, 先用0.143 mol/L TiO2溶胶处理再用0.21mol/L的SiO2溶胶处理, 最后使用按TEOHS、HAC、OP-10和水摩尔比为1:2:18:50 的配比制得的改性硅氧烷溶液处理织物, 得到的织物拒水效果最佳, 接触角最大, 可达130°。
摘要：本文针对棉织物的拒水整理, 探讨了溶胶类型、溶胶浓度和改性硅氧烷的水解方法等因素对织物拒水整理效果的影响。以正硅酸乙酯为硅源, 水为溶剂, HAC为催化剂, 制得稳定的SiO2溶胶, 通过轧-烘-焙工艺使纳米SiO2整理液在织物表面形成凝胶;进而使用低表面能的十六烷基三甲氧基硅烷对溶胶处理后的织物进行表面修饰, 织物的淋水级数达3级;经SiO2溶胶与TiO2溶胶复合整理后, 织物的淋水级数可达4级, 接触角约130°。
关键词：SiO2溶胶,荷叶仿生,拒水整理,棉织物
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