沈 釗，段南華

（西安工程大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西西安 710048）

在織物的生產(chǎn)過(guò)程中，利用表面修飾技術(shù)可以賦予織物特殊的功能，如光催化自清潔、抗紫外、抗菌、阻燃、抗皺、防油污、防縮水等［1-7］。在改性過(guò)程中，不僅需要賦予織物各種新功能，也需要關(guān)注決定織物壽命的力學(xué)性能。因此，研究織物的微觀結(jié)構(gòu)、納米顆粒的添加及環(huán)境因素對(duì)織物力學(xué)性能的影響，對(duì)功能化織物的生產(chǎn)制造尤為重要［8］。近年來(lái)，利用納米技術(shù)制備具有光催化自清潔能力的功能化織物得到了廣泛應(yīng)用。在制備光催化自清潔功能織物的過(guò)程中，通常需要利用 TiO2、SiO2、ZnO、MgO 和 Al2O3等納米顆粒對(duì)織物表面進(jìn)行修飾［9-12］。其中，TiO2納米顆粒由于無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性良好、成本低廉、效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景［13］。但是，TiO2禁帶寬度較大，僅能吸收太陽(yáng)光中的紫外部分，N 摻雜可減小TiO2的禁帶寬度，有效利用可見(jiàn)光，提升TiO2的光催化活性［14］。

溶膠凝膠法可以在較低溫度下對(duì)織物進(jìn)行表面改性，避免高溫下織物性能的降低，是對(duì)織物進(jìn)行表面改性的常用方法［15］。本實(shí)驗(yàn)利用原位溶膠凝膠法制備出N 摻雜TiO2（N-TiO2）整理棉織物，并利用拉力實(shí)驗(yàn)研究N 摻雜TiO2納米顆粒、外界環(huán)境和拉伸速率等對(duì)整理后棉織物力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步制備力學(xué)性能優(yōu)良的TiO2光催化自清潔織物做準(zhǔn)備。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

STM-150 拉力測(cè)試儀，VEGA-TESCAN 掃描電子顯微鏡（SEM），Philips 紫外燈（UV）；三乙胺（TEA），四異丙醇鈦（TTIP），正丙醇，硝酸，去離子水，氨水。

1.2 N-TiO2整理棉織物的制備

配制95%正丙醇與5%四異丙醇鈦溶液并加入去離子水，用硝酸調(diào)節(jié)pH=2，低溫下攪拌12 h 后，加入TEA（TEA、TTIP和去離子水體積比為1.35∶1∶200），隨后在超聲均質(zhì)機(jī)中均質(zhì)10 min，得到混合溶液。選用200 g/m2的棉織物在氨水中凈化20 min，用乙醇和去離子水沖洗干凈，并用純度為99.99%的氮?dú)獯蹈?。將棉織物浸沒(méi)在盛有上述溶液的培養(yǎng)皿中，50 ℃下脫水10 h，置于150 ℃烘箱中5 min，得到N-TiO2整理棉織物。不添加TEA，采用同樣的方法制備得TiO2整理棉織物。

1.3 拉力測(cè)試

選用拉力測(cè)試儀，利用ASTM D5350 方法測(cè)試棉織物條（25 mm×150 mm）的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)。將樣品夾在拉力測(cè)試儀（負(fù)載為1 000 kg）上，逐步增加拉力，直到樣品斷裂，記錄斷裂時(shí)的拉力和樣品的斷裂伸長(zhǎng)。在測(cè)試過(guò)程中，樣品夾的壓力及對(duì)位會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，可能造成提前斷裂，當(dāng)壓力過(guò)小時(shí)，在增加拉力的過(guò)程中，樣品可能滑落。樣品制備和測(cè)試過(guò)程中的環(huán)境溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為65%±2%。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響棉織物拉力的因素

2.1.1 整理方式

由圖1 可以看出，經(jīng)TiO2整理的棉織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)分別由200 N 和15 mm 增加到215 N 和24 mm。在拉力增大的過(guò)程中，由于棉織物表面存在TiO2顆粒，纖維之間的作用力增強(qiáng)，斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)增大。相比TiO2整理后的棉織物，N-TiO2整理后棉織物的斷裂強(qiáng)力增加到225 N，兩種整理方式的差異可能歸因于制備的溶液不同，在棉織物整理過(guò)程中的 pH 和納米顆粒尺寸不同［16］。

圖1 棉織物的力學(xué)性能

2.1.2 測(cè)試環(huán)境

將樣品浸泡在水中至完全濕潤(rùn)，取出后2 min 內(nèi)完成拉力測(cè)試，研究潮濕環(huán)境下棉纖維的力學(xué)性能；將樣品在紫外燈下照射45 min 后完成拉力測(cè)試，研究紫外照射對(duì)棉織物力學(xué)性能的影響。

如圖2 所示，所有棉織物在濕潤(rùn)環(huán)境下的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)均大于干燥環(huán)境和紫外照射。這是由于在濕潤(rùn)環(huán)境下，水?dāng)U散到纖維的界面區(qū)，和棉纖維形成了半復(fù)合結(jié)構(gòu)，提升了界面的剪切強(qiáng)度；高能量的紫外照射后，棉織物的力學(xué)性能下降，這主要是由于部分纖維在紫外光照射下發(fā)生分解，造成斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)減小。

圖2 未整理（a）、TiO2整理（b）、N-TiO2（c）整理棉織物在不同環(huán)境下的力學(xué)性能

為了更好地研究環(huán)境對(duì)棉織物力學(xué)性能的影響，對(duì)比了干燥/潮濕環(huán)境及干燥/紫外環(huán)境下棉織物的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)。如圖3、圖4 所示，在潮濕環(huán)境下，棉織物的力學(xué)性能相差不大，均好于干燥環(huán)境下的力學(xué)性能，其中，未整理棉織物在干燥環(huán)境下力學(xué)性能下降最快，遠(yuǎn)高于TiO2和N-TiO2整理棉織物，這說(shuō)明水分對(duì)未整理棉織物力學(xué)性能的影響較大，而TiO2和N-TiO2整理棉織物更能適應(yīng)周邊環(huán)境。在干燥環(huán)境下，紫外光照射后，相比未整理和TiO2整理棉織物，N-TiO2整理棉織物仍能保持較高的斷裂強(qiáng)力，這是由于N-TiO2能夠吸收更多的紫外光，從而減少棉織物自身的分解。

圖3 棉織物在干燥/潮濕環(huán)境下的力學(xué)性能

圖4 棉織物在干燥/紫外環(huán)境下的力學(xué)性能

2.1.3 拉伸速率

TiO2和N-TiO2整理棉織物在不同拉伸速率下的力學(xué)性能見(jiàn)圖5。

圖5 TiO2(a)和N-TiO2(b)整理棉織物在不同拉伸速率下的力學(xué)性能

如圖5 所示，當(dāng)拉伸速率為50 和100 mm/min 時(shí)，TiO2和N-TiO2整理棉織物均具有較好的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)，這是因?yàn)槔焖俾实蜁r(shí)，纖維都能充分延伸。在300 mm/min 時(shí)，棉織物的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)最小，這是由于拉伸速率過(guò)大，部分脆弱的纖維未伸長(zhǎng)就發(fā)生了斷裂。相比TiO2整理棉織物，N-TiO2整理棉織物具有更大的斷裂伸長(zhǎng)，說(shuō)明N-TiO2整理棉織物更能適應(yīng)快速拉伸，不易被沖擊破壞。

2.2 棉織物表面形貌及成分分析

如圖6 所示，相比未整理棉織物，TiO2整理棉織物表面因覆蓋有顆粒物而變得粗糙，織物內(nèi)部之間的作用力變大，因此，在干燥、潮濕和紫外照射環(huán)境下都具有更大的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)。N-TiO2整理棉織物表面顆粒物更加明顯，這些顆粒物增大了拉伸過(guò)程中的摩擦力，能夠?yàn)槔w維提供更強(qiáng)的相互作用，使棉纖維具有更好的力學(xué)性能。由圖6d 可知，纖維的斷裂過(guò)程是先拉伸再斷開(kāi)，這與金屬材料的脆性-韌性斷裂機(jī)理一致。由表1 可以看出，TiO2整理棉織物的含氮量為0.14%，N-TiO2整理棉織物增加到0.35%，說(shuō)明氮元素成功地?fù)诫s到TiO2納米顆粒中。

圖6 未整理(a)、TiO2整理(b)、N-TiO2整理(c)及N-TiO2整理棉織物斷裂處(d)的SEM 圖

表1 TiO2整理和N-TiO2整理棉織物的主要元素組成表

3 結(jié)論

（1）當(dāng)棉織物表面覆蓋納米顆粒后，斷裂強(qiáng)力增大，N 摻雜TiO2整理棉織物表面更加粗糙，具有明顯的顆粒物，粗糙結(jié)構(gòu)增加了纖維的摩擦力，為纖維提供了更強(qiáng)的相互連接力，從而使棉織物具有更大的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)。

（2）棉織物在潮濕環(huán)境下的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)均優(yōu)于干燥環(huán)境，紫外照射會(huì)降低纖維的斷裂強(qiáng)力。

（3）快速拉伸纖維時(shí)，部分纖維未伸長(zhǎng)就發(fā)生了斷裂，從而導(dǎo)致纖維的斷裂強(qiáng)力減小，N 摻雜TiO2整理棉織物快速拉伸時(shí)仍具有較大的斷裂強(qiáng)力。

（4）SEM 圖片表明，纖維斷裂過(guò)程包括纖維拉伸和斷開(kāi)兩步，這與金屬材料的脆性-韌性斷裂機(jī)理一致。