自清洁技术在织物中的应用

文/张慢乐 唐 俊

1 引言

现代社会，环境污染和资源短缺越来越受到人们的关注，也成为纺织服装行业面临的一大难题。面料经过加工整理后，表面具有超疏水或降解污染物的特性，此类面料称为自清洁面料。使用此类面料，可以有效减少洗涤次数，甚至达到免洗，从而减少洗涤剂的使用，以达到节水、节能和环境友好的目的。除此，还可以屏蔽和消解细菌、病毒、杀虫剂和污渍等污染物，避免其通过呼吸道或皮肤对人体带来伤害。具有自清洁功能的织物具有一个自清洁表面，广泛应用于生化防护服装、日常服装和卫生保健等领域。

2 织物自清洁技术分类

织物的自清洁技术有不同的机理，大致分为三种：物理、化学和生物。其实现过程各有不同，本文选取了工业生产潜力较大的几种技术分别进行介绍。

2.1 物理-超疏水化表面技术

根据表面动态润湿的原理，在运动状态下，超疏水化表面水滴处于Cassie态，近似于圆球体的水滴在表面张力的作用下类似于球体滚动，在疏水化表面，杂质尺寸小于圆球体的水滴尺寸时，由于疏水化表面对杂质的粘附小于水滴对杂质的粘附，所以水滴包裹着杂质颗粒一起运动，从而清除杂质。

1） 基于仿生学的原理来构建材料表面结构，以此获得仿生自清洁表面，这是目前较常见的自清洁技术。许多动植物（如水稻叶、荷叶和蝴蝶翅膀）有超疏水和自清洁的效果，最典型的就是“荷叶效应”。

在扫描电镜和原子力学显微镜下，德国科学家观察了荷叶的叶面结构，阐明荷叶拒水自洁的原理。荷叶效应的关键是表面的微观和纳米结构。纺织物首先要有基本的拒水性能，其次需在表面形成纳米尺度的粗糙度，两者结合在一起产生织物的自清洁效果。

瑞士苏黎世大学的科学研究人员把粒径40nm的硅树脂微粒涂覆在聚酯纤维表面，使整理后的聚酯纤维获得拒水性能。它的原理是经过纳米树脂整理的织物表面和水之间产生永久的空气层。

BASF公司开发的Mincor TX TT，它模拟荷叶的微观结构，把纳米粒子嵌在聚合物基质里，赋予织物耐久的纳米结构表面，是真正具备纳米结构的自清洁纺织产品。

2） 对纺织物表面进行改性，用低表面能的硅氟改性剂对其表面进行修饰，获得超疏水化表面。

改进的NanoSphere涂层整理技术对棉和天然纤维的混纺织物进行C6氟碳整理后获得拒污、拒水和拒油的性能，使织物具有持久的耐水洗效果。

2.2 化学-光催化表面处理技术

光催化效应是在光照的条件下用光敏材料分解污渍，使面料具有抗菌性和防臭性。光催化自洁面料的性能主要是从面料的自洁效率和耐用性能两个方面进行评价。自洁效率主要和纳米材料的光催化效率相关，耐用性能和纳米材料与纺织品的有效作用力有关系，目前的研究热门方向主要集中在TiO与ZnO两大类材料。

1）纳米二氧化钛（TiO）

TiO是n型半导体材料。在吸收一定能量的光子后，TiO表面形成了电子空穴对，具有很强的氧化还原能力，氧化还原周围的物体，这就是光催化原理。光催化技术可分解很多难降解的有机物，从而抑制细菌生长和病毒活性，实现自清洁。在光催化反应中，TiO仅仅提供了反应场所，其利用光能转化为化学反应需要的能量，本身没有参与化学反应，所以具有持久性。

TiO溶解在树脂中，形成溶胶-凝胶，通过后期加工浸渍或者浸轧等方式整理添加到纺织产品中。在荧光灯或者太阳光的照射下，整理后的纺织产品具有抗菌、除臭、防霉、油污分解和空气净化的性能，具有广阔的发展空间。

香港理工大学的沂浩忠教授在涤纶纤维织物和棉纤维织物的表面制备出锐钛矿型纳米TiO薄膜，整理后的涤纶织物，活性蓝染料被光催化降解；整理后的棉织物，表面的污渍被光催化降解。

2）纳米氧化锌（ZnO）

在紫外光的照射下ZnO产生自由电子和空穴，进而产生自由基，氧化吸附细菌和有机物，因此具有抗菌除臭的功能。

在棉织物表面，陈佳婕等采用水浴法，六亚甲基四胺和硝酸锌作为原料，得到形貌规整的ZnO纳米棒阵列。整理后的棉织物具有良好的光催化和抗紫外线性能。

3）纳米Ag

纳米Ag有较大的比表面积和优良的导电性能。在可见光和紫外光的照射下，添加了纳米Ag的纺织产品具有杀菌、抗病毒、降解细菌的作用，在没有光照下，其也具有强效抗菌和杀灭病毒的作用。

墨尔本皇家理工大学（RMIT University）的研究人员研发了经银和铜纳米结构的溶液浸泡的棉纺织基材（cotton textile substrates），当暴露于可见光下时，该纳米结构可以产生“热电子（hot electrons）”，这些热电子释放能量，降解有机物。一些经过处理的棉纺织基材在可见光下大约6分钟可自行清洁。此法低成本和高效率，并可轻易地大规模应用于工业中。

据报道，制备基于可见光光催化降解机制的自清洁织物，把Ag/ TiO粒子均匀地涂覆在PAN纤维表面，此织物在可见光下对亚甲基蓝、罗丹明B和红酒有良好的降解作用和自清洁效果，该织物多次洗涤后仍有良好的光催化效果。

2.3 生物-酶降解技术

在纺织品整理工序中加入具备降解化学污染物和抗菌除臭作用的生物酶，通过酶触反应可快速降解有机污染物，反应条件较温和，处理效率高。这方面的报道相对较少。

美国海军实验室分子生物学工程中心的研究人员向约500nm厚度的薄膜中添加可有效降解化学毒素的酶，加入薄膜的纺织品可以中和毒素，无残留有害物质，很好地应用在军用、民用的防护服整理中。

3 结论

自清洁技术在纺织和服装产业中有着非常广泛的应用前景，相关技术的研究现状表明，许多关键问题还有待解决。比如超疏水自清洁表面制备方法需要复杂的工艺设计、精细的纳米材料制备技术或者价格昂贵、后续带来持久污染问题的氟硅处理剂；光催化自清洁表面技术存在功能颗粒在纤维表面稳定负载方法复杂，稳定性不足以及难以在纤维表面均匀分散等问题。生物酶降解技术的效果依赖外部环境的温和性。生物酶温度的耐受性不足，容易受酸碱环境和消毒剂的影响而灭活。目前受成本和性能的制约，自清洁技术在纺织服装领域大多只能停留在概念阶段，少部分实现工业化生产的产品也因高昂的市场价格而局限在军事、农业、生化防护等领域，因此织物的自清洁技术在大规模工业应用之前还需要更多的进步。