基于納米結(jié)構(gòu)ZnO、SiO2的功能棉制品及新型氣凝膠的制備與應(yīng)用性能.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展以及生活水平的提高，人們對多功能紡織品的需求愈來愈旺盛，而納米技術(shù)的迅猛發(fā)展為紡織品的功能化提供了有利條件。其中，ZnO是一種重要的直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，一維納米結(jié)構(gòu)ZnO應(yīng)用于紡織品整理可以賦予紡織品良好的抗紫外線、抗菌、自清潔等功能。SiO2氣凝膠是一種由納米SiO2顆粒相互連接形成三維網(wǎng)絡(luò)骨架，并在網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿空氣的輕質(zhì)納米固態(tài)材料。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，SiO2氣凝膠是目前世界上最好的隔熱材料，應(yīng)用SiO2氣凝膠制備

2、的紡織品具有絕佳的隔熱阻燃效果。因此研究基于納米結(jié)構(gòu)ZnO、SiO2的功能紡織品及新型氣凝膠中的制備和性能具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文正是圍繞這一主題開展了一系列研究工作，主要的研究內(nèi)容包括:
　　 （一）棉纖維表面ZnO納米棒陣列的原位生長。
　　 利用水熱法在覆蓋有ZnO納米晶種層的棉纖維表面豎直生長ZnO納米棒陣列。探討棉纖維表面ZnO納米晶種層、水熱反應(yīng)溶液濃度、水熱反應(yīng)溫度、水熱反應(yīng)時(shí)間對ZnO納米棒

3、陣列的制備與形貌結(jié)構(gòu)的影響。研究表明:纖維表面的ZnO納米晶種層是ZnO納米棒陣列生長的前提和基礎(chǔ);通過調(diào)節(jié)水熱反應(yīng)條件可實(shí)現(xiàn)對ZnO納米棒陣列形貌尺寸的控制;纖維表面生長有ZnO納米棒陣列的棉織物具有超強(qiáng)的抗紫外線性能。
　　 （二）棉纖維表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑與疏水性研究。
　　 利用SiO2納米顆粒與ZnO納米棒陣列在棉纖維表面構(gòu)筑不同的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，結(jié)合低表面能物質(zhì)修飾成功制備超疏水棉織物。靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角測試

4、結(jié)果表明基于SiO2納米顆粒構(gòu)筑粗糙表面的棉織物具有更大的靜態(tài)接觸角，但纖維表面生長有ZnO納米棒陣列的棉織物顯示出更小的滾動(dòng)角。我們認(rèn)為，這主要和水滴與纖維表面接觸時(shí)形成的固/液/氣三相接觸線有關(guān)，水滴與ZnO納米棒陣列接觸時(shí)更容易形成扭曲的、非連續(xù)性的固/液/氣三相接觸線，因而水滴更容易在其表面滾動(dòng)。
　　 （三）柔性超疏水SiO2氣凝膠的常壓干燥制備。
　　 以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)作為反應(yīng)前軀體，控制反應(yīng)溫

5、度，常壓干燥條件下制備SiO2氣凝膠，制備過程避免傳統(tǒng)常壓干燥法制備SiO2氣凝膠所需的溶劑置換、低表面能物質(zhì)修飾等繁冗過程。研究表明:老化溫度與凝膠化溫度對SiO2氣凝膠的制備具有重要影響。老化溫度提高，SiO2醇凝膠網(wǎng)絡(luò)迸一步完善，網(wǎng)絡(luò)骨架進(jìn)一步增強(qiáng)，其抵御毛細(xì)管張力的能力增強(qiáng)，SiO2氣凝膠體積收縮率與密度逐漸降低。凝膠化溫度提高，凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)孔隙逐漸增大，通過調(diào)節(jié)凝膠化溫度從而控制凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低密、低收縮SiO2氣凝膠

6、的制備。此外，制備的MTMS基SiO2氣凝膠表現(xiàn)出良好的彈性和超疏水性能。
　　 （四）機(jī)械增強(qiáng)SiO2氣凝膠的常壓干燥制備。
　　 以MTMS和乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)作為共前軀體，常壓干燥條件下制備SiO2氣凝膠。研究表明:常壓干燥過程中，孔隙結(jié)構(gòu)是決定SiO2氣凝膠形貌和性能的關(guān)鍵因素。如果凝膠網(wǎng)絡(luò)比較致密，常壓干燥過程中的毛細(xì)管效應(yīng)比較顯著，容易造成SiO2氣凝膠的破裂。如果凝膠網(wǎng)絡(luò)比較疏松，納米顆粒團(tuán)簇間

7、的孔隙增大，降低毛細(xì)管效應(yīng)在常壓干燥過程中對凝膠網(wǎng)絡(luò)的影響，有助于制備塊狀無碎裂的SiO2氣凝膠;但過大的孔隙會(huì)降低納米顆粒團(tuán)簇間的連接密度，削弱SiO2氣凝膠的物理機(jī)械性能，制備的SiO2氣凝膠比較脆弱。前軀體濃度與凝膠化溫度對凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔隙結(jié)構(gòu)具有重要影響，因此控制前軀體濃度和凝膠化溫度對SiO2氣凝膠的制備十分重要。此外，MTMS/VTMS基SiO2氣凝膠具有優(yōu)良的彈性，在經(jīng)受垂直方向多次重復(fù)壓縮后幾乎不發(fā)生收縮。
　　

8、為進(jìn)一步改善SiO2氣凝膠的物理機(jī)械性能，在MTMS/VTMS基SiO2溶膠中加入苯乙烯制備聚苯乙烯(PS)/SiO2雜化氣凝膠。制備的PS/SiO2雜化氣凝膠仍具有低密、高孔隙率的特點(diǎn)，但隨著苯乙烯加入量的增多，納米顆粒團(tuán)簇變大，納米顆粒間的部分孔隙被聚苯乙烯堵塞，導(dǎo)致PS/SiO2雜化氣凝膠的比表面積逐步減少。紅外光譜、核磁共振譜圖表明PS成功沉積在凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)SiO2顆粒表面。壓縮實(shí)驗(yàn)表明所制備的PS/SiO2雜化氣凝膠具有良好的彈