CN109763323A - 抗静电面料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗静电面料及其制作方法，涉及功能性衣物领域，其技术方案要点是，包括以下步骤：a）SiO2水溶胶的制备；b）导电AZO@TiO2纳米晶须的制备；c）按照1:2的钛/硅配比，称取一定比例的导电AZO@TiO2纳米晶须和SiO2水溶胶，导电AZO@TiO2纳米晶须与乳液混合成水溶胶，将导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合，室温超声10min，磁力搅拌1h，可得的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶；其中，Si和Ti的质量分数为0.75%；d）将织物与复合水溶胶浸渍；e）清洗。技术效果是，SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶可在织物表面形成一层连续的凝胶网络导电薄膜，织物表面能快速逸散电荷，使其无法积聚，可赋予织物优良的抗静电性能。
Description
技术领域
本发明涉及功能性衣物领域，特别涉及一种抗静电面料及其制作方法。
背景技术
随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越追求高档、舒适具有保健功能的纺织品。纳米材料有许多普通材料不具备的特性，可开发出高附加值的功能性纺织品，提高我国的纺织品科技含量，可为纺织行业带来更大的经济效益。
高分子材料应用和洁净生活环境对材料的抗静电性能提出了更高要求，纺织行业应适应环境治理、绿色制造以及发达国家对纺织品中有害物质含量的要求标准，常用的抗静电方法是在材料中添加导电填料，但目前导电填料在使用过程中存在一系列的问题：金属系价格昂贵、炭系染色受限制口、有机导电高分子易老化失去导电性。
目前重金属锦已被列入生态纺织品检测项目，是欧洲检测ASTMF963测试规定的八大重金属之一。在涂料或者塑料中广泛使用的ATO(掺杂锦元素的二氧化锡，Antimony tinoxide)导电纳米材料不适合添加在有可能与人体接触的纤维中使用。因为当人体出汗时，酸性汗液会萃取出有害的锡、锦重金属离子，被人体吸收后积聚在人体的各个器官中造成危害。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗静电面料的制作方法，其制成的抗静电面料具有化学稳定性好、安全无毒、环境友好的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种抗静电面料的制作方法，包括以下步骤：
a)SiO2水溶胶的制备
室温下，将正硅酸乙酯(TEOS)在高速搅拌下以1滴/s的速度滴加到一定量的冰乙酸(HAc)和水的混合液中，快速搅拌3h，直到得到均匀透明的SiO2溶胶；其中，Si的质量分数为2％，n(TEOS)∶n(HAc)＝1∶2.6；
b)导电AZO@TiO2纳米晶须的制备
将TiO2纳米颗粒与K2CO3固体进行球磨混合、高温烧结、水煮、抽滤、干燥处理制备出钛酸钾晶须，经酸洗、煅烧制成TiO2纳米晶须；
配制TiO2纳米晶须的悬油液并超声30min，将悬浊液倒入三口烧瓶中匀速搅拌，一侧插入温度计监测反应温度，待TiO2纳米晶须的悬浊液温度保持恒定后，在另一侧缓慢滴入一定比例的AlCl3和ZnCl2混合溶液，同时控制混合溶液的pH值保持恒定，反应结束后，对浆液进行洗涤、过滤、干燥、高温煅烧处理，即可得到表面包覆AZO的导电AZO@TiO2纳米晶须；
c)按照1∶2的钛/硅配比，称取一定比例的导电AZO@TiO2纳米晶须和SiO2水溶胶，导电AZO@TiO2纳米晶须与乳液混合成水溶胶，将导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合，室温超声10min，磁力搅拌1h，可得的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶；其中，Si和Ti的质量分数为0.75％；
d)将织物与复合水溶胶二浸二轧3h，轧余率70％，接着在80℃下烘干3min；
e)用净洗剂清除织物上油脂等残留物，25℃清洗1h，且接着用清水漂洗干净；将清洗干净的织物用40％的NaOH处理2min，最后用去离子水彻底冲洗掉残余物，80℃烘干至恒重。
通过采用上述技术方案，适量的AZO@TiO2加入到SiO2溶胶中，有利于在织物表面形成以锐钛矿TiO2为中心的凝胶粒子，及一Ti一O-Si一，-Ti-O-Ti一键相互交错连续地在纤维表面形成的凝胶粒子网络薄膜结构，因而具有导电性，当钛/硅配比为1∶2，Si和Ti的质量分数为0.75％时，织物具有较强的抗静电性能。
还包括步骤f)制备Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶
称取硝酸银0.5％～5％(硝酸银与钛酸四丁酯的摩尔质量比)，将制备好导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合以一定比例混合，室温下快速搅拌1h，搅拌过程中添加一定量的硝酸银溶液，并继续快速搅拌1h，制得Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶。
通过采用上述技术方案，Ag+进入凝胶网络膜里，凝胶网络膜中导电粒子数增加，导电性能提高。随着Ag+添加量的增大，感应电压和半衰期整体呈现下降趋势，即抗静电性随Ag+的添加量的增大而增强；
另外，因为少量溶胶从织物上脱落下来，连续的凝胶网络导电薄膜断裂。所以织物的抗静电效果随着皂洗次数的增加而持续减弱。添加Ag+后，可以使得织物仍具有较好的抗静电效果，具有一定的抗静电耐久性。
进一步设置：所述Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶中的称取的硝酸银为4％-5％。
通过采用上述技术方案，当掺Ag量为4％～5％时，织物仍然具有较强的抗静电性，随着Ag+添加量的增大到一定饱和值，感应电压和半衰期整体变化不大，因此，没有必要继续增加Ag+添加量用于增加抗静电性。
进一步设置：所述导电AZO@TiO2纳米晶须的包覆率为56％。
通过采用上述技术方案，在包覆率因素中，导电AZO@TiO2纳米晶须的表面电阻率随包覆比先增加后减少，但是总体变化幅度不大，前期研究结果表明当包覆率＜35％时，导电性随着包覆比的增加而增强，这是由于包覆比越大，晶须表面AZO膜层的量越大，更容易在表面形成通路，电阻率降低，导电性随之提高。包覆比继续增加到45％时达到最低点，表面电阻率最小，导电性最好。包覆比继续上升时，电阻率却出现略微上升，表明包覆比已经达到了饱和，过多的AZO粉体并不能显著地改善导电性。
进一步设置：所述导电AZO@TiO2纳米晶须的掺杂比为2％。
通过采用上述技术方案，在掺杂比因素中，导电AZO@TiO2纳米晶须的表面电阻率随掺杂比增加呈现先减少后增加的趋势，导电性能最好。Al3+的半径比Zn2+的半径小，因此AP+容易替代Zn2+的位置形成一个带负电的晶格缺陷，晶体中存在一个一价正电荷中心和一个未成键的价电子，这个价电子挣脱束缚成为自由电子。A1的掺杂量越大，晶体结构带电缺陷越多，越容易形成自由电子，导电性也会提高。当掺杂比为2％时，表面电阻率最小。但是当Al的掺杂量到一定程度时会趋于饱和，且与ZnO结合生成ZnAl2O4导致自由电子数量减少，导电性能恶化。
进一步设置：所述导电AZO@TiO2纳米晶须直径为370～400nm，长径比为3.4。
通过采用上述技术方案，棒状的导电AZO@TiO2纳米晶须尺寸均一。长径比多大之后，大量的AZO导电粉体团聚成核，并不能实现在晶须表面稳定的包覆；长径比越小，相对的增加了晶须的直径和尺寸的均匀程度，进一步提高了晶须的导电性。
进一步设置：所述导电AZO@TiO2纳米晶须添加量达到8％～40％。
通过采用上述技术方案，其一，随着导电AZO@TiO2纳米晶须添加量的增加，织物的衰减周期进一步减小，织物的抗静电性能不断增强。当导电晶须的含量达到8％时，抗静电性能指标最为优异。
其二，根据规定，当样品的UPF＞40，且T(UVA)AV＜5％时，可称为“防紫外线产品”。因此，当导电AZO@TiO2纳米晶须的添加量达到40％时就能够实现防紫外线产品的要求，实现大批量生产。
本发明的另一目的是提供一种抗静电面料，其具有化学稳定性好、安全无毒、环境友好的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种抗静电面料，包括由经线和纬线交织而成的织物，所述织物采用上述的抗静电面料的制作方法进行处理。
综上所述，本发明具有以下有益效果：SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶可在织物表面形成一层连续的凝胶网络导电薄膜，织物表面能快速逸散电荷，使其无法积聚，可赋予织物优良的抗静电性能。
附图说明
图1是不同钛/硅总含量及配比的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶浸渍的织物进行抗静电性能测试的数据示意图；
图2是添加Ag+织物进行抗静电性能测试的数据示意图；
图3是抗静电性能耐久性测试数据的折线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
第一种优选实施方式：
一种抗静电面料的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)SiO2水溶胶的制备
室温下，将正硅酸乙酯(TEOS)在高速搅拌下以1滴/s的速度滴加到一定量的冰乙酸(HAc)和水的混合液中，快速搅拌3h，直到得到均匀透明的SiO2溶胶；其中，Si的质量分数为2％，n(TEOS)∶n(HAc)＝1∶2.6；
b)导电AZO@Ti02纳米晶须的制备
将TiO2纳米颗粒与K2CO3固体进行球磨混合、高温烧结、水煮、抽滤、干燥处理制备出钛酸钾晶须，经酸洗、煅烧制成TiO2纳米晶须；
配制TiO2纳米晶须的悬油液并超声30min，将悬浊液倒入三口烧瓶中匀速搅拌，一侧插入温度计监测反应温度，待TiO2纳米晶须的悬浊液温度保持恒定后，在另一侧缓慢滴入一定比例的AlCl3和ZnCl2混合溶液，同时控制混合溶液的pH值保持恒定，反应结束后，对浆液进行洗涤、过滤、干燥、高温煅烧处理，即可得到表面包覆AZO的导电AZO@TiO2纳米晶须；
c)按照1∶2的钛/硅配比，称取一定比例的导电AZO@TiO2纳米晶须和SiO2水溶胶，导电AZO@TiO2纳米晶须与乳液混合成水溶胶，将导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合，室温超声10min，磁力搅拌1h，可得的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶；其中，Si和Ti的质量分数为0.75％；
d)将织物与复合水溶胶二浸二轧3h，轧余率70％，接着在80℃下烘干3min；
e)用净洗剂清除织物上油脂等残留物，25℃清洗1h，且接着用清水漂洗干净；将清洗干净的织物用40％的NaOH处理2min，最后用去离子水彻底冲洗掉残余物，80℃烘干至恒重。
表1：不同钛/硅配比的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶
| w(Ti)∶w(Si) | AZO@TiO<sub>2</sub>/mL | SiO<sub>2</sub>/mL |
| 纯SiO<sub>2</sub>水溶胶 | 0 | 60 |
| 1∶2 | 18 | 36 |
| 1∶1 | 30 | 30 |
| 2∶1 | 36 | 18 |
| 4∶1 | 45 | 12 |
| 纯AZO@TiO<sub>2</sub>水溶胶 | 60 | 0 |
表2：不同钛/硅总含量及配比的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶
参照纺织机械和纺织行业标准FZ/T 01042一1996《纺织材料静电性能静电压半衰期的测定》在FY342E-I II织物感应式静电仪上测定感应电压和半衰期。将上述相同钛/硅总含量及配比的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶浸渍的织物进行抗静电性能测试。
表3：SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶织物的峰值电压和半衰期
| w(Ti)∶w(Si) | 感应电压/v | 半衰期/s |
| 原布 | 4527.0 | 1205.00 |
| 纯SiO<sub>2</sub>水溶胶 | 4060.0 | 11.04 |
| 1∶2 | 2314.8 | 0.52 |
| 1∶1 | 2353.3 | 0.64 |
| 2∶1 | 2651.5 | 1.48 |
| 4∶1 | 2780.3 | 1.83 |
| 纯AZO@TiO<sub>2</sub>水溶胶 | 2776.3 | 1.26 |
试验结果：如表3所示，织物经复合水溶胶整理后，感应电压和半衰期明显减小，即抗静电性能大大提高，说明织物表面能快速逸散电荷，使其无法积聚。随着SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶中钛/硅配比的增加，峰值电压和半衰期呈现先降低后增大的趋势。这是因为适量的硅溶胶加入到钛溶胶中，有利于在织物表面形成以锐钛矿TiO2为中心的凝胶粒子，及-Ti-0-Si-，-Ti-O-Ti-键相互交错连续地在纤维表面形成的凝胶粒子网络薄膜结构，因而具有导电性。当钛/硅配比为1；2时，整理织物的抗静电性最好，感应电压和半衰期由原样的4527V和1025s分别降低为2314.8V和0.52s。
从说明书附图1中，在钛/硅配比一定的情况下，感应电压和半衰期随着SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶中钛/硅总含量的增大先减小后增大，即抗静电性随钛/硅总含量的增大先增强后减弱。当钛/硅总含量一定时，随着钛/硅配比的逐渐增大，抗静电性逐渐减弱。当w(Ti)∶w(Si)为1∶2且钛/硅总质量分数为0.75％时，织物的抗静电性能最好。
进一步的，导电AZO@TiO2纳米晶须直径为370～400nm，长径比为3.4。导电AZO@TiO2纳米晶须添加量达到8％～40％；导电AZO@TiO2纳米晶须的包覆率为56％；导电AZO@TiO2纳米晶须的掺杂比为2％。
表4：SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶织物的导电性能
| 实验号 | 包覆比A/％ | 掺杂比B/％ | 表面电阻率/kΩ.cm<sup>-1</sup> |
| 1 | 45 | 1 | 26.9 |
| 2 | 55 | 1 | 8.7 |
| 3 | 65 | 1 | 21.7 |
| 4 | 45 | 2 | 4.6 |
| 5 | 55 | 2 | 31.9 |
| 6 | 65 | 2 | 5.0 |
| 7 | 45 | 3 | 28.6 |
| 8 | 55 | 3 | 39.2 |
| 9 | 65 | 3 | 43.2 |
试验结果：如表4所示，在包覆比A因素中，导电SiO2/AZO@TiO2纳米晶须的表面电阻率随包覆比先增加后减少，但是总体变化幅度不大，包覆比继续增加到45％时达到最低点，表面电阻率最小，导电性最好。包覆比继续上升时，电阻率却出现略微上升，表明包覆比已经达到了饱和，过多的AZO粉体并不能显著地改善导电性。
在掺杂比因素中，导电SiO2/AZO@TiO2纳米晶须的表面电阻率随掺杂比增加呈现先减少后增加的趋势，导电性能最好。当掺杂比为2％时，表面电阻率最小。但是当A1的掺杂量到一定程度时会趋于饱和，且与ZnO结合生成ZnAl2O4导致自由电子数量减少，导电性能恶化。
还包括步骤f)制备Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶
称取硝酸银0.5％～5％(硝酸银与钛酸四丁酯的摩尔质量比)，将制备好导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合以一定比例混合，室温下快速搅拌1h，搅拌过程中添加一定量的硝酸银溶液，并继续快速搅拌1h，制得Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶。
Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶中的称取的硝酸银为4％-5％。
如图2所示，采用Ag+添加量质量分别为0、0.5％、1％、2％、3％、4％和5％，w(Ti)∶w(Si)为1∶2，钛/硅总质量分数为0.75％的水溶胶，对织物进行整理，测试其感应电压和半衰期。
Ag+添加整理到织物上，Ag+进入凝胶网络膜里，凝胶网络膜中导电粒子数增加，导电性能提高。随着Ag+添加量的增大，感应电压和半衰期整体呈现下降趋势，也即抗静电性随着Ag+添加量的增大而增强。当Ag+添加量为4％-5％时，整理后织物感应电压为3V，半衰期为0.01s，此时织物具有较强的抗静电性，因此没有必要继续增大Ag+量来对提高织物的抗静电性能。
另外，实际使用织物会根据需要而洗涤，而洗涤往往会导致织物的各种性能受到影响，为此进行抗静电耐久性分析。
如图3所示，采用w(Ti)∶w(Si)为1∶2，钛/硅总质量分数为0.75％，Ag+添加量质量为4％的Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶整理后织物，经10、20、30次皂洗后，测试其抗静电效果。
抗静电效果随着皂洗次数的增加而持续减弱，因为少量溶胶从织物上脱落下来，连续的凝胶网络导电薄膜断裂。经Ag+-SiO2/AZO@TiO2溶胶整理后的织物在洗涤30次后，其半衰期为4.57s。此时仍具有较好的抗静电效果，因此其具有一定的抗静电耐久性。
另一种优选实施方式：一种抗静电面料，包括由经线和纬线交织而成的织物，所述织物采用第一种优选实施方式中的抗静电面料的制作方法进行处理。
上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种抗静电面料的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）SiO2水溶胶的制备
室温下，将正硅酸乙酯（TEOS）在高速搅拌下以1滴/s的速度滴加到一定量的冰乙酸（HAc）和水的混合液中，快速搅拌3h，直到得到均匀透明的SiO2溶胶；其中，Si的质量分数为2%，n（TEOS）：n（HAc）=1：2.6；
b）导电AZO@TiO2纳米晶须的制备
将TiO2纳米颗粒与K2CO3固体进行球磨混合、高温烧结、水煮、抽滤、干燥处理制备出钛酸钾晶须，经酸洗、煅烧制成TiO2纳米晶须；
配制TiO2纳米晶须的悬油液并超声30min，将悬浊液倒入三口烧瓶中匀速搅拌，一侧插入温度计监测反应温度，待TiO2纳米晶须的悬浊液温度保持恒定后，在另一侧缓慢滴入一定比例的AlCl3和ZnCl2混合溶液，同时控制混合溶液的pH值保持恒定，反应结束后，对浆液进行洗涤、过滤、干燥、高温煅烧处理，即可得到表面包覆AZO的导电AZO@TiO2纳米晶须；
c）按照1:2的钛/硅配比，称取一定比例的导电AZO@TiO2纳米晶须和SiO2水溶胶，导电AZO@TiO2纳米晶须与乳液混合成水溶胶，将导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合，室温超声10min，磁力搅拌1h，可得的SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶；其中，Si和Ti的质量分数为0.75%；
d）将织物与复合水溶胶二浸二轧3h，轧余率70%，接着在80℃下烘干3min；
e）用净洗剂清除织物上油脂等残留物，25℃清洗1h，且接着用清水漂洗干净；将清洗干净的织物用40%的NaOH处理2min，最后用去离子水彻底冲洗掉残余物，80℃烘干至恒重。
2.根据权利要求1所述的抗静电面料的制作方法，其特征在于：
还包括步骤f）制备Ag+- SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶
称取硝酸银0.5%～5%（硝酸银与钛酸四丁酯的摩尔质量比），将制备好导电AZO@TiO2纳米晶须溶胶、SiO2水溶胶混合以一定比例混合，室温下快速搅拌1h，搅拌过程中添加一定量的硝酸银溶液，并继续快速搅拌1h，制得Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶。
3.根据权利要求2所述的抗静电面料的制作方法，其特征在于：所述Ag+-SiO2/AZO@TiO2复合水溶胶中的称取的硝酸银为4%-5%。
4.根据权利要求1所述的抗静电面料的制作方法，其特征在于：所述导电AZO@TiO2纳米晶须的包覆率为56％。
5.根据权利要求1所述的抗静电面料的制作方法，其特征在于：所述导电AZO@TiO2纳米晶须的掺杂比为2％。
6.根据权利要求1所述的抗静电面料的制作方法，其特征在于：所述导电AZO@TiO2纳米晶须直径为370～400nm，长径比为3.4。
7.根据权利要求1所述的抗静电面料的制作方法，其特征在于：所述导电AZO@TiO2纳米晶须添加量达到8%～40%。
8.一种抗静电面料，包括由经线和纬线交织而成的织物，其特征在于：所述织物采用权利要求1～7所述的抗静电面料的制作方法进行处理。
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