CN111168081A - 金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料及其制备方法与应用 - Google Patents

金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属纳米颗粒‑棉质纤维复合面料及其制备方法与应用。本发明将棉质布料浸泡在氯金酸溶液中，充分吸附氯金酸，然后将氯金酸还原生成金纳米团簇，再浸泡在含银镀液中原位生长银纳米颗粒，得到银纳米颗粒‑棉质纤维复合面料。本发明通过将棉质纤维织物浸泡在氯金酸溶液中，在纤维内部均匀生长金纳米团簇，促进银纳米颗粒的均匀附着，使得制备出的面料有更高的吸光率，提高其光热转换性能。

Description

金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及复合面料技术领域，具体涉及一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料及其制备方法与应用。
背景技术
由纺织品面料所制成的服饰具有御寒保暖及装饰美观的作用。随着社会经济的发展，人们对于服饰功能性的要求越来越多样化，不再仅满足于御寒保暖的基本需求，更要求服装具有轻便美观的特性。然而，通常情况下服饰的保暖性和美观性是一对矛盾体。在冬季，传统的保温方法是以阻止身体散热为主，主要选用毛、绒、皮等高档原料制衣，增加衣服层数或者厚度来换取较好的保暖效果，因而传统的保暖服装一般都显得蓬松、臃肿，既不便于活动又缺乏美感，因此对服装业如何实现高效保暖提出了更高的要求。
发热面料，即具有自发热功能的纺织物。相对于传统的以阻止身体热量的散失来实现保暖的面料而言，发热面料的功能性更为主动，倾向于在人体皮肤与寒冷的空间形成发热层，如同暖炉，在给身体供热的同时也兼具防止寒气入侵的功能。根据发热机理的不同，目前市场上的发热面料主要有吸湿发热、吸光发热、相变放热、电能发热和化学放热等几种。其中吸湿发热面料的发热效果不理想；相变放热面料由于需要温差才能调节温度，所以使用者必须进行活动以引起相变材料周围温度的变化或者经常在有温差的两个环境中工作；电能放热和化学放热面料由于发热效果不理想且存在安全隐患，无法大规模投入使用。
吸光发热面料是通过面料的纤维吸收光能(主要为太阳光)并转换为热能，从而实现为人体供暖。这种面料首先要有强大的吸光能力，这需要对面料的材质和微观结构进行调控，让它以最少最便宜的材料高效地吸收光能；其次是这种面料要有高效的光热转换性能，吸光材料在吸收光能之后要以最大的效率转换成热能，再通过辐射和传导的方式向人体供暖。
对于吸光发热面料的加工方法主要有两种，一种是对普通纤维进行处理，使其具有吸光发热功能，然后对其进行纺织；现有技术公开的一种吸光发热保温针织面料，其采用含有无机发热粒子和碳黑离子的吸光发热纤维和保温纤维交织而成，工艺复杂。另一种是在现有商用面料的基础上，通过在面料表面涂敷吸光发热层来达到发热目的，这种方法制备的吸光发热面料结构不稳定，洗涤后发热层结构易被破坏。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明实施例提供一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其结构稳定，洗涤后不影响吸光性能和光热转化性能。
一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其包括棉质纤维基底、金纳米团簇和银纳米颗粒；其中，所述金纳米团簇附着在所述棉质纤维上及所述棉质纤维的内部孔隙中；所述银纳米颗粒附着在所述棉质纤维上及所述纤维的内部孔隙中。
在本发明中，所述金纳米团簇也可以称为金纳米颗粒或金纳米种子，其可以通过本领域常规方法制得。
进一步地，所述棉质纤维基底的材料可为人造棉或全棉。其中，所述人造棉的原料可选自棉短绒、木浆、甘蔗渣等。
进一步地，所述金纳米团簇的粒径为0.5-3nm。在本发明一些实施例中，所述金纳米团簇的粒径为2nm。研究发现，所述金纳米团簇在上述粒径范围内有利于作为后续银纳米颗粒生长的形核位点和催化剂，同时能够保持复合面料的结构稳定，不易被洗涤掉。
进一步地，所述金纳米团簇在所述复合面料中的重量百分含量为0.1％-0.5％。在本发明一些实施例中，所述金纳米团簇在所述复合面料中的重量百分含量为0.17％。所述金纳米团簇在上述含量范围内的优点是易于后续银纳米颗粒的形核。研究发现，若金纳米团簇的质量分数太低则形核位点不够，太高则成本过高且后续银纳米颗粒生长过程中易团聚。
进一步地，所述银纳米颗粒在所述复合面料中的重量百分含量为10％-30％。在本发明一些实施例中，所述银纳米颗粒在所述复合面料中的重量百分含量为25％。所述银纳米颗粒在上述含量范围内的优点是有利于达到较高的吸光率。研究发现，若银纳米颗粒的质量分数太低则吸光率较低，太高则会引起银纳米颗粒团聚导致较高的金属反射。
本发明还提供一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，包括：
提供附着金纳米团簇的棉质纤维基底；
使所述附着金纳米团簇的棉质纤维基底于含银镀液中原位生长银纳米颗粒。
在本发明一些实施例中，所述棉质纤维基底的材料可为人造棉或全棉。其中，所述人造棉的原料可选自棉短绒、木浆、甘蔗渣等。
在本发明一些实施例中，所述金纳米团簇的粒径为0.5-3nm。在本发明一些实施例中，所述金纳米团簇的粒径为2nm。
在本发明一些实施例中，所述金纳米团簇在所述复合面料中的重量百分含量为0.1％-0.5％。在本发明一些实施例中，所述金纳米团簇在所述复合面料中的重量百分含量为0.17％。
进一步地，所述银纳米颗粒在所述复合面料中的重量百分含量为10％-30％。在本发明一些实施例中，所述银纳米颗粒在所述复合面料中的重量百分含量为25％。
本发明提供的棉质纤维基底上吸附金纳米团簇，可作为后续生长银纳米颗粒的形核位点和催化剂。
在本发明一些实施例中，所述附着金纳米团簇的棉质纤维基底的制备方法包括：先将棉质纤维基底浸泡于氯金酸溶液中，然后将吸附在所述棉质纤维基底上的氯金酸用NaBH4还原。具体方法包括：
将棉质纤维基底浸泡于氯金酸溶液中，使所述棉质纤维基底充分吸附氯金酸；然后将所述棉质纤维基底清洗以去除未被吸附的氯金酸；
再将所述棉质纤维基底浸泡于NaBH4溶液中，使氯金酸还原生成金纳米团簇。
在本发明一些实施例中，所述氯金酸溶液的浓度(质量分数)为0.1％–2％。
在本发明一些实施例中，所述氯金酸溶液(质量分数)的浓度为0.1％–0.4％。
在本发明一些实施例中，将棉质纤维基底浸泡于氯金酸溶液中的时间为2-10小时。
在本发明一些实施例中，将棉质纤维基底浸泡于氯金酸溶液中的时间为4小时。
在本发明一些实施例中，所述NaBH4溶液的浓度为0.05-0.5mol/L。
在本发明一些实施例中，所述NaBH4溶液的浓度为0.1mol/L。
在本发明一些实施例中，所述含银镀液中含有银盐、氨水和还原剂。
进一步地，所述银盐为硝酸银。
进一步地，所述还原剂可选自酒石酸钾钠、葡萄糖、甲醛、柠檬酸钠，优选为酒石酸钾钠。
在本发明一些实施例中，所述含银镀液中银离子的浓度为0.51-0.76g/100mL。
在本发明一些实施例中，所述含银镀液中，银盐、氨水和酒石酸钾钠的浓度分别为0.8-1.2g/100mL、1.5-2.5g/100mL、4.5-5.5g/100mL。
在本发明一些实施例中，所述含银镀液中，硝酸银、氨水和酒石酸钾钠的浓度分别为1g/100mL、2g/100mL、5g/100mL。
本发明人研究发现，采用上述含银镀液有利于银纳米颗粒在金纳米团簇上的附着，酒石酸钾钠作为还原剂，与银离子反应速度较快，可以提高反应效率。
在本发明一些实施例中，所述附着金纳米团簇的棉质纤维基底于含银镀液中的浸泡时间为5-60分钟，例如5分钟、10分钟、15分钟、16分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟或60分钟。研究发现，该浸泡时间与所制得的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的光热转换效率有关。通常情况下，随着浸泡时间的延长，所制得的复合面料对近红外区的吸光率也提高，能够吸收更多的光能，从而提高光热转换效率。
在本发明一些实施例中，金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，包括：
1)将棉质纤维基底浸泡在浓度(质量分数)0.1％–0.4％氯金酸溶液中2-10小时，取出后将所述棉质纤维基底清洗以去除未被吸附的氯金酸；再将所述棉质纤维基底浸泡于0.05-0.5mol/L的NaBH4溶液中，使氯金酸还原生成金纳米团簇，制得附着金纳米团簇的棉质纤维基底；
2)将步骤1)制得的附着金纳米团簇的棉质纤维基底浸泡在含银镀液中5-60分钟，原位生长银纳米颗粒，得到金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
本发明还包括上述方法制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
本发明还包括上述金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料或上述方法制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料在制备吸光发热面料方面的应用。
本发明还提供一种衣物，其以上述金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料或上述方法制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料为原料制成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明通过将棉质纤维基底(例如棉质布料)浸泡在含银镀液中，可原位生长金属纳米颗粒，无需对改性纤维进行重纺，工艺简单易操作。
(2)本发明制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料结构稳定，洗涤后不影响吸光性能和光热转化性能。
(3)本发明通过调节棉质纤维基底(例如棉质布料)在含银镀液中的浸泡时间，可直接调节面料的吸光率，进而调节其光热转换效率。
(4)本发明通过将棉质纤维织物浸泡在氯金酸溶液中，在纤维内部均匀生长金纳米团簇，促进银纳米颗粒的均匀附着，使得制备出的面料有更高的吸光率，提高其光热转换性能。
附图说明
图1为本发明实施例制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料在镀液中浸泡不同时间的太阳光吸收率图；
图2为本发明实施例4制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的透射电镜图；
图3为本发明实施例制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料在镀液中浸泡不同时间的光照升温曲线图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
以下所用人造棉的原料为棉短绒，其尺寸为30mm×30mm。
以下所用含银镀液的配制方法：在100mL蒸馏水中，依次加入1g硝酸银、2mL氨水、5g酒石酸钾钠，混匀。
实施例1
本实施例提供一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将人造棉在0.1％的氯金酸溶液中浸泡4小时，经蒸馏水清洗三次以上，再在0.1mol/L的NaBH4溶液中还原3分钟，最后用蒸馏水清洗三次以上；制得附着金纳米团簇的人造棉；
步骤二，将所述附着金纳米团簇的人造棉浸泡在含银镀液中原位生长银纳米颗粒，浸泡时间为5分钟，然后用蒸馏水清洗面料三次以上，得到银纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
如图1(其中标记为“5min”的曲线)所示，本实施例附着金纳米团簇的人造棉在含银镀液中浸泡5分钟得到的银纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其可见光波段的吸收率可达到95％左右，但在近红外波段，吸光率只有20–30％。由于浸泡时间较短，银纳米颗粒在纤维内部的附着量不够多，面料的透射率和反射率仍很高，因此吸光率降低。
实施例2
本实施例提供一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将人造棉在0.2％的氯金酸溶液中浸泡4小时，经蒸馏水清洗三次以上，再在0.1mol/L的NaBH4溶液中还原4分钟，最后用蒸馏水清洗三次以上；制得附着金纳米团簇的人造棉；
步骤二，将所述附着金纳米团簇的人造棉浸泡在含银镀液中原位生长银纳米颗粒，浸泡时间为10分钟，然后用蒸馏水清洗面料三次以上，得到银纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
如图1(其中标记为“10min”的曲线)所示，本实施例附着金纳米团簇的人造棉在含银镀液中浸泡10分钟得到的银纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其可见光波段的吸收率可达到95％左右，但在近红外波段，吸光率只有30％左右。由于浸泡时间短，银纳米颗粒在纤维内部的附着量仍不够多，面料的透射率和反射率仍很高，因此吸光率降低。
实施例3
本实施例提供一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将人造棉在0.3％的氯金酸溶液中浸泡4小时，经蒸馏水清洗三次以上，再在0.1mol/L的NaBH4溶液中还原5分钟，最后用蒸馏水清洗三次以上；制得附着金纳米团簇的人造棉；
步骤二，将所述附着金纳米团簇的人造棉浸泡在含银镀液中原位生长银纳米颗粒，浸泡时间为16分钟，然后用蒸馏水清洗面料三次以上，得到银纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
如图1(其中标记为“16min”的曲线)所示，所述附着金纳米团簇的人造棉在含银镀液中浸泡16分钟得到的银纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其可见光波段的吸收率达到90％以上，而在近红外波段，吸光率为50–60％。随着浸泡时间的延长，纤维内部银纳米颗粒的附着量增加，复合面料对光的透射率和反射率降低，吸光率随之升高。
实施例4
本实施例提供一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将人造棉在0.4％的氯金酸溶液中浸泡4小时，经蒸馏水清洗三次以上，再在0.1mol/L的NaBH4溶液中还原6分钟，最后用蒸馏水清洗三次以上；制得附着金纳米团簇的人造棉；
步骤二，将所述附着金纳米团簇的人造棉浸泡在含银镀液中原位生长银纳米颗粒，浸泡时间为1小时，然后用蒸馏水清洗面料三次以上，得到银纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
如图1(其中标记为“1h”的曲线)所示，本实施例附着金纳米团簇的人造棉在含银镀液中浸泡1小时得到的银纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其可见光波段的吸收率达到90％左右，且在近红外波段，吸光率仍有80％，说明随着浸泡时间的延长，面料在可见光波段的吸光率没有较大变化，但近红外区的吸光率大大提高，面料吸收了更多的光能，因此能够产生更多的热能来保持人体的温暖。如图2所示，在透射电镜下，可以看到本实施例制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料分布密集且均匀的银纳米颗粒。
图1所示吸光率的差异主要由面料在镀液中不同的浸泡时间导致，浸泡时间越长，附着在纤维内部的银纳米颗粒越多，吸光率越高；氯金酸的浓度和还原时间对面料的吸光率基本无影响。
实验例1
分别将以上实施例1-4不同镀银时间下制备的复合面料的光热转换效率对比，具体测试步骤如下：
步骤一，搭建光热吸收测试平台，在样品台上方放置氙灯太阳光模拟光源，在合适位置放置热红外相机，使相机内样品的成像位于屏幕中央；
步骤二，使用光强度测试仪调节光强，使样品表面光强为517W/m2太阳辐射强度，接近于上海一年四季平均辐射强度；
步骤三，使用热红外相机和软件对整个测试过程中温度随时间的变化曲线进行记录。
效果见图3(其中标记为“5min”、“10min”、“16min”、“60min”、的曲线分别表示实施例1-4制备的复合面料)所示，随着镀银时间的增长，面料的光照升温速率和最高温度均随之增加，其中在镀液中浸泡1小时的面料，其升温幅度为19.68℃，而浸泡5分钟的面料，在光照下升温幅度最小，为14.16℃。浸泡时间对面料达到稳定温度的快慢基本没有影响。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其包括棉质纤维基底、金纳米团簇和银纳米颗粒；其中，所述金纳米团簇附着在所述棉质纤维上及所述棉质纤维的内部孔隙中；所述银纳米颗粒附着在所述棉质纤维上及所述纤维的内部孔隙中。
2.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其特征在于，所述棉质纤维基底的材料为人造棉或全棉；优选地，所述人造棉的原料选自棉短绒、木浆或甘蔗渣。
3.根据权利要求1或2所述的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料，其特征在于，所述金纳米团簇的粒径为0.5-3nm，优选为2nm；和/或，
所述金纳米团簇在所述复合面料中的重量百分含量为0.1％-0.5％；优选为0.17％；和/或，
所述银纳米颗粒在所述复合面料中的重量百分含量为10％-30％；优选为25％。
4.一种金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料的制备方法，其特征在于，包括：
提供附着金纳米团簇的棉质纤维基底；
使所述附着金纳米团簇的棉质纤维基底于含银镀液中原位生长银纳米颗粒。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述附着金纳米团簇的棉质纤维基底的制备方法包括：先将棉质纤维基底浸泡于氯金酸溶液中，然后将吸附在所述棉质纤维基底上的氯金酸用NaBH4还原；
优选地，所述制备方法方法包括：
将棉质纤维基底浸泡于氯金酸溶液中，使所述棉质纤维基底充分吸附氯金酸；然后将所述棉质纤维基底清洗以去除未被吸附的氯金酸；
再将所述棉质纤维基底浸泡于NaBH4溶液中，使氯金酸还原生成金纳米团簇。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述含银镀液中含有银盐、氨水和还原剂；其中，
所述银盐优选为硝酸银；和/或，
所述还原剂优选自酒石酸钾钠、葡萄糖、甲醛、柠檬酸钠。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述含银镀液中银离子的浓度为0.51-0.76g/100mL；
或者，所述含银镀液中，银盐、氨水和酒石酸钾钠的浓度分别为0.8-1.2g/100mL、1.5-2.5g/100mL、4.5-5.5g/100mL；优选地，所述含银镀液中，硝酸银、氨水和酒石酸钾钠的浓度分别为1g/100mL、2g/100mL、5g/100mL。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，包括：
1)将棉质纤维基底浸泡在浓度0.1％–0.4％氯金酸溶液中2-10小时，取出后将所述棉质纤维基底清洗以去除未被吸附的氯金酸；再将所述棉质纤维基底浸泡于0.05-0.5mol/L的NaBH4溶液中，使氯金酸还原生成金纳米团簇，制得附着金纳米团簇的棉质纤维基底；
2)将步骤1)制得的附着金纳米团簇的棉质纤维基底浸泡在含银镀液中5-60分钟，原位生长银纳米颗粒，得到金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
9.权利要求4-8任一项所述方法制备的金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料。
10.权利要求1-3、9任一项所述金属纳米颗粒-棉质纤维复合面料在制备吸光发热面料方面的应用。
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