CN116446174A - 一种抗菌纺织物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种抗菌纺织物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗菌纺织物及其制备方法和应用，属于纺织品技术领域。本发明提供的抗菌纺织物包括纺织物基底和设于纺织物基底上的抗菌薄膜，抗菌薄膜包括二氧化钛薄膜和钕薄膜。本发明提供的抗菌纺织物的制备方法包括以下步骤：S1、将纺织物基底和靶材安装于设备腔体内；S2、采用磁控溅射的沉积方式，在纺织物基底上形成抗菌薄膜。本发明提供的抗菌纺织物可应用于衣物制造、家纺用品或卫生用品中。本发明所述抗菌纺织物成本低，具有良好抗菌性和抗紫外性能。本发明还提供了上述抗菌纺织物的应用。

Description

一种抗菌纺织物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纺织品技术领域，尤其是涉及一种抗菌纺织物及其制备方法和应用。
背景技术
目前国内外普遍使用抗菌整理剂对纺织品进行抗菌整理，其中以纳米银离子和纳米二氧化钛等无机抗菌剂为主。银(Ag)离子抗菌剂在使用过程中，游离出的银离子在阳光照射下或加热至一定温度后很容易被还原成单质银或被氧化而呈灰色或褐色，从而使基底织物变色，影响其作为服装用的性能；另外，银离子抗菌剂由于银原料贵重导致成本高、并且制造困难；使用工艺也复杂；抗真菌和霉菌效果较差。
二氧化钛(TiO2)抗菌剂优点是应用广，可与许多有机物很好的粘合，其催化氧化性高，可以催化降解大多数的有机物，从而起到杀菌抗菌作用。常态下，二氧化钛(TiO2)呈粉末状很难发挥抗菌效果，光催化效果不理想；只有纳米级TiO2催化产生的电子和空穴能够有效的攻击细菌有机体，使其有效的发挥抗菌效果。但是，因TiO2受激吸收光谱较窄，TiO2抗菌剂的光催化效率有待提高。
因此，提供一种抗菌性能优异的抗菌纺织物以解决以上问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种抗菌纺织物，能够有效地提高抗菌性能和抗紫外性能。
本发明还提供了上述抗菌纺织物的制备方法。
本发明还提供了上述抗菌纺织物的应用。
本发明的第一方面提供了一种所述抗菌纺织物，所述抗菌纺织物包括纺织物基底和设于所述纺织物基底上的抗菌薄膜；所述抗菌薄膜包括二氧化钛薄膜和钕薄膜。
根据本发明第一方面实施例的抗菌纺织物，至少具有如下有益效果：
本发明提供的抗菌纺织物中，抗菌薄膜同时包括二氧化钛(TiO2)薄膜和钕(Nd)薄膜，相当于在纳米TiO2薄膜中掺杂一定量的稀土Nd，由于稀土Nd离子与Ti4+半径存在差异，导致TiO2晶格畸变，形成Ti-O-RE复合氧化物(RE表示稀土)，适度的晶格膨胀引起更多氧缺陷(杂质缺陷)，在导带引入更多的浅能级成为捕获电子的陷阱，加强了电子与空穴对的有效分离，从而利于光催化活性的提高。
当含有紫外线的光照射到TiO2时，即产生电子和空穴，由于稀土的外层价电子带会俘获光生电子，起到光生电子捕获剂的作用，阻碍电子与空穴的复合，从而更加有效地提高了TiO2的光催化活性及抗菌性能。
同时，在光照条件下，抗菌薄膜不会发生变色等问题，保持了所得抗菌纺织物美观方面的作用。
本发明提供的抗菌纺织物中抗菌薄膜至少为双层结构，相比于单层结构薄膜抗菌性能和抗紫外性能更好。
根据本发明的一些实施方式，所述抗菌薄膜包括以下四种结构中的至少一种：自所述纺织物基底而始依次叠加的：
TiO2薄膜和Nd薄膜(以下简称TiO2/Nd)；
Nd薄膜和TiO2薄膜(以下简称Nd/TiO2)；
Nd薄膜、TiO2薄膜和Nd薄膜(以下简称Nd/TiO2/Nd)；
TiO2薄膜、Nd薄膜和TiO2薄膜(以下简称TiO2/Nd/TiO2)。
优选地，所述抗菌薄膜包括Nd/TiO2/Nd和TiO2/Nd/TiO2结构中的至少一种。
更优选地，所述抗菌薄膜为TiO2/Nd/TiO2结构。
根据本发明的一些实施方式，所述抗菌薄膜为双层或三层结构的薄膜。
优选地，所述抗菌薄膜为三层结构薄膜。
根据本发明的一些实施方式，所述抗菌薄膜的厚度为100～800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述纺织物基底的材料包括机织物、针织物和非织造织物中的至少一种。
优选地，所述纺织物基底的材料为非织造织物。
更优选地，所述纺织物基底的材料为丙纶非织造布。
本发明的第二方面提供了上述抗菌纺织物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、将所述纺织物基底和靶材安装于设备腔体内；
S2、采用磁控溅射的沉积方式，在所述纺织物基底上形成所述抗菌薄膜。
根据本发明第二方面实施例的制备方法，至少具有如下有益效果：
本发明的制备方法，制备流程简单、可工业化生产。
本发明采用磁控溅射的方法，不需要水作媒介，不需要化学试剂，环保节能、无污水废渣排放。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述设备为磁控溅射设备。
本发明实验设备基底处有通水降温设备的，一般的纺织物在100℃以下不影响其原有特性。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述靶材包括金属钛靶材和二氧化钛靶材中的至少一种，和钕靶材。
根据本发明的一些实施方式，所述金属钛靶材的纯度至少为99.9％；所述二氧化钛靶材的纯度至少为99.9％；所述钕靶材的纯度至少为99.9％。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述磁控溅射包括直流磁控溅射法和射频磁控溅射法中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述TiO2薄膜的沉积方式包括直流磁控溅射和射频磁控溅射中的至少一种。
采用的靶材为金属钛靶材时，所述TiO2薄膜的沉积方式为直流磁控溅射；采用的靶材为二氧化钛靶材时，所述TiO2薄膜的沉积方式为射频磁控溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述TiO2薄膜的沉积在通氧环境下进行，其中载气包括氩气(Ar)和氧气(O2)。
根据本发明的一些实施方式，所述TiO2薄膜的沉积在通氧环境下进行，其中载气氩气(Ar)的气体流量为20ml/min～40ml/min；载气氧气(O2)的气体流量为20ml/min～40ml/min。
根据本发明的一些实施方式，所述TiO2薄膜的沉积在通氧环境下进行，其中载气氩气(Ar)和氧气(O2)气体流量比为2：1。
根据本发明的一些实施方式，所述Nd薄膜的沉积方式为射频磁控溅射，采用的靶材为钕靶材。
根据本发明的一些实施方式，所述Nd薄膜的沉积在不通氧环境下进行，载气Ar的气体流量为20ml/min～40ml/min。
优选地，所述Nd薄膜的沉积在不通氧环境下进行，载气Ar的气体流量为40ml/min。
根据本发明的一些实施方式，所述直流磁控溅射法的功率为80～100W；所述射频磁控溅射法的功率为40～100W。
优选地，所述直流磁控溅射法的功率为100W；所述射频磁控溅射法的功率为40W。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述磁控溅射的工作压强为1～3Pa。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述磁控溅射设备腔体内溅射工作时基底织物的工作温度为100～200℃。
优选地，步骤S2中，所述磁控溅射设备腔体内溅射工作时基底织物的工作温度为100℃。
所述磁控溅射设备腔体有水流冷却系统。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述磁控溅射设备腔体抽至本底真空，真空抽至3×10-3Pa。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，沉积所述二氧化钛薄膜和钕薄膜的时间比为30～5：1。
优选地，步骤S2中，沉积所述二氧化钛薄膜和钕薄膜的时间比为10：1。
本发明的第三方面提供了上述抗菌纺织物在衣物制造、家纺用品或卫生用品中的应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明提供的溅射沉积薄膜过程示意图；
图2为本发明实施例1和2制备的抗菌纺织物结构示意图。
图3为本发明实施例3和4制备的抗菌纺织物结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
磁控溅射设备：织物功能处理机，型号500，厂家：中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司。具体沉积过程示意图如图1所示。
实施例1
本实施例提供一种抗菌纺织物，其中，抗菌纺织物由丙纶非织造布(纺织物基底)和设于丙纶非织造布(纺织物基底)表面的TiO2/Nd结构抗菌薄膜(双层薄膜)组成。
上述抗菌纺织物由以下步骤制备而成：
1)将丙纶非织造布基底、金属钛(Ti)靶材和钕(Nd)靶材安装于磁控溅射设备腔体内；
2)采用磁控溅射的沉积方式，在Ar和O2气体流量比例为40ml/min：20ml/min的通氧环境下，直流溅射Ti靶来沉积形成TiO2薄膜，直流溅射的功率为100W；在Ar气体流量为40ml/min的不通氧环境下，射频溅射Nd靶来沉积形成Nd薄膜，射频溅射的功率为40W；溅射的工作压强为1～3Pa，设备真空室本底真空抽至3×10-3Pa。在纺织物基底上先直流溅射沉积形成TiO2薄膜，然后再射频溅射沉积形成Nd薄膜，形成TiO2/Nd双层结构薄膜，得到抗菌纺织物。
实施例2
本实施例提供一种抗菌纺织物，其中，抗菌纺织物由丙纶非织造布(纺织物基底)和设于丙纶非织造布(纺织物基底)表面的Nd/TiO2结构抗菌薄膜(双层薄膜)组成。
上述抗菌纺织物由以下步骤制备而成：
1)将丙纶非织造布基底、金属钛(Ti)靶材和钕(Nd)靶材安装于磁控溅射设备腔体内；
2)采用磁控溅射的沉积方式，在Ar和O2气体流量比例为40ml/min：20ml/min的通氧环境下，直流溅射Ti靶来沉积形成TiO2薄膜，直流溅射的功率为100W；在Ar气体流量为40ml/min的不通氧环境下，射频溅射Nd靶来沉积形成Nd薄膜，射频溅射的功率为40W；溅射的工作压强为1～3Pa，设备真空室本底真空抽至3×10-3Pa。在纺织物基底上先溅射沉积Nd，然后再溅射沉积TiO2，形成Nd/TiO2双层结构薄膜，得到抗菌纺织物。
实施例1和本实施例所得抗菌织物的结构示意图如图2所示。
实施例3
本实施例提供一种抗菌纺织物，其中，抗菌纺织物由丙纶非织造布(纺织物基底)和设于丙纶非织造布(纺织物基底)表面的TiO2/Nd/TiO2结构抗菌薄膜(三层薄膜)组成。
上述抗菌纺织物由以下步骤制备而成：
1)将丙纶非织造布基底、金属钛(Ti)靶材和钕(Nd)靶材安装于磁控溅射设备腔体内；
2)采用磁控溅射的沉积方式，在Ar和O2气体流量比例为40ml/min：20ml/min的通氧环境下，射频溅射TiO2靶来沉积形成TiO2薄膜，直流溅射的功率为100W；在Ar气体流量为40ml/min的不通氧环境下，射频溅射Nd靶来沉积形成Nd薄膜，射频溅射的功率为40W；溅射的工作压强为1～3Pa，设备真空室本底真空抽至3×10-3Pa。在纺织物基底上先溅射TiO2，然后溅射沉积Nd，最后再溅射沉积TiO2，形成TiO2/Nd/TiO2三层结构薄膜，得到抗菌纺织物。
实施例4
本实施例提供一种抗菌纺织物，其中，抗菌纺织物由丙纶非织造布(纺织物基底)和设于丙纶非织造布(纺织物基底)表面的Nd/TiO2/Nd结构抗菌薄膜(三层薄膜)组成。
上述抗菌纺织物由以下步骤制备而成：
1)将丙纶非织造布基底、金属钛(Ti)靶材和钕(Nd)靶材安装于磁控溅射设备腔体内；
2)采用磁控溅射的沉积方式，在Ar和O2气体流量比例为40ml/min：20ml/min的通氧环境下，直流溅射Ti靶来沉积形成TiO2薄膜，直流溅射的功率为100W；在Ar气体流量为40ml/min的不通氧环境下，射频溅射Nd靶来沉积形成Nd薄膜，射频溅射的功率为40W；溅射的工作压强为1～3Pa，设备真空室本底真空抽至3×10-3Pa。在纺织物基底上先溅射沉积Nd，然后溅射沉积TiO2，最后再溅射沉积Nd，形成Nd/TiO2/Nd三层结构薄膜，得到抗菌纺织物。
实施例3和本实施例的抗菌纺织物的结构示意图如图3所示。
对比例1
本对比例提供了一种抗菌纺织物，与实施例1的区别在于，以Nd和TiO2分别沉积单层薄膜，本对比例所得抗菌薄膜的组成、沉积时长和抗菌率的结果如表1所示。
表1对比例1抗菌纺织物抗菌性能测试结果
抗菌薄膜组成 沉积时间(min) 抗菌率
原始未镀膜样品 - 0％
Nd 248 10.50％
TiO2 248 26.20％
TiO2 264 28.75％
TiO2 288 31.25％
测试例
抗紫外性能测试
采用YG(B)912E型纺织品防紫外性能测试仪，直接测出UPF、UVA、UVB值，测试的波长约为80～400nm±0.5nm。
UVA：日光紫外线UVA，波长在315nm～400nm的日光紫外线辐射；
UVB：日光紫外线UVB。波长在280nm～315nm的日光紫外线辐射；
UPF：紫外线防护系数。
参考《GB/T 18830-2009》国家标准进行，测量温度25℃，湿度55％。评判标准如表2所示，测试结果如表3所示：
表2抗紫外性能评判标准
UPF范围 15-24 25-39 40-50+
紫外线透过率/％ 6.7～4.2 4.1～2.6 ≤2.5
防护等级 防护效果良好 防护效果很好 防护效果极佳
表3实施例1～4制备的抗菌纺织物抗紫外系数表
根据表1～2数据可知，本申请制备的抗菌纺织物的紫外线防护效果良好，其中“TiO2/Nd”双层薄膜结构，TiO2和Nd的沉积时间相对比例为10：1时的抗菌纺织物紫外防护系数达40+，防护效果极佳。
抗菌性能测试
检测方法：参考《GB 15979-2002一次性使用卫生用品卫生标准》进行。
大肠埃希氏菌(AATCC 25922，格兰氏阴性菌代表，第二代)。
抗菌率R(％)＝(A-B)/A×100％，其中A为原始样(无溅射镀膜的原始样品)的菌落数；B为抗菌样品(溅射镀膜后的样品)的菌落数；计算菌落数为人工计数法。
实施例1～4中所得抗菌薄膜的组成、沉积条件和抗菌率的测试结果如表3～6所示。
表3实施例1制备的抗菌纺织物抗菌率
表4实施例2制备的抗菌纺织物抗菌率
表5实施例3制备的抗菌纺织物抗菌率
表6实施例4制备的抗菌纺织物抗菌率
结合表1，实施例1～4和对比文件1相比，实施例1～4制备的抗菌纺织物的抗菌性能更好，单层薄膜的抗菌性能一般。根据表3～6可知，包括三层薄膜结构的抗菌纺织物的抗菌性能优于抗菌薄膜为双层结构样品。根据实施例1和2双层薄膜结构中，TiO2/Nd薄膜结构的平均抗菌性能优于Nd/TiO2薄膜结构。根据实施例3和4三层薄膜结构中，TiO2/Nd/TiO2薄膜结构样品的总体抗菌性能最优，其中TiO2和Nd的沉积时间相对比例为10：1的样品获得最高抗菌率为98.87％。TiO2和Nd的沉积时间相对比例不同对抗菌性能有不同影响，实施例1～4中无论是双层薄膜结构或三层薄膜结构，TiO2和Nd的沉积时间相对比例为10：1时的抗菌性能均较比例为30：1和比例为5：1的为优。
上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种抗菌纺织物，其特征在于，所述抗菌纺织物包括纺织物基底和设于所述纺织物基底上的抗菌薄膜；
所述抗菌薄膜包括二氧化钛薄膜和钕薄膜。
2.根据权利要求1所述的抗菌纺织物，其特征在于，所述抗菌薄膜为双层或三层结构的薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的抗菌纺织物，其特征在于，所述抗菌薄膜包括以下四种结构中的至少一种：自所述纺织物基底而始依次叠加的：
二氧化钛薄膜和钕薄膜；
钕薄膜和二氧化钛薄膜；
钕薄膜、二氧化钛薄膜和钕薄膜；
二氧化钛薄膜、钕薄膜和二氧化钛薄膜。
4.根据权利要求1所述的抗菌纺织物，其特征在于，所述纺织物基底的材料包括机织物、针织物和非织造织物中的至少一种。
5.一种如权利要求1～4任一项所述抗菌纺织物的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、将所述纺织物基底和靶材安装于设备腔体内；
S2、采用磁控溅射的沉积方式，在所述纺织物基底上形成所述抗菌薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述靶材包括金属钛靶材和二氧化钛靶材中的至少一种，和钕靶材。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述磁控溅射包括直流磁控溅射法和射频磁控溅射法中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述直流磁控溅射法的功率为80～100W；优选地，所述射频磁控溅射法的功率为40～100W。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，沉积所述二氧化钛薄膜和钕薄膜的时间比为30～5：1。
10.一种如权利要求1～4任一项所述抗菌纺织物在衣物制造、家纺用品或卫生用品中的应用。
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