（纺织工程专业论文）基于超声波技术制备纳米抗菌纺织品的研究.pdf

摘要 随着生活水平的提高，人们在注重服装的美观性、舒适性的同时，也对其保健、 卫生功能提出了更高的要求。因而具有抗菌功能的纺织品只益受到人们的青睐。然 而，传统的抗菌纺织品加工方法，都或多或少存在一些缺陷，并且在这些方法中往 往需要加入一些化学助剂和整理剂，不但会对人体造成危害，而且还造成环境污染。 在人们日益崇尚自然，崇尚绿色的今天，传统的加工方法已不能满足人们的需求， 超声波技术这种绿色的加工方法，必然有着良好的发展前景。 超声波作为一种广泛使用的技术，具有影响多种湿加工的能力。其在湿加工中 的使用可以减少加工时问，降低化学品的消耗和能耗，改进产品质量。基于超声波 的优点和传统纳米抗菌纺织品加工方法的缺点，故我们采用超声波来加工纳米抗菌 纺织品，以期获得性能稳定，效果良好的纳米抗菌纺织品。 为了达到本课题的研究目的，结合实验条件等实际情况，在本课题的研究时间 内，做了如下研究工作。 首先，由于本课题研究实验中，需要研究不同超声频率与纳米材料颗粒以及纤 维缝隙空洞之间的关系，需要选择适合于加工纳米抗菌纺织品的超声频率。因此， 根据现有实验条件和其他客观因素，我们进行了多频率超声波发生器的自主研制工 作，为我们后面的实验创造实验了条件。我们自主研制的多频率超声波发生器，可 产生五个频率的超声波，满足了我们的实验需要。 其次，我们研究了超声频率对纳米材料的分散性能的影响。目前在利用纳米微 粒对织物和织物基材进行加工整理的过程中都存在一个比较棘手的问题，即纳米微 粒的团聚。如何均匀地把纳米微粒分散到目标物中仍然是目前纳米微粒应用研究中 的一个重要课题，也是纳米微粒的应用能否成倍创造出经济效益的一个重要因素。 因此，在抗菌纺织品加工整理以前我们进行了纳米材料分散的研究工作。 我们主要是通过分光光度计测量纳米材料溶液随超声作用时间变化的溶液吸光 度的变化，来表征纳米材料的分散效果。结果表明，在一定时间范围内，随着超声 作用时间的增加，纳米材料溶液的吸光度随时间的增加而增加，即溶液的浓度和均 匀度增加。从而表明纳米材料经超声作用后颗粒减小，分散的更加均匀。 另外，我们对超声波对微细颗粒嵌入缝隙空洞性能的影响进行了研究。在这项 研究工作中，我们以颜料颗粒添加微孔滤膜为实验模型，来模拟纳米材料在苎麻织 物上的添加情况。我们主要是通过m a t l a b 编程绘图以及扫描电镜照片等手段来表征 微孔滤膜及织物上微细颗粒的添加情况，得到了比较直观的效果，为后面的纳米抗菌 纺织品的制备打下了基础。 最后，我们进行了超声波条件下制备纳米抗菌纺织品的研究。并对制备出的纳 米抗菌纺织品进行了抗菌效果的测试，得到了较好的实验效果。我们又对测试结果 进行了方差分析，对实验参数进行了优化，从而得出一组适于加工纳米抗菌纺织品 的实验参数，为以后的实验和研究打下一定的基础。 关键词：纳米材料超声波分散抗菌纺织品 n ab s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h el i f el e v e l ，a tt h et i m eo fp a y i n ga t t e n t i o nt ot h e p e a u t y ，c o m f o r to fc l o t h i n g ，a l s oa st oi t sc a r e ，t h eh e a l t hf u n c t i o n ，p e o p l ep u tf o r w a r dt h e h i g h e rr e q u e s tt ot h ec l o t h i n g a sar e s u l t ，t h ea n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t sh a v eb e e n f a v o r e db yt h ep e o p l ei n c r e a s i n g l y h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a la n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t s p r o c e s s i n gm e t h o d s ，m o r eo rl e s s ，e x i s ts o m ed i s a d v a n t a g e s ，a n du s u a l l yn e e dt oj o i n s o m ec h e m i s t i l e si nt h e s em e t h o d s ，n o to n l yw i l lr e s u l ti nh a r mt ot h eh u m a nb o d y ，b u t a l s os t i l lr e s u l ti nt h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t e m p h a s i z i n gt h en a t u r ei n c r e a s i n g l ya t t h e p e o p l e ，t r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g m e t h o d sh a s n ts a t i s f i e dt h ep e o p l e sn e e d y e t , u l t r a s o n i cak i n do fg r e e no fp r o c e s s i n gm e t h o d ，h a st h eg o o dd e v e l o p m e n tf u t u r eb ya l l m e a i 塔 u l t r a s o n i c ，ak i n do ft e c l m i q u eu s e de x t e n s i v e l y , h a sv a r i e da b i l i t i e st oi n f l u e n c ew e t p r o c e s s i n g i tc a r lr e d u c ep r o c e s s i n gt i m e ，d e p l e t i o na n dl o w e rt h ec h e m i c a l sc o n s u m e ， a n di m p r o v et h ep r o d u c tq u a n t i t y a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e so fu l t r a s o n i ca n dt h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，8 0w ea d o p tu l t r a s o n i ct op r o c e s st h e a n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t s ，e x p e c t i n gt oa c q u i r ea n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t so fg o o d a n ds t a b l ef u n c t i o n i no r d e rt oa t t a i nt h er e s e a r c hp u r p o s eo ft h i st o p i c ，c o m b i n i n gt oe x p e r i m e n t c o n d i t i o n sa n dt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e s ，w i t h i nt h er e s e a r c ht i m e ，w ed i dt h er e s e a r c h w o r ka sf o l l o w i n g f i r s to fa l l ，i nt h er e s e a r c he x p e r i m e n to ft h i st o p i c ，w en e e dt os t u d yt h er e l a t i o n s b e t w e e nf r e q u e n c i e sa n dt h es i z eo fn a n o m a t e r i a l sa n dt h eg a p so ft h ef i b e r s ，a n dn e e dt o c h o o s et h e s u i t a b l ef r e q u e n c yf o rt h ea n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t so fn a n o m a t e r i a l s t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt oe x i s t i n ge x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa n do t h e ro b j e c t i v ef a c t o r s ，w e c a r r i e do na l li n d e p e n d e n c er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r ew o r ko fm u l t i f r e q u e n c i e s u l t r a s o n i cd e v i c e i tc r e a t e sc o n v e n i e n tc o n d i t i o n sf o ro u re x p e r i m e n t s t h ed e v i c ec a n p r o d u c eu l t r a s o n i co f f i v ef r e q u e n c i e s ，s a t i s f y i n go u re x p e r i m e n td e m a n d t h es e c o n d ，w es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h ed i s p e r s i o nf u n c t i o no faf r e q u e n c yt ot h e n a n o m a t e r i a l s a l le x i s tat o u g h e rp r o b l e mi nt h ep r o c e s so fm a k i n gu s eo ft h e l l a n o p a r t i c l e st of a b r i c sa n df i b e r sc u r r e n t l y t h a ti s t h er e u n i o np r o b l e mo fn a n o p a r t i c l e s h o wt od i s p e r s et h en a n o - p a r t i c l e se v e n l yi nt h et a r g e tt h i n gi ss t i l la ni m p o r t a n t t o p i co ft h en a n o m e t e r i a l sa p p l i c a t i o nc u r r e n t l y , a l s oi s a ni m p o r t a n tf a c t o rw h e t h e r n a n o m e t e r i a l sc a nc r e a t eg o o de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo rn o t t h e r e f o r e ，b e f o r et h e n i p r o c e s s i n go fa n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t s ，w ec a r r i e do nt h er e s e a r c hw o r ko ft h e n a n o m a t e r i a l sd i s p e r s i o n w em a i n l ym e a s u mc h a n g e so ft h es o l u t i o na b s o r b e n c ya l o n gw i t ht h et i m eu s i n gt h e s p c c t r o p h o t o m e t e r , t of i g u r et h ed i s p e r s i o ne f f e c t so fn a n o m a t e r i a l s a sar e s u l t ，w i t h i n t h es c o p eo fc e r t a i nt i m e ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fu l t r a s o n i ce f f e c tt i m e ，t h es o l u t i o n a b s o r b e n c yi si n c r e a s i n ga l o n gw i t ht h et i m e n a m e l yt h ed e n s i t ya n dr e g u l a r i t yo ft h e s o l u t i o ni si n c r e a s e d t h u st h a te x p r e s s e st h a tt h es i z eo fl l a n o - p a r t i c l e sm i n i s h c st h r o u g h t h eu l t r a s o n i c sa c t i o n 一 m o r e o v e r , w ec a r r i e d0 1 1t h er e s e a r c ht oa ni n f l u e n c et h a tn a n o p a r t i c l e se m b e dt h e e m p t ya n dv e r ys m a l lg a p st h r o u g hu l t r a s o n i c i nt h i sm s e a r c hw o r k ，i no r d e rt oi m i t a t e t h ec i r c u m s t a n c et h a tn a n o p a r t i c l e se m b e dt h ee m p t ) ra n dv e r ys m a l lg a p so fr a m i ef i b r e s ， w eu s et h ep i g m e n tt oe m b e dt h em ! l l i p o r ef i l t e rf o re x p e r i m e n tm o d e l w em a i n l yu s e d t h em a t l a bt os o f t w a r ea n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p et os t u d yt h er e l a t i o n sb e t w e e n l l a n o p a r t i c l e sa n dt i n n yh o l eo ff i b e r sa n dg o tt oi n t u i t i o n i s t i ca n dd e p e n d a b l er e s u l t , m a k i n gg o o dp r e p a r a t i o n sf o r t h en a n o m e t e ra n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t sp r o c e s s i n g f i n a l l y , w ec a r r i e do nt h er e s e a r c ho ft h ea n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t su n d e rt h e e o n d i t i o n so fu l t r a s o n i c a f t e rt h a tw et e s t e do na n t i v i r u se f f e c t so fa n t i m i c r o b i a lt e x t i l e p r o d u c t sa n dg o tg o o de x p e r i m e n tr e s u l t i na d d i t i o n ，w ed i da n a l y s i so fv a r i a n c et ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n do p t i m i z e dt h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s ，t h u sg o ts o m ee x p e r i m e n t p a r a m e t e r st h a ti ss u i t a b l ef o rt h ep r o c e s s i n go fa n t i m i c r o b i a lt e x t i l ep r o d u c t s i ti sag o o d b a s ef o rl a t e re x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h k e y w o r d s ：n a n o m a t e r i a l s u l t r a s o n i c d i s p e r s i o n a n t i m i c r o b i a if a b r i c s i v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 新闻 日期：嘶年钿j 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密囱，在z 年解密后适用于本声明。 不保密口。 论文作者签名：轩阑 铷舭以狮 日期：，年月j | ；日 日期：钟且3 日 引言 随着人们生活水平的提高，抗菌纺织品也越来越受到人们的重视和青睐。为此 人们探索了多种纺织品抗菌方法。当时抗菌剂用的主要是有机汞、有机铜、有机锌、 以及一些含硫的化合物，这些药物虽然用量少，但是效果显著。所用的方法一般为 在纺丝中直接添加法和后整理涂覆法等。随着研究的深入，人们发现部分有机金属 化合物对人体的细胞和组织有毒害作用以及生态毒性，其产品也存在着技术难度高j 抗菌效果不持久等缺陷，已有的这些的抗菌剂和加工方法已不能满足人们生活的需 要和科学发展进步的要求。 近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米抗菌纺织品走进了人们的生活。目前 纳米抗菌纺织品的加工方法主要有填充法和后整理法两种。化学纤维大部分用的是 填充法，也可以使用后整理法。但是对棉麻纺等天然纤维只能使用涂覆整理等后整 理法，此中方法存在着牢度不高，添加化学试剂，环境污染较大等缺点。 为了满足现代人们对绿色纺织品的最新要求，探索一种方便、有效的纳米抗菌 纺织品的加工方法有现实意义。 由于超声波有着比较优异的特点和性能，并且在清洗、化学及纺织湿加工方面 已经有着比较好的理论与实践基础，所以将超声波技术用于加工纳米抗菌纺织品， 既具有理论意义也具有产业化前景。 v 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 纳米抗茵纺织品国内外的研究动态 众所周知，随着社会的进步和改革开放的深入，人们社交范围不断扩大，许多 细菌引起交叉感染的几率增加。纺织品是微生物附着、繁殖和传播的良好介质，一 些微生物因接触人体，乘机而入，传染疾病，危害人体健康。同时有些危害来自肤 体本身，人体分泌于皮肤表面的汗液、皮脂等容易使细菌繁殖，通过毛孔侵入肌体。 在一般人的上半身上，每平方厘米的皮肤上有无害的、有害的微生物约5 0 - - 5 0 0 0 个， 如果条件适宜，这些微生物会产生异常的繁殖，使贴身内衣产生恶臭味。袜子也可 使脚诱发脚癣。因此开发具有抗菌、防霉和防臭性能的纺织品技术已成为改善人们 穿着环境的一个重要领域。 抗菌织物的发展大致经历了三个阶段，第一阶段为1 9 5 5 1 9 6 5 年，这是抗菌织 物发展的孕育时期。当时很多人认识到抗菌织物的可行性和实用价值。，积极参与 研究开发工作。1 9 6 5 1 9 7 5 年为抗菌织物发展的第二阶段。这一阶段的前期，主要 是追求抗菌的效果，当时抗菌剂用的主要是有机汞、有机铜、有机锌、以及一些含 硫的化合物这些药物虽然用量少，但是效果显著。后半时期抗菌剂的安全性引起 了人们的关注。人们发现部分有机金属化合物对人体的细胞和组织有毒害作用。会 引起皮肤斑疹和炎症。美国环保局( e a p ) 和食品医药局( f d a ) 开始实施抗菌剂安 全性的检验。日本也与1 9 7 3 年制定了关于家庭用品含有害物质的有关规定，并实施 医药品安全性检验，停止使用有机汞等有害物质。在这一阶段内，主要发展方向是 针对抗菌性和安全性的矛盾，加紧开发安全性抗茵剂。1 9 7 3 年美国道康宁公司 ( d o w c 0 r n i k g ) 宣布这种抗菌剂开发成功，商品名为d c 5 7 0 0 。这种抗菌剂开发耗资 1 4 0 0 0 万美元，历时2 5 年，终使抗菌与安全两种性能同时得到社会的认可。1 9 7 5 年 得到美国环境保护局和食品医药局的批准，开始投放市场。从此，抗菌整理走上了 稳步发展的道路。瞠删 日本人在美国研究的基础上进行了研究。发现抗菌剂不只用于医护方面，而且 在日常生活中人们也需要纺织品具有防臭抗菌的功能。1 9 7 0 年以来，日本加速进行 抗菌织物的开发研究和应用推广工作，相继开发出多种抗菌荆。近年来，日本抗菌 整理织物接连涌现，种类繁多。各家公司采用不同的抗菌剂和助剂，采用不同的工 艺开发性能不同的产品。 我国研究抗菌织物开始于8 0 年代。1 9 8 4 年上海树脂厂试制出s a o - 1 抗菌整理 剂。1 9 8 7 年山东大学与山东省纺织研究所合作制出s t c a m i o i 型抗菌整理剂。河北 省纺织研究院与石家庄四印合作在酸性烘焙条件下，抗菌剂通过交联剂结合在棉 织品上。1 9 9 9 年山东纺织工学院和中国纺织大学分别研制出s f r - i 羟基氯代二苯醚 青岛入学硕l ：学位论文 非离子型抗菌整理剂。h ， 传统的整理加工方法加工方便，并且可供选择的抗菌剂品种较多，适用范围也 广，但是抗菌效果不能耐久、经过若干次洗涤后即失去抗菌效果。尽管如此，天然 纤维由于难以通过纤维改性的方式获得抗菌效果，所以到目前为止，用天然纤维制 成的纺织品仍以抗菌剂整理的方法为主。由于化纤可以为纤维改性提供十分广阔的 余地，所以自8 0 年代开始采用以混纺式为主的方法，把纤维改性以获得具有持久抗 菌效果的纺织品。 早期用于化纤共混纺丝的抗菌剂一般均为含重金属离子的复合物，由于它具有 生态毒性，后来又开始采用离子结合的氟石作为抗菌剂，这种抗菌剂具有广谱抗菌 效果，对人体无害，而且热稳定性好，有利于共混纺丝，但其抗菌率仅达7 0 8 0 。8 0 年代也开始通过化纤与无机抗菌剂共混纺丝获得持久性抗菌纤维，包括有金 属元素、氧化物和多种化合物，根据杀菌机理的不同又可分为接触性抗菌剂和光 催化抗菌剂。由于近年来纳米技术的发展，发达国家能够批量生产亚微米和纳米级 无机抗菌剂，并可共混引入化纤之中，确保了抗菌化纤的产业化。儿町 我国从1 9 9 3 年开始对抗菌材料进行研究，在抗菌剂方面研究首先取得突破的有 中国建材研究院( 钛系) 、景德镇陶瓷学院、武汉工业大学( 银系) 等。 以国家超细粉末工程研究中心为龙头和清华、浙大等均成功地研制出纳米材料 抗菌剂；上海泰谷科技有限公司、浙江金地亚等公司均已生产出成品，并在四川四 维、涪陵建陶、江苏宜兴联陶、福建豪盛等公司生产出墙地砖和卫生陶瓷样品，有 的已批量投产。 随着社会对多功能纺织品需要的不断增加，研究人员将纳米材料的两种或者多 种功能复合起来，用于一类功能织物的开发，如：开发出既具有抗紫外线功能又能 抗菌的纳米粉体，就可以用后整理方法生产出夏、秋季穿用的衬衣和t 恤衫；再如生 产具有防水、透湿、抗菌性能的服装；还可以生产出既屏蔽紫外线、又能屏蔽红外 线同时还可以抗茵( 凉爽、抗菌型) 的复合功能服装来这一系列的纳米纺织品都有 着巨大的市场前景。h ， 目前世界各国对抗菌纺织品多采用防霉抗菌整理剂进行抗菌整理。抗菌整理工 序主要采用浸轧焙烘，整理剂主要有卤素芳香族酚类化合物、杂环化合物等，对这 些抗菌整剂不仅要考虑其抗菌效果，还要考虑其安全性问题，既达到抗菌效果，又 要求对人体无副作用。 因此，对抗菌纺织品要满足以下要求： 具有高选择性，能有效地杀灭或抑制某些有害微生物； 不应使纺织品失去或改变其固有性能，如良好的手感、耐磨性、透湿透气性 及强力等性能： 2 第一章文献综述 无毒，对人体皮肤无副作用； 耐久性，是指经抗菌整理的织物抗菌活性耐水洗、耐干洗和其它卫生处理的 能力。所得抗菌产品需要抗菌性能持久稳定。 另外还要考虑环境污染等问题。传统的加工方法很难满足这些要求，这也是制 约抗菌纺织品的发展的一个瓶颈。m 1 近年来，纳米技术迅速发展起来，已成为世界各国争相研究的热点。随着物质 的细化，其表面电子结构和晶体结构发生了变化，产生了块状材料所不具有的多种 效应，从而使纳米粉末与常规颗粒材料相比较具有一系列优异的物理化学性质。 纳米材料的奇特性质为其广泛的应用奠定了基础。例如纳米材料有特殊的抗紫 外线、吸收可见光和红外线、抗老化、高强度和韧性、良好的导电和静电屏蔽效应、 强的抗菌消臭功能以及吸附能力等。因此，通过把具有这些特殊功能的纳米材料与 纺织原料进行复合可以制成各种功能性织物。归， 目前国内外纳米抗菌纺织品的加工方法主要有填充法和后整理法两种。 填充法是利用溶液共混方法制备纳米纤维复合材料，从而制成纳米抗菌纺织 品的一种方法。 目前国内的也在尝试合成功能性的服用纤维，如北京服装学院通过把纳米微粒 直接添加在初始反应液中，采用常规的聚合反应合成功能纤维，这种纤维有很强的 屏蔽紫外线的功能。东华大学最近研制的含纳米填料的远红外线发射纤维，利用纤 维发射远红外线和蓄热功能制造保暖服装、保健服装增加人体血液循环，起到防病、 保健等功效。u 町 后整理法就是采用后整理技术对纺织品进行纳米抗菌整理。 。 纳米材斟作为一种新的聚合物功能填料，除能够直接添加到合成纤维中改性复 合材料外，也能够通过对天然纤维的后整理而赋予天然纤维更优越的功能。天然纤 维因其服用的舒适性等而被广泛接受，但又因其本身的一些缺点而必须进行后加工 整理。纳米抗菌复合材料具有优越的抗菌、消毒、除臭功能，因此把纳米抗菌复合 材料作为功能助剂对天然纤维进行后整理可以获得性能良好的抗菌织物。目前，这 种方法已被广泛应用于生产当中。】【堙1 以上这些加工方法，都或多或少存在一些缺陷不能满足人们的需要和适应社 会的发展。因此有对抗菌纺织品的加工研究有着巨大的现实意义。 1 2 纳米抗菌纺织品加工技术现状及前景 1 2 1 目前国内外纳米抗菌纺织品的加工方法n 嬲】“6 】 目前国内外纳米抗菌纺织品的加工方法主要有填充法和后整理法两种。填充法 是将纳米抗菌复合材料加入到化纤中从而获得各种含纳米抗菌复合材料的化纤的方 3 青岛人学坝f ：学位论文 法，然后再将这些化纤制成各类抗菌纺织品。而后整理法就是用抗菌剂直接对织物 进行后处理，来获得具有抗菌防臭功能的纺织品的方法。 1 、纳米抗菌纤维加工方法 1 ) 接枝法 所谓接枝法就是用化学的方法在大分子上接枝具有抗菌性的基团，从而使纤维 获得抗菌效果的一种方法。这是国内比较新的方法。用这种方法制造的纤维作为抗 菌保健服装的材料，可以具有永久性的抗菌效果。但此法对于抗菌基团和原料纤维 本身有较高的要求，而且技术也比较复杂，所以目前应用还不很广泛。 2 ) 离子交换法 此法是采用具有离子交换基团( 如磺酸基或羧基) 的纤维，通过离子交换反应而 使纤维表面置换上一层具有抗菌性的离子( 一般为a g + 或a g + 与c u + 或z n + 的混合物) 。 这种方法制得的纤维，由于金属离子与纤维的离子交换基团形成离子键，所以它具 有持久的抗菌效果。 3 ) 湿纺方法 ， 这种方法是将合适的抗菌剂在有机溶剂中溶解后加入到纺丝原液中，经过湿纺 就制得具有抗菌性能的纤维。所制得的抗菌纤维属溶出型抗菌方式，即在使用中抗 菌剂不断扩散至纤维表面，从而具有抗菌的效果。目前此法一般用于抗菌聚丙烯腈 纤维的制造。适用于此方法的抗菌剂多为无机类，如铜系、银系金属盐离子等。 4 ) 熔融共混纺丝法 这种方法是将抗菌剂与原料进行共混，然后通过熔融纺丝制得具有抗菌效果的 纤维。此法引入的抗菌剂，由于其均匀分布在纤维中，所以制得的抗菌纤维及其产 品具有优良的耐洗涤性能，从而抗菌效力也就更持久，但此法要求所采用的抗菌剂 能耐高温且与聚合物有良好的相容性及分散性。目前应用于这种方法的抗菌剂以泡 沸石之类无机物居多。 5 ) 复合纺丝法 复合纺丝法即将抗菌剂制得的抗菌母粒和原料通过复合纺丝的方法制成皮芯结 构的纤维。以抗菌母粒为皮层，原料为芯层。此法所得的抗菌纤维，抗菌剂只分布 于纤维的皮层，因此与上面所介绍的共混法相比，所需的抗菌剂少，从而可以减少 因抗菌剂的引入对原料物理力学性能和服用性能的影响其主要缺点是生产技术复 杂，成本较高。 2 、后整理法 后整理法是指用含纳米无机抗菌剂的分散液或树脂对成品纤维及其织物进行浸 渍或涂覆处理，从而赋予纤维和织物抗菌活性的方法。常用的方法有表面涂层法、 树脂整理法、微胶囊法等。 4 第一章文献综述 1 ) 表面涂层法 此法是将纳米无机抗菌剂与涂层剂配制成溶液对织物进行涂层处理，使抗茵剂固着 在纤维表面从而起到抗菌的效果。此法工艺比较简单，所得织物抗菌效果也较好， 但其耐洗涤性不好。 2 ) 树脂整理法 这种方法主要是将纳米无机抗菌剂分散在树脂中，然后配成乳化液，将织物放 在乳化液中充分浸渍，再通过轧、烘使含有抗菌剂的树脂能附着于织物表面从而使 其具有抗菌功效。如在处理时加入催化剂，则效果更好。 3 ) 微胶囊法 ， 此法是将抗菌剂制成微胶囊，再用高分子粘合剂或涂层剂对织物进行处理。对 抗菌剂的要求是能适合粘合剂的加工条件且最好能渗透到织物无定型区以增强其耐 洗涤性。抗菌机理是在使用过程中，由于摩擦而使微胶囊破裂释放出抗菌剂，并在 纤维表面扩散而产生抗菌效果。这种方法的缺点是耐洗涤牢度不高。 近年来，人们在抗菌加工中，还将以上两种基本方法结合起来使用。即先制得 具有抗菌作用的纤维，做成织物或成品后，再用含抗菌剂的整理剂进行后整理加工 以期进一步改善所得抗菌制品的抗菌性能和耐洗涤性能。综上来看，纳米抗菌纺织 品的加工方法还需要不断的改进和创新，以期获得质优价廉的纳米抗菌纺织品。“盯n 力 1 2 2 传统加工方法与超声波技术加工方法优缺点对比 i1 、传统加工方法的优缺点 目前传统的加工方法有填充法和后整理法 ( 1 ) 填充法 这种方法的优点是这种化纤制成的纳米抗菌纺织品抗菌效果持久。 缺点： 1 ) 需要在纺丝过程中加入混炼设备，增加成本投入。 2 ) 纳米抗菌复合材料用量大，造成原料浪费。 3 ) 纺丝过程中的高温会对纳米复合材料的抗菌性能产生影响。 4 ) 在熔融纺丝液中加入的纳米材料分散不均匀。 5 ) 这种加工方法只适用于化学纤维。使用范围受到限制。 ( 2 ) 后整理法 这种方法的优点是使用中不受纤维种类的限制。 缺点： 1 ) 需要添加一些化学助剂，会对人体造成危害，对环境造成污染。 2 ) 织物涂层会对织物服用性能产生不良影响。如影响织物的手感、强力和耐磨 等性能。 青岛人学硕i ? 学位论文 3 ) 抗菌性能不够持久和稳定。在织物经过多次洗涤和摩擦以后，抗菌性能降低 或消失。“| 】【l 町 2 、超声波技术加工纳米抗菌纺织品优缺点 超声波作为一种广泛使用的技术，具有影响多种湿加工的能力。其在湿加工中 的使用可以减少加工时间，降低化学品的消耗和能耗改进产品质量。将超声波技 术应用于抗菌纺织品的加工中拟有诸多的优点。 超声波对纺织品进行纳米抗菌整理的优点： i ) 简化加工工艺，降低能耗。对纳米材料的分散和添加可在同一设备中进行。 2 ) 通过控制超声波发生器的时间、功率以及温度等参数来控制纳米颗粒的大小 从而使纳米抗菌复合材料分散更加均匀，在织物分布更加合理。 3 ) 避免了使用一些化学整理剂降低对人体的危害，符合绿色消费和健康消费 的潮流。减少环境污染，符合绿色环保的要求。 4 ) 纳米抗菌纺织品的抗菌性能更加均匀、稳定、持久。利用超声波技术把纳米 抗菌复合材料嵌入纤维的空腔或凹槽内后，纳米复合材料不容易因洗涤或摩擦而损 失，所用抗菌剂为溶出性抗菌剂，它是一个缓释的过程因此，它的抗菌效果是稳 定持久的。 5 ) 避免了涂层对织物服用性能的影响。涂层法对纺织品进行抗菌整理，尽管经 过二定处理会减少对纺织品的服用性能影响，但它还是会影响纺织品的手感、风格、 耐磨性及撕破强力等性能。 超声波技术加工的缺点是不能加工表面没有缝隙孔洞的纤维织成的织物。不过 随着科学技术的发展，化学纤维形状的千变万化，超声波技术在抗菌纺织品方面的 会突破纤维种类的限制，应用越来越广泛。嘲住1 鉴于以上情况，超声波在纳米抗菌纺织品上的应用也有着一定的理论和实践基 础。综合考虑传统抗菌纺织品加工方法的缺陷和超声波具有这些特殊的作用和优势， 并且目前国内外尚未见到用超声波纺织品上添加纳米抗菌材料的报道。故本课题拟 用超声波在纺织品上添加纳米抗菌复合材料，以期获得性能稳定，效果良好的纳米 抗菌纺织品，为加工纳米抗菌纺织品提供了新思路新方法。 1 3 本课题研究的意义和研究工作 1 3 1 本课题研究的意义 随着生活水平的提高，人们在注重服装的美观性、舒适性的同时，也对其保健、 卫生功能提出了更高的要求，因而具有抗菌功能的纺织品日益受到人们的青睐。然 而，传统的抗菌纺织品加工方法，都或多或少存在一些缺陷，并且在这些方法中往 往需要加入一些化学助剂和整理剂，不但会对人体造成危害，而且还造成环境污染。 6 第一章文献综述 在人们日益崇尚自然，崇尚绿色的今天，超声波技术这种绿色的加工方法，必然有 着良好的发展前景。 利用超声波加工纳米抗菌纺织品，这是对纳米抗菌纺织品加工新技术的探索。 本课题的成功将会是加工纳米抗菌纺织品的一大技术革命，也将是推动纳米材料在 纺织行业的广泛应用，对纳米材料在纺织品上的应用产生深远的影响。同时也为纳 米抗菌纺织品的迅速发展提供一个重要契机。它不仅会带动纳米和纺织行业的发展， 也为保护生态环境带来积极影响。因此，研究该课题有着十分重要的意义。 1 3 2 本课题的主要研究工作 为了达到本课题的研究目的，结合本人能力及实验条件的实际情况，在本课题 的研究时间内，做了如下研究工作。 1 、多频率超声波发生器的研制 由于本课题研究实验中。需要研究不同超声频率与纳米材料颗粒以及纤维缝隙 空洞之间的关系，需要选择适合于加工纳米抗菌纺织品的超声频率。因此，根据现 有实验条件和其他客观因素，我们进行了多频率超声波发生器的自主研制工作，为 我们后面的实验创造了条件。， 2 、超声频率对纳米材料的分散性能的影响 目前在利用纳米微粒对织物和织物基材进行加工整理的过程中都存在一个比较 棘手的问题，即纳米微粒的团聚。如何均匀地把纳米微粒分散到目标物中仍然是目 前纳米微粒应用研究中的一个重要课题，也是纳米微粒的应用能否成倍创造出经济 效益的一个重要因素。因此，纳米材料分散在抗菌纺织品加工整理以前是必须进行 的研究工作。 纳米材料的分散方法有加入絮凝剂，形成双电层，对纳米颗粒进行表面处理以 及物理机械分散法等。在本课题中，我们采用分光光度计等实验仪器对超声波分散 纳米材料的方法进行了研究。陴刎 3 、超声波对微细颗粒嵌入缝隙空洞性能的影响研究 针对纳米材料的性质和超声波的特点，我们选择了苎麻面料，其纤维表面布满 了缝隙孔洞，有利于纳米材料颗粒的嵌入。但是纳米材料和纤维缝隙孔洞之间是一 种什么关系，怎样的推动力才能使合适的纳米颗粒嵌入，而不易掉出来。这也是本 课题研究的主要内容。在这其中我们还利用了颜料颗粒代替纳米材料，微孔滤膜来 模拟织物，来模拟表征超声波在织物上添加纳米材料的过程。 4 、超声波条件下制备纳米抗菌纺织品的研究。 在这项研究工作中，我们主要研究纳米颗粒的大小、吸附量超声频率等参数之 间的关系，优化选择加工工艺。 我们主要通过测试纳米抗菌纺织品抗菌效果，来评价我们纳米抗菌纺织品加工 青岛人学硕i j 学位论文 方法的优劣。 总之，希望通过以上实验和研究，能为超声波技术在纳米材料和纺织领域的应 用打下一定的理论和实践基础，为以后纳米抗菌纺织品的丌发揭开新的篇章。 8 第二章超声波技术概述及多频率超卢波发生器的研制 第二章超声波技术概述及多频率超声波发生器的研制 2 1 超声波技术概述 2 1 1 超声波的定义 一般来说，超声波是指频率高于2 1 0 1 h z 的声波。当声音的频率高到超过人耳 听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超 声。 此种声波即为超声波。 超声波可分为纵向波和横向波。在固体内，两者都可以传送，而在气体和液体 内，只有纵向波可以传送。因此在湿加工中，对超声波的纵向波的研究尤其重要。 2 1 2 超声波的特点 l 、束射特性 由于超声波的波长短超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚 焦，而且遵守几何光学上的定律。 2 、吸收特性 声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加强度会渐进减弱，这是因为 物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于频率一 定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传 播时吸收最小。 3 、超声波的能量传递特性 超声波之所以在各个工业部门中有广泛的应用，主要一点还在于比声波具有强 大得多的功率。因为当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也 跟着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度， 频率愈高速度愈大。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是 由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得 到更高的能量、超声波的频率比一般声波高很多，所以它可以使物质分子获得很大 的能量。 4 、超声波的声压特性 当声波通过某物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物 质所受的压力产生变化。嘶1 住钉 2 1 3 功率超声的机理与应用 超声波的应用技术主要体现在两个方面：检测超声和功率超声。 功率超声在液体媒质传播过程中可产生的空化效应。这一效应的应用，近年来 有了新的发展，展示出广阔的前景。本课题也主要是利用功率超声的这种作用所 以下面主要说明一下功率超声的应用。 9 青岛大学硕：i ：学位论文 l 、功率超声机理汹1 一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等 系列效应，这些效应归纳起来，有三种最基本的作用。 ( 1 ) 机械作用 超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，能产生线性交变的振动作用。 这种机械能量主要体现在媒质的质点间的振动、加速度冲击、声压剪切等效应力作 用。 ( 2 ) 空化作用 当一定强度的超声、收缩、崩溃导致气泡附近的液体产生强烈的激波，形成局 部点的极端高温高压，空化泡崩溃的瞬间其周围极小空间内产生5 0 0 0 k 以上的高温 和大约5 0 m p a 的高压，其温度变化速率达1 0 9 k s ，并伴生出强烈冲击波和时速达 4 0 0 k m 的微射流，这种极端高压、高温、高射流又是以每秒数万次连续作用产生的， 超声空化引起了湍动效应、微扰效应、界面效应聚能效应。其中湍动效应使边界 层减薄，增大传质速率：微扰效应强化了微孔扩散；界面效应增大传质表面积：聚 能效应从整体上强化了化工分离强化过程的传质速率和效果。因此，空化作用是功 率超声最基本的特质。 ( 3 ) 热作用 超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能丽使自身温度升 高。声能被吸收可引起媒质中的整体加热、边界外的局部加热和空化形成激波时波 前处的局部加热。 2 、功率超声在化学方面的应用协1 功率超声在很多领域都有着广泛的应用，但是超声波与化学领域的结合最为密 切，声化学已作为- f l 单独的学科被人们研究和关注。所以，下面主要介绍一下功 率超声在化学方面的应用。 1 ) 超声强化化学反应 超声强化化学反应。主要动力来自超声空化作用。空化泡核的崩溃产生局部高 温、高压和强烈的冲击波及微射流，为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学 反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境。 2 ) 超声催化反应 超声波对催化反应的作用主要是： ( 1 ) 高温高压条件有利于反应物裂