β-环糊精包覆改性纳米电气石复合材料的制备及其应用

项伟，杨宏林，冯云，戴鸽

（1.浙江工业职业技术学院鉴湖学院，浙江绍兴312000；2.宁波出入境检验检疫局，浙江宁波305012；3.宁波申洲针织有限公司，浙江宁波315000）

近年来，随着物质生活水平的不断提高，人们更加重视对美好生活的向往与追求，空气质量就直接关系到广大群众的幸福感。研究发现，空气中负氧离子含量是衡量空气质量好坏的关键，负氧离子能与细菌、灰尘、烟雾等带正电的微粒相结合，并聚集成球落到地面，从而起到杀菌和消除异味的作用[1]。

电气石是常用的负氧离子材料之一，其静电压随着粒径的变小而增大，电气石粒径越小，比表面积就越大，表面能增大，负离子的发生能力增强，但由于本身的强极性和纳米效应，它们很容易发生团聚；另一方面，电气石本身为褐色粉体，作为负氧离子整理剂的主体成分，对织物色泽有一定影响。此外，负氧离子释放量不易控制且对纤维强力损伤较为明显也是在应用中亟待解决的问题[2-3]。

β-环糊精具有较强的吸附能力，对空气中的污染物有一定的净化作用[4]，因此，本研究在硅烷偶联剂改性纳米电气石负氧离子粉的基础上[3]，以低温易结晶析出的β-环糊精为包覆剂，采用共沉淀法[5]制备β-环糊精包覆改性纳米电气石复合材料，并将其应用在棉织物上。

1 实验

1.1 材料与设备

织物：纯棉漂白平纹梭织物29.2 tex×29.2 tex，236根/10 cm×236根/10 cm。试剂：改性纳米电气石负氧离子粉体（自制，原电气石平均粒径为1 481.5 nm），β-环糊精（β-CD，上海沪试实验室器材股份有限公司），无水乙醇（分析纯）、吐温80（化学纯）、十二烷基硫酸钠（SDS，化学纯）、冰醋酸（分析纯）（国药集团化学试剂有限公司），蒸馏水（自制）。

设备：P-AO型小轧车（广东亚力诺），MINI-TENTER型热定形机（上海皇巨实业有限公司），SW-12型水洗色牢度仪、Y571L型摩擦色牢度仪（莱州市电子仪器有限公司），YG026-500型电子织物强力仪（南通三思机电科技有限公司），FA2104N型电子天平（上海精密科学仪器有限公司），GZX-9070型数显鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司），数显恒温水浴锅（厦门瑞比有限公司），WSB-2型白度仪（上海昕瑞仪器仪表有限公司），IAC-1000型负氧离子测试仪（美国），负氧离子测试仓（自制），FD-1A型冷冻干燥机（上海争巧科学仪器有限公司），ZS90型纳米粒度及电位分析仪（英国马尔文仪器有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 负氧离子复合材料的制备

称取1 g改性纳米电气石负氧离子粉体分散在50 mL无水乙醇中，分别加入1 g/L吐温80和SDS，40℃恒温条件下搅拌30 min，得到分散液A。按比例称取一定量β-CD，在搅拌条件下溶于200 mL 50℃蒸馏水中，得到溶液B。在30 min内将溶液B缓慢加入到搅拌状态下的分散液A中，并用冰醋酸调节pH，在一定温度下搅拌反应2 h，然后室温（0～4℃）静置20 h，过滤、洗涤，低温真空干燥，研磨即可。

1.2.2 纯棉织物负氧离子整理

工艺配方：负氧离子整理剂80 g/L，黏合剂1 g/L，渗透剂JFC 1 g/L，pH 4。

工艺流程：二浸二轧（轧余率为75%）→烘干（80℃，3 min）→焙烘（130℃，2 min）→热水洗→冷水洗→烘干。

1.3 测试

粒径及Zeta电位：25℃下采用纳米粒度及电位分析仪测试。

包覆率[6]：将过滤后的残液经150℃干燥，再在马弗炉中500℃高温煅烧1 h，冷却后称量未包覆的电气石剩余量，按下式计算包覆率：

式中，m0为电气石加入质量，m1为电气石剩余质量。

负氧离子释放量[3]：采用负氧离子测试仪和摩擦色牢度仪，利用自制的测试仓，构建一个相对封闭的负氧离子测试平台，在温度为（20±2）℃、相对湿度为（65±3）%的恒温恒湿室里进行测试。具体测试方法参照《FCL中国流行面料技术要求TM9纺织品负氧离子性能测试方法》。在1 min内取10次读数的平均值作为织物产生的平均负氧离子释放量，单位为个/cm3，按下式计算：

式中，I为平均负氧离子释放量，Ii为各次测试的读数。

强力损伤率：断裂强力参照GB/T 3923.1—1997《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》测定，按下式计算强力损伤率：

式中，N0为整理前织物的断裂强力，N1为整理后织物的断裂强力。

白度：将试样叠成4层，在白度仪上按标准方法进行测试，每一试样在不同部位保持经纬方向一致的情况下测定3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 改性纳米电气石负氧离子粉体粒径分布

在环境污染、空气质量差的场合，粉尘飞扬，烟雾弥漫，有害气体和悬浮颗粒物超标，空气中产生大量正离子，负氧离子很快被吸收消耗，其寿命仅几秒钟，而负氧离子的发生能力与电气石的粒径紧密相关[7-8]。为了获得粒径小且相对稳定的分散体系，采用硅烷偶联剂和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对电气石表面进行改性，并测试粒径分布，结果见图1。

图1 改性纳米电气石负氧离子粉体粒径分布

由图1可以看出，利用硅烷偶联剂和SDBS进行改性后，改性纳米电气石负氧离子粉体的平均粒径为254.6 nm，且分布均匀集中，为复合材料的制备提供了稳定的基材。

2.2 β-环糊精包覆改性纳米电气石复合材料制备正交实验

以改性纳米电气石负氧离子粉体为基材，β-环糊精为包覆剂，复合材料的平均粒径和包覆率作为指标，考察包覆剂与基材质量比、反应温度、搅拌速率、溶液pH等工艺参数的影响，正交实验设计方案及结果如表1所示。

表1 正交实验设计与结果

从表1中可以看出，包覆剂与基材质量比是影响负氧离子复合材料包覆率的最主要因素。从复合材料包覆率角度考虑，最佳的制备工艺为A3B2C3D2，即包覆剂与基材质量比3∶1，反应温度50℃，搅拌速率1 000 r/min，溶液pH 5。反应温度是影响复合材料平均粒径的最主要因素。从复合材料平均粒径角度考虑，最佳的制备工艺为A2B2C3D2，即包覆剂与基材质量比为2∶1，反应温度50℃，搅拌速率1 000 r/min，溶液pH 5。

综合考虑，制备β-环糊精包覆改性纳米电气石复合材料较理想的工艺参数为：包覆剂与基材质量比2∶1，反应温度50℃，搅拌速率1 000 r/min，溶液pH 5。在此条件下，复合材料包覆率为81.2%，平均粒径为101.6μm。

2.3 纯棉织物负氧离子整理效果

由表2可以看出，纯棉织物经负氧离子整理后，负氧离子释放量明显增加，白度和断裂强力都有不同程度的降低，这主要是由于电气石本身为褐色粉体，作为负氧离子整理剂的主体成分，对织物白度有一定的影响。相比较而言，β-环糊精包覆改性纳米电气石复合材料作为负氧离子整理剂时，由于包覆剂的存在，对织物负氧离子释放量、白度和断裂强力的影响小一些。

表2 不同整理剂对整理效果的影响

2.4 生产实践

2.4.1 生产准备

织物：全棉退浆布50 m（平纹，20s×20s60×60）。

助剂：双氧水、烧碱、螯合稳定剂PL、醋酸、负氧离子整理剂（β-环糊精包覆改性纳米电气石复合材料）、黏合剂（阴非离子）。

加工方式：因小试样品较少，满足不了定型加工所需的最少用量，故采用浸渍整理方式，即将织物经过前处理后再浸渍循环一段时间，以达到整理目的。

主要工序步骤：练漂一浴→水洗（中和）→负氧离子整理→烘干→焙烘→水洗→拉幅定型。

2.4.2 主要生产过程

①浸渍整理。选择溢流染色机进行浸渍漂白及整理，具体配方及工艺如图2所示。

图2 浸渍整理配方工艺

②烘干及焙烘。80～90℃烘干，140℃焙烘，具体见图3。

图3 烘干焙烘工艺

③水洗。40～95℃，8槽水洗，具体工艺见图4（右进左出）。

图4 水洗工艺

④拉幅定型。温度120℃，车速80 m/min，超喂3%，自动整纬。

2.4.3 整理效果

由图5可知，整理后的棉织物纤维表面覆盖了一层薄薄的固体颗粒，且能够较为均匀地分布，表明具有良好的整理效果。送第三方检测，测得织物负氧离子释放量为1.98×103个/cm3，按GB/T 8629—2001《纺织品 实验用家庭洗涤及干燥程序》5A程序（5次洗涤）测得织物负氧离子释放量为1.73×103个/cm3，保持率为87.37%，具有较好的耐水洗性能，这可能得益于β-环糊精对纳米电气石的包覆，以及黏合剂对负氧离子整理剂和织物的交联成膜。

图5 整理前后棉织物纤维扫描电镜图

3 结论

（1）改性后纳米电气石的平均粒径为254.6 nm，分布均匀集中，为复合材料的制备提供了稳定的基材。

（2）制备β-环糊精/电气石复合材料较理想的工艺参数为：包覆剂与基材质量比2∶1，反应温度50℃，搅拌速率1 000 r/min，溶液pH 5。在此条件下，β-环糊精/电气石复合材料包覆率为81.2%，平均粒径为101.6μm。

（3）采用浸渍法对纯棉织物进行整理，相比改性纳米电气石而言，β-环糊精/电气石复合材料整理后的棉织物负氧离子释放量为1.98×103个/cm3，对白度和断裂强力影响更小。

（4）采用浸渍法，就β-环糊精/电气石复合材料对纯棉织物进行生产小试，测得织物负氧离子释放量为1.98×103个/cm3，5次水洗后为1.73×103个/cm3，保持率为87.37%，具有较好的耐水洗性能。