表面沉積納米二氧化鈦紡織材料的制備及其性能研究.pdf

1、納米二氧化鈦(TiO2)粒子由于具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等許多特有的性質(zhì)，而體現(xiàn)出塊體材料所不具備的獨(dú)特的光催化、光電、殺菌、紫外吸收等性能。在環(huán)境工程、生物醫(yī)學(xué)、電子工業(yè)、建筑、包裝等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文運(yùn)用低溫磁控濺射沉積技術(shù)在紡織材料表面沉積功能性納米TiO2薄膜，實(shí)現(xiàn)紡織材料的表面功能化。一方面克服采用納米顆粒材料作為填料的納米微粒團(tuán)聚問題，減少加工工藝流程和污染；另一方面可以降低加工成本并實(shí)施在線加

2、工。論文重點(diǎn)探討了紡織材料表面TiO2功能納米結(jié)構(gòu)的形成原理、制備技術(shù)、性能及其功能可靠性。
　　 論文探討了在滌綸(PET)非織造織物表面沉積納米TiO2功能薄膜的直流磁控濺射方法，并利用原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射分析(XRD)、X射線能譜分析儀(EDX)和X射線光電子能譜(XPS)對TiO2薄膜的表面微觀形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成成分進(jìn)行了表征。主要研究了薄膜生長模式以及主要濺射工藝參數(shù)對薄膜物化結(jié)構(gòu)和薄膜光催化降解亞甲基

3、藍(lán)性能的影響，并對表面沉積納米TiO2薄膜滌綸非織造織物的抗菌、光學(xué)透射、抗靜電、光生親水、光催化降解甲醛性能進(jìn)行了測試。同時(shí)，為評價(jià)所沉積薄膜的可靠性，對表面沉積納米TiO2丙綸(PP)纖維進(jìn)行了軸向拉伸分析，借助掃描電鏡(SEM)觀察纖維表面薄膜開裂、脫落過程，并利用剪滯模型對拉伸應(yīng)力在纖維、膜基結(jié)合界面和薄膜中的分布和傳遞進(jìn)行模擬分析。應(yīng)用Weibull分布理論，對不同濺射工藝參數(shù)條件下所制備的沉積納米TiO2丙綸纖維斷裂強(qiáng)度的離

4、散性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對沉積納米TiO2纖維材料的可靠性進(jìn)行了評價(jià)。對改善膜基界面結(jié)合性能、提高表面沉積納米TiO2纖維材料可靠性的措施進(jìn)行了探討。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流磁控濺射主要工藝參數(shù)對TiO2薄膜的成分、結(jié)構(gòu)、表面形貌和濺射效率等有較大影響，而TiO2薄膜結(jié)構(gòu)、形貌等微觀形態(tài)的差異又將會(huì)影響到TiO2薄膜的光催化性能。濺射功率增加，薄膜晶態(tài)結(jié)構(gòu)由無定形結(jié)構(gòu)向銳鈦礦型TiO2結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，TiO2薄膜均勻性、致密性增

5、加，對亞甲基藍(lán)溶液的降解率增加；較小的工作氣壓，易在PET非織造材料的纖維表面沉積較為勻整致密的TiO2薄膜，但隨濺射工作氣壓變化，在一定的濺射時(shí)間內(nèi)所制備TiO2薄膜對亞甲基藍(lán)溶液的降解率影響不大；氧氣流量增加，易于形成符合化學(xué)計(jì)量比的二氧化鈦薄膜，薄膜結(jié)構(gòu)中氧空位減少，光催化能力提高。但氧氣流量過高，沉積速率明顯下降，在一定的濺射時(shí)間條件下，影響了其光催化性能。TiO2粒子在PET和PP基材表面集聚成核生長過程使薄膜生長整體顯示出島

6、生長特征。隨膜厚的增加，沉積納米TiO2織物對亞甲基藍(lán)溶液的光催化降解率增大。而當(dāng)薄膜厚度增大到一定程度后再增大厚度，薄膜光催化降解率不會(huì)出現(xiàn)明顯的增加趨勢。同時(shí)，本文采用直流磁控濺射方法制備的表面沉積納米TiO2滌綸非織造織物在抗菌、抗紫外輻射、抗靜電、光生親水、吸附降解甲醛方面都體現(xiàn)出了良好的功能性。
　　 通過表面沉積納米TiO2丙綸纖維軸向拉伸分析可知，納米TiO2薄膜質(zhì)量和薄膜與纖維界面結(jié)合性能是影響表面沉積納米TiO

7、2纖維材料功能可靠性的主要因素，尤以界面結(jié)合性能最為關(guān)鍵。因此，合理調(diào)控磁控濺射工藝參數(shù)，優(yōu)化TiO2薄膜結(jié)構(gòu)，提高薄膜質(zhì)量，減小薄膜內(nèi)應(yīng)力對薄膜機(jī)械性能以及膜基結(jié)合性能的影響，是提高表面沉積納米TiO2功能紡織材料可靠性的首要途徑。同時(shí)，采用低溫離子處理技術(shù)對纖維材料表面進(jìn)行預(yù)處理，改善納米TiO2的生長環(huán)境；以及通過調(diào)控濺射工藝，在纖維和TiO2薄膜之間合理設(shè)置由Ti金屬漸變至TiO2薄膜的Ti氧化物界面過渡層，改善薄膜內(nèi)應(yīng)力以及纖