超疏水抗紫外日间被动辐射制冷多孔涂层织物的制备及性能.pdf

研究与技术丝绸 超疏水抗紫外日间被动辐射制冷多孔涂层织物的制备及性能 侯 艺 张佳文 蔡 英 易玲敏(浙江理工大学.纺织科学与工程学院.生态染整技术教育部工程研究中心.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室杭州)摘要:具有个人热管理功能的纺织品可减缓夏日高温对人体的伤害 本文以尼龙织物为基材聚(偏氟乙烯 六氟丙烯)及含氟改性的无机、纳米粒子的混合分散液为整理剂得到了具有超疏水和抗紫外功能的日间被动辐射制冷()多孔涂层织物 研究表明:整理后的尼龙织物表面及纤维间被相互黏连的多孔聚合物膜及氟改性、纳米粒子覆盖粒子相对质量和涂覆量的增加可增强织物的光谱性能改性织物的太阳光反射率和中红外发射率最高可达.和.太阳光下多孔涂层织物的温度可比环境温度低 且具有优异的超疏水性、耐候性和机械性能改性氧化锌()的引入为整理后的尼龙织物提供了优异的抗紫外性能使其达到抗紫外织物的国家标准关键词:被动日间辐射冷却多孔涂层抗紫外超疏水户外纺织品改性粒子中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用页码:./.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:侯艺()女硕士研究生研究方向为纺织化学与染整工程 通信作者:易玲敏教授.夏日高温严重影响了户外人员的身体健康因此开发以纺织品为基础的个人热管理功能材料是十分重要的 现有研究表明日间被动辐射制冷()技术是一种既无能耗又具有实际应用前景的冷却技术之一有望在缓解地球热效应的同时为人类带来舒适便捷的生活环境 其无须任何额外能量的输入便可有效地反射太阳热辐射(波长为.)并通过中红外“大气窗口”(波长为 )将热量输送到外太空实现制冷效应 理想的 材料在太阳光谱中的反射率为 以减少热吸收在中红外“大气窗口”的发射率为 以产生强烈的热输出近年来人们设计了多种结构来制备 材料其中多孔结构因其对太阳光的散射效应有利于提高材料的太阳光反射率从而构建高性能的 材料 尼龙织物()由于强度高、耐磨性好及表面光滑等优点一直被认为是户外用纺织品的优良材料 但纺织面料暴露在户外光照的过程中大量紫外光长时间的照射使面料发生老化从而破坏织物组织结构 因此研究并开发具备良好制冷性能的抗紫外户外个人热管理纺织品具有重要意义 含氟聚合物、粒子因其独特的、结构而具有较高的中红外发射率而 纳米粒子具有优良的抗紫外性能 因此本文以含氟聚合物、含氟硅烷偶联剂改性的无机、纳米粒子为主要原料采用浸渍的方式在尼龙织物表面构筑了可实现 功能的多孔涂层制备具有超疏水和抗紫外性能的 织物并探究了不同工艺条件下织物光谱性能的变化考察了多孔涂层织物的户外制冷性及耐候性 实 验.材 料/尼龙织物(市售)聚(偏氟乙烯 六氟丙烯)()东莞展阳高分子材料有限公司)二氧化硅(东莞鑫惟进实业有限公司)氧化锌()、分析纯乙醇(上海麦克林生化科技有限公司)全氟辛基三乙氧基硅烷(上海上氟科技有限公司)分析纯丙酮(杭州双林化学试剂有限公司).纳米粒子的疏水改性.纳米 的疏水改性将.粒径大小为 的 添加至 质量分数为 的乙醇溶液中超声 至粒子均匀分散 缓慢滴入.的 下搅拌 得到 改性的()纳米粒子分散液第 卷 第 期超疏水抗紫外日间被动辐射制冷多孔涂层织物的制备及性能.纳米 的疏水改性称取 粒径大小为 的 粒子添加至 质量分数为 的乙醇溶液中超声 至粒子均匀分散 缓慢滴入.的 下搅拌 得到 改性的()纳米粒子分散液.制冷织物的制备称取.的()聚合物粉末和 丙酮溶液磁力搅拌形成有机聚合物溶液 将.的 分散液和相应质量的 分散液缓慢添加至有机聚合物溶液中 下搅拌 至溶质分散均匀形成/()整理液其中 分散液的质量分别占有机聚合物溶液的、和 采用浸涂法经 干燥 后得到整理液改性尼龙织物记为 此外将添加未改性粒子和未添加 分散液的织物作为对比样分别记为 和 .测试与表征.表面形貌及元素组成测试采用 台式扫描电镜(荷兰飞纳有限公司)观察织物的表面形貌 采用 型傅里叶变换红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)分析织物表面的化学官能团 用 型 射线光电子能谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)分析织物的表面元素及含量.光谱性能测试利用带有 积分球的 紫外可见近红外分光光度计(日本日立公司)测试织物太阳光谱波段(.)的反射率运用带有镀金积分球的 傅里叶红外光谱仪(德国布鲁克有限公司)测定织物的红外发射率波长范围为.主要观察的区间为“大气窗口”波段().抗紫外性能测试采用纺织品 抗紫外因子测试仪(美国蓝菲光学有限公司)测定织物的紫外线防护系数()及 透过率波长范围为 .制冷性能测试使用 热电偶温度计(杭州联测自动化技术有限公司)测量织物的日间被动辐射制冷效果红外热图像由 红外摄像机(美国福禄克电子仪器仪表公司)在阳光直射下拍摄获得.机械性能测试采用 型万用实验材料机(东莞市中皓试验设备有限公司)对尺寸为 的矩形织物试样进行测试拉伸速率为 /每个样品重复测量 次取平均值.超疏水性能测试采用 视频接触角张力仪(德国克吕氏有限公司)精确测量样品的水接触角取样品 个不同位置的数据平均值为最终数值.耐候性测试采用 紫外光加速老化试验机(美国 公司)将织物暴露在紫外光照和潮湿的交替循环中 考察其性能变化测试温度为 采用 测色配色仪(美国德塔有限公司)对整理前后的织物表面进行测色分析考察其黄变性能取每个样品 个不同位置的数据平均值为最终结果 根据 测试方法 洗涤织物 洗衣机(上海新威实验室设备有限公司)洗涤温度 一个洗涤周期()相当于 次商业洗涤 结果与分析.织物的表面形貌分析将()、的混合悬浮液涂覆于尼龙织物表面形成涂层不同涂覆量下涂层织物的表面形貌如图 所示 通过对比 织物(图()及 织物的表面形貌整理后的尼龙织物表面被一层多孔涂层所覆盖 当涂覆量./时织物表面的涂层相对厚重(图()当涂覆量达到./织物表面基本被多孔涂层完全覆盖(图()且纤维间被相互连接的多孔聚合物膜及无机粒子所包覆这种粗糙多孔结构有利于增强对太阳光的散射作用从而减少热吸收图 不同涂覆量下涂层织物的表面形貌.织物的表面组成本文采用 及 分析了 及整理后织物的表面官能团及元素组成结果如图 所示 由图()可见 织物的红外谱图在 (.)处出现了明显的伸缩振动吸收峰并且在 和 处出现了()中 的弯曲振动吸收峰 此外 (.)处出现了微弱的 非对称伸缩振动特征峰 这些化学键的振动吸收峰位置均对应于“大气窗口”区域()即所用的材料适用于日间被动辐射冷却图 整理前后织物的表面元素组成.利用 进一步对整理后织物的表面元素组成进行分析(图()发现与 织物的光谱曲线相比 织物显示了额外的、和 信号其原子质量分数分别为.和.(表)此外 织物的 、谱图(图()显示整理后织物表面的、元素主要来自、以上结果可以证明整理后的尼龙织物表面覆盖着一层含有、纳米粒子的含氟聚合物涂层表 高分辨率 分析织物表面的原子组成.样品原子质量分数/.不同工艺条件下织物的光谱性能本文考察了不同 粒子的质量及涂层涂覆量下织物的太阳光反射率和中红外发射率变化曲线如图 所示由图()可见涂覆量均为(.)/的 织物的光谱性能随粒子相对质量的增加呈上升趋势 当 粒子相对质量 后 织物的太阳光反射率上升趋势减缓当相对质量达到 时 织物仍保持相对较优的太阳光反射性能 因此本文将()与 质量比为 作为最值并进行后续实验考察在 相对质量一定的条件下本文探讨了不同涂覆量对织物太阳光反射及中红外发射性能的影响(图()由图()可知 织物的太阳光反射性能随涂覆量的增加呈明显的上升趋势且当涂覆量为./时呈现跳跃式上升织物的中红外发射性能也表现良好 不同工艺条件下 粒子和 粒子的混合涂层通常对其吸收系数产生较大的影响但对其在大气窗口中的中红外发射率影响不大这也与不同 粒子相对质量及涂层涂覆量下织物的发射性能变化不明显的现象相一致第 卷 第 期超疏水抗紫外日间被动辐射制冷多孔涂层织物的制备及性能图 不同工艺条件下织物的光谱曲线.织物的 性能本文通过户外实际的温度监测对织物的 性能进行了探讨测试结果如图()所示测试时间段的风速、太阳辐照度如图()所示 对比分析 、和未经整理 织物的户外制冷效果可知 织物的温度可低于环境温度 分别比 织物和 织物低 和 织物相对显著的制冷性能证明了涂层中改性粒子与孔隙结构的结合发挥了良好的光散射作用且相较于 织物其良好的制冷效果也为纳米粒子的含氟基团改性所产生的正面影响提供了有力的证明为了考察 织物作为户外用品的实际应用效果本文将整理前后的尼龙织物制作为户外帐篷模型并对模型的户外制冷效果进行了测试其实际拍摄的光学照片及测试方式如图()所示 图()为将样品放置于阳光下 且待模型温度稳定后的红外热成像图显示整理前后织物模型在阳光直射下的温差约为 将热电偶分别固定于制作的帐篷模型内模拟人体感受在不考虑室外环境带来的热传 图 织物的日间被动辐射制冷性能监测.导及热对流的影响下测试了织物实际的户外应用制冷效果如图()所示 结果显示整理后织物的帐篷模型相较于原织物模型制冷效果显著两者温差为 且相较于环境温度具有 的制冷效果 综上所述 织物作为户外纺织品具有良好的制冷实用性图 整理前后织物用作户外制冷织物产品的制冷效果.织物的自清洁性能不同涂覆量下织物的疏水性能如图()所示 由图()可知相比于 织物的水接触角 织物的水接触角随涂覆量的增加逐渐增大疏水效果显著 当涂覆量./时可达到超疏水效果且涂覆量为./时水接触角最大为.图()为 织物经、次和 次水洗后水接触角的变化由图()可知水洗 次后的织物水接触角由.降至.略有下降说明涂层织物的自清洁性能受水洗的影响较小 此外采用刚果红水溶液作为污染液对比了 与 织物的自清洁性能结果如图()所示 织物表面残留了明显的污染液而 织物在实际测试下表面依然洁净 综上 织物具有优异的超疏水及自清洁性能.织物的耐候性能在户外使用过程中织物难免会受到恶劣的气候环境破坏而失去应用性能 因此作为户外用品除要具备良好的户外应用效果外良好的耐候性也不可或缺 其中(图 整理前后织物的水接触角及自清洁效果.)是紫外线真正到达地面且对人体皮肤造成损伤最多的波段/纺织品 防紫外线性能的评定标准规定当织物的 穿透度低于 而 值超过 时即可将织物面料归类于抗紫外线产品 因此为了赋予织物良好的抗紫外功能本文在涂层中添加了改性氧化锌纳米粒子并对整理前后面料的抗紫外因子测试结果进行了分析结果如图 所示由图()可见 织物的 透过率随涂覆量的增加明显降低其 透过率平均值均在 以第 卷 第 期超疏水抗紫外日间被动辐射制冷多孔涂层织物的制备及性能下最低可达.相比于 织物的 透过率平均 值(.)织 物 均 达 到 抗 紫 外 值的要求 同时由图()可见整理后织物的 最低值为.远高于抗紫外 的标准值而 的 值仅为.低于标准值 综上所述本文所制备的 织物达到了抗紫外织物产品的要求具备良好的抗紫外性能为其户外应用打下了良好的基础图 不同涂覆量下织物的抗紫外性能.在 紫外照射下老化 后/值的变化如图()所示 光照后 织物的/值与原 织物对比其/值几乎未变证明了 多孔涂层织物具有良好的抗紫外性能 图()为织物的制冷性能稳定性测试 与原 织物对比经水洗及紫外光照后织物的降温效果略有下降 但洗涤 次后织物依然可比环境温度低 光照 后仍可比环境温度低 由此说明经涂层整理后的尼龙织物其制冷性能稳定性良好具有优异的耐候性有望实现在户外的长时间应用图 织物的户外应用稳定性测试.织物的力学性能对户外的纺织品而言机械性能的优劣严重影响其使用寿命 整理前后尼龙织物的应力 应变曲线如图 所示其拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率如表 所示 由实验结果可知 织物的拉伸强度和断裂伸长率有了明显的提高分析认为这是因为聚合物与纳米粒子的复合多孔涂层在尼龙纤维中产生了紧密黏接和包覆所致而 织物弹性模量的减小是由于织物表面涂层优先发生形变造成的 总之多孔涂层整理对尼龙织物的力学性能有显著提升可为其户外应用提供一定的机械性能保障图 整理前后织物的应力应变曲线.表 整理前后织物的力学性能.样品力学性能弹性模量/断裂强度/断裂伸长率/织物.织物.结 论本文以尼龙织物为基材()及含氟改性的、纳米粒子分散液为整理剂制备具有超疏水和抗紫外功能的 多孔涂层织物 主要结论如下:)整理后的尼龙织物表面被一层多孔涂层所覆盖且纤维间被相互连接的多孔聚合物膜及 改性无机、纳米粒子所覆盖这些多孔结构可增强对太阳光的散射以减少热吸收)多孔涂层织物的太阳光反射率和中红外发射率最高可达.和.但粒子质量分数和涂覆量影响其光谱性能 的加入为织物提供了优异的抗紫外性能使其达到抗紫外织物产品的国家标准)太阳光下 多孔涂层织物的温度可比环境温度低 比 和 织物分别降低 和 且具有优异的自清洁、耐候性及机械性能丝绸官网下载中国知网下载参考文献:.():.():.():.:.():.:.():.():.:.():.:.()():.:.():.():.():.():.():.叶挺 王潮霞 殷允杰.辐照对尼龙 织物结构与性能的影响.辐射研究与辐射工艺学报 ():.():.():.()/.():.():.():.韦永慧.防紫外线雨伞面料的开发与研究.轻纺工业与技术 ():.():.第 卷 第 期超疏水抗紫外日间被动辐射制冷多孔涂层织物的制备及性能 .