防蚊疏水棉織物的制備與性能研究

陳亞茹 張春明

（1.青島大學(xué)，山東青島，266071；2.東華大學(xué)，上海，200051）

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對衣物舒適性、防蟲性、防雨性、防污性等方面的要求越來越高。棉織物作為最基礎(chǔ)的服裝材料之一應(yīng)用廣泛，具有良好的舒適性［1］，然而其本身對蚊蟲的驅(qū)避和拒水能力有限，這限制了其在戶外活動等場景的應(yīng)用。因此，如何在保持棉織物舒適性的同時，增強其防蚊、拒水功能成為相關(guān)領(lǐng)域研究者重點關(guān)注的課題。

疏水性是紡織品極為重要的功能特征之一，目前主要通過涂層覆蓋和表面改性技術(shù)使得紡織品具有疏水性。在國內(nèi)外的研究中，研究人員借助無機納米二氧化硅粒子與強耐水性高分子材料的結(jié)合，成功制備出高性能的有機/無機復(fù)合疏水透氣紡織品涂層［2］。此外，基于環(huán)保意識，學(xué)者們也將目光轉(zhuǎn)向無氟疏水整理劑［3］，并取得了一定的研究進展?？椢锏姆牢眯阅軇t通常采用添加防蚊劑或者表面涂覆等方法實現(xiàn)，其中殼聚糖納米微膠囊由于安全性高、對人體無害、防蚊效果好而被視為一種有效的防蚊劑［4］。有研究人員將聚納米膠囊（ε-己內(nèi)酯）加載檳榔精油，應(yīng)用于棉和滌綸織物的防蚊噴霧配方中，獲得驅(qū)避率達(dá)47%的防蚊效果［5］。然而，傳統(tǒng)紡織品中同時具備疏水和驅(qū)蚊功能的研究較少，且現(xiàn)有研究的功能紡織品存在驅(qū)蚊時間短、易洗掉、易磨損等問題，制約了其推廣和應(yīng)用。因此，本研究對棉織物進行防蚊整理和疏水整理，對其進行多項性能測試和分析，以期開發(fā)出具備長效性、高強度和高耐久性的紡織品，滿足人們在防蚊、防水方面的需求，提高棉織物在戶外等場景下的實用性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與試劑

純棉平紋織物（120 g/m2），江蘇紅豆實業(yè)股份有限公司；CWR-8DC 無氟拒水劑，北京中紡化工股份有限公司，無氟拒水劑高分子鏈段的主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為水基丙烯酸共聚物乳液，拒水性由長碳鏈丙烯酸酯提供，長鏈烷基在乳液成膜過程中在纖維表面形成定向排列的納米凸起，從而形成了具有“荷葉效應(yīng)”的防水層；JYK PL-100防蚊劑、JYK FIX-ET 牢度促進劑，上海潔宜康化工科技有限公司，防蚊劑分子結(jié)構(gòu)式如圖2 所示，氯菊酯是一種具有酯和磷酸二重結(jié)構(gòu)的化合物，在適當(dāng)條件下可水解或解磷，對昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生極強毒性作用。采用Direct-Q3/5/8R 型超純水機制備去離子水，用于制備溶液、清洗樣品、測量水接觸角。所有的化學(xué)試劑無需進一步提純。

圖1 無氟拒水劑分子化學(xué)式

圖2 防蚊劑（氯菊酯）分子結(jié)構(gòu)式

1.2 試驗儀器及設(shè)備

YP502 型電子天平（上海津平科學(xué)儀器有限公司）、GFL-70 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（天津萊玻特瑞儀器設(shè)備有限公司）、P-B1 型軋車（瑞士）、LTE-S120920 型涂層焙烘機（瑞士）、HJ-6B 型雙數(shù)顯恒溫磁力攪拌器（常州蘇瑞儀器有限公司）、OCA-25 型視頻光學(xué)接觸角測量儀（德國Data-Physics 有限公司）、Phenom G2 Pro 型掃描電子顯微鏡（復(fù)納科學(xué)儀器上海有限公司）、Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司）、YG461F-Ⅲ型全自動透氣量儀（寧波紡織儀器廠）、TENSOLAB2516 型織物強力測試儀（意大利）。

1.3 疏水防蚊織物的制備

疏水整理會使棉織物表面形成一層疏水層，此時再對織物進行防蚊處理，防蚊劑無法有效附著到織物上。故而采用了防蚊疏水共混整理和防蚊疏水先后整理方法。

清洗并烘干原棉織物，將160 g/L 的拒水劑、3%（omf）的防蚊劑JYK PL-100 以及3%（omf）的牢度促進劑JYK FIX-ET 充分混合后，對織物進行整理，二浸二軋（軋余率70%～80%），在80 ℃的烘箱內(nèi)預(yù)烘5 min，140 ℃的焙烘機內(nèi)高溫焙烘2 min，得到防蚊疏水共混整理織物。

清洗并烘干原棉織物，先使用3%（omf）的防蚊劑JYK PL-100、3%（omf）的牢度促進劑JYK FIX-ET 對織物進行整理，二浸二軋（軋余率70%～80%），在80 ℃的烘箱內(nèi)進行預(yù)烘5 min，140 ℃的焙烘機內(nèi)高溫焙烘2 min，得到防蚊織物。對防蚊織物使用160 g/L 的拒水劑進行整理，同樣進行二浸二軋（軋余率70%～80%），在80 ℃的烘箱內(nèi)預(yù)烘3 min，140 ℃的焙烘機內(nèi)高溫焙烘2 min，最終得到防蚊疏水先后整理織物。

1.4 測試與表征

為保證靜態(tài)水接觸角測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在室溫下選取織物的5 個不同位置進行測試，測試所用液滴體積為5 μL。根據(jù)GB/T 30126—2013《紡織品 防蚊性能的檢測和評價》自制驅(qū)避裝置，對整理前后的織物進行驅(qū)避測試。使用YG461E-Ⅲ型全自動透氣量儀對整理前后的織物進行透氣性測試，噴嘴直徑3.0 mm，測試面積20 cm2，測試壓力100 Pa，每個樣品測量5 次，取平均值得到織物的透氣率。使用汽水、墨水、牛奶、茶水、咖啡粉等作為污染物進行防污測試。參照AATCC 61—2013《耐洗滌色牢度：加速法》中方法1A 對樣品進行耐洗滌性能評價，每次水洗程序結(jié)束后，用去離子水沖洗干凈并在烘箱內(nèi)烘干，測量織物的水接觸角并記錄。在10 kV 加速電壓下觀察噴金濺射60 s 的織物表面形貌。記錄掃描范圍4 500 cm-1～400 cm-1下樣品的紅外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)水接觸角分析

水滴落在整理后織物表面穩(wěn)定后的形態(tài)如圖3 所示。僅經(jīng)過拒水劑整理的棉織物水接觸角為148°；經(jīng)過防蚊疏水共混整理后的織物水接觸角有明顯下降，為143°。這是由于在共混配液過程中發(fā)現(xiàn)：拒水劑和防蚊劑兩種整理助劑互不相溶，因此導(dǎo)致兩種整理助劑都不能均勻地涂覆在織物表面，織物的防水性能下降；防蚊疏水先后整理的織物接觸角為148°，與僅疏水整理的織物相比，疏水性能基本沒有發(fā)生變化，效果顯著。

圖3 整理前后織物的水接觸角

圖4展示防蚊疏水先后整理方式下，不同拒水劑質(zhì)量濃度對織物水接觸角的影響。結(jié)果表明：隨著拒水劑質(zhì)量濃度的升高，織物水接觸角呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢?？梢钥闯鲭S著拒水劑質(zhì)量濃度的增加，織物表面形成了連續(xù)的疏水性薄膜，在160 g/L 時防水效果已較顯著，質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，防水效果變化并不明顯。

圖4 拒水劑質(zhì)量濃度對防蚊疏水先后整理織物水接觸角的影響

2.2 驅(qū)避測試分析

驅(qū)避率越高反映出防蚊效果越好。測試結(jié)果表明：未整理棉織物及疏水整理棉織物對白紋伊蚊的驅(qū)避率為0，沒有驅(qū)蚊效果；僅防蚊整理和防蚊疏水先后整理織物的驅(qū)避率分別為72.73%和75.00%，驅(qū)蚊效果顯著，根據(jù)紡織品防蚊性能的檢測和評價標(biāo)準(zhǔn)可知防蚊評級為A 級。而防蚊疏水共混整理的織物對白紋伊蚊的驅(qū)避率低于70%，防蚊評級為B 級。這是由于共混整理時無氟疏水劑和防蚊整理劑不相溶，導(dǎo)致兩種整理液都不能均勻整理在織物上，使得織物防蚊效果下降。

2.3 防污性能分析

未整理棉織物和防蚊疏水先后整理棉織物上的防污性能如圖5、圖6 所示。圖5 結(jié)果表明：這些污染液會浸入未整理棉織物致其臟污，而對于防蚊疏水先后整理棉織物，各種液滴保持圓球狀，整理棉織物表現(xiàn)出良好的液態(tài)防污性能。

圖5 液體污染物在織物上的狀態(tài)

圖6 固體污染物在織物上的狀態(tài)

如圖6 所示，使用連續(xù)的水流沖洗未整理棉織物、防蚊疏水先后整理棉織物上的咖啡粉時，發(fā)現(xiàn)未整理棉織物被污染，整理后織物上的咖啡粉被水流沖洗干凈，織物也保持完全干燥。結(jié)果表明：經(jīng)整理后的織物具有良好的固態(tài)防污性能。

2.4 機械性能分析

如圖7 所示，未整理棉織物的斷裂伸長率為11.1%，斷裂強力為277 N。防蚊疏水共混整理的棉織物與未整理的棉織物相比，斷裂強力沒有明顯變化。而經(jīng)過防蚊疏水先后整理織物的斷裂伸長率為17.4%，斷裂強力為456 N，斷裂強力提高64.6%，這種整理方式明顯改善了織物的機械性能。推測經(jīng)過兩次整理，整理劑薄膜覆蓋在纖維表面，纖維之間的孔隙減少，纖維之間更加緊密，進而導(dǎo)致織物強度增加。

圖7 整理前后織物的斷裂強力變化

2.5 透氣性分析

表1 是不同整理方式下的織物透氣率。未整理棉織物的透氣率為172.47 mm/s，防蚊疏水先后整理織物的透氣率為95.63 mm/s，整理后織物的透氣性有所下降。這是由于防蚊、疏水雙重整理使得織物纖維表面覆蓋兩層整理劑薄膜，導(dǎo)致纖維間隙減小，空氣通過量變少，透氣率下降明顯。

表1 整理前后織物的透氣率變化

2.6 耐水洗性分析

圖8 展示水洗次數(shù)對織物水接觸角及驅(qū)避率的影響情況。隨著洗滌次數(shù)的增加，織物水接觸角降低，同時織物的驅(qū)避率也有所下降。這是由于皂洗使織物表面涂覆的疏水薄膜及防蚊薄膜被破壞，洗滌次數(shù)越多，薄膜被破壞得越嚴(yán)重。經(jīng)過5 次洗滌循環(huán)后，棉織物表面水接觸角以及織物驅(qū)避率均出現(xiàn)一定程度的下降，但仍然能夠保持較好的疏水效果及防蚊效果。

圖8 水洗次數(shù)對防蚊疏水先后整理織物水接觸角及驅(qū)避率的影響

2.7 織物表面形貌分析

不同整理條件下的織物表面形貌如圖9所示。

圖9 整理前后棉織物的SEM 照片（2 500 倍）

由圖9 可以看出：未整理棉織物的表面光滑，無任何附著物，纖維呈扁平帶狀且有天然轉(zhuǎn)曲。防蚊整理棉織物表面被一層絲狀物覆蓋，纖維之間還有絲狀物連接；而疏水整理棉織物表面覆蓋了顆粒狀物質(zhì)或片狀物。防蚊疏水共混整理的棉織物表面出現(xiàn)片狀物、顆粒狀物質(zhì)以及絲狀物，兩種整理劑不均勻地分布在織物表面；相對而言，防蚊疏水先后整理織物表面先被絲狀物質(zhì)覆蓋，形成防蚊薄膜；隨后又被片狀物質(zhì)均勻地包覆，織物表面的低表面能物質(zhì)增加，形成一層致密的疏水薄膜。

2.8 紅外光譜分析

在圖10 所示的紅外光譜圖中，對比了不同整理方式下織物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成。

圖10 整理前后織物的紅外光譜分析

結(jié)果表明：在3 333 cm-1處，未經(jīng)整理的織物展現(xiàn)了一個寬且強的—OH 伸縮振動特征峰，而在1 027 cm-1處則呈現(xiàn)了強烈的—OH 彎曲振動和C—O—C 伸縮振動吸收峰，說明棉纖維主要由纖維素組成。在僅進行疏水整理的織物樣本中，可以在2 918 cm-1和2 850 cm-1處明顯觀察到CH2反對稱和對稱伸縮振動峰，這是由長鏈烷基引起的疏水作用所致。聚丙烯酸酯類聚合物的C=O伸縮振動峰位于1 740 cm-1處［6］，進一步證明拒水劑已成功地整理到了棉織物上。紅外光譜可以對氯菊酯整理進行定性分析，但氯菊酯特征峰與織物本身的特征吸收峰有一定重合疊加，且氯菊酯特征峰多為弱強度吸收峰，要實現(xiàn)定量分析難度大，過程長，成本高。在僅進行防蚊整理的織物樣本中，在1 450 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)的伸縮振動峰，1 247 cm-1處觀察到氯菊酯特征結(jié)構(gòu)芳香基醚的不對稱伸縮振動峰，而在860 cm-1處出現(xiàn)Cl（Cl）—C=CH2中C—H 面外搖擺吸收峰，這是判斷氯菊酯分子的紅外特征吸收信號［7］，說明防蚊劑已被成功整理到棉織物上。而在防蚊疏水先后整理的織物樣本中，出現(xiàn)了CH2反對稱和對稱伸縮振動峰、聚丙烯酸酯類聚合物的C=O 伸縮振動峰、苯環(huán)的伸縮振動峰、氯菊酯特征結(jié)構(gòu)芳香基醚的不對稱伸縮振動峰，表明防蚊劑和拒水劑均已成功整理到織物表面。

3 結(jié)論

本研究通過浸軋烘工藝將防蚊劑和拒水劑先后整理到棉織物上，成功制備了防蚊疏水織物。通過掃描電鏡、紅外光譜可以證實，棉織物成功實現(xiàn)了表面化學(xué)修飾。防蚊疏水先后整理棉織物呈現(xiàn)出良好的疏水性能和防蚊效果，水接觸角達(dá)到148°，驅(qū)避率達(dá)到75%。同時，防蚊疏水先后整理棉織物能抵抗固體和液體材料的污染，具有良好的防污和自清潔性能。處理后的織物斷裂強力提高，機械性能得到提升，并且具有透氣性和耐水洗性。本研究所采用的無氟、無毒、低成本、穩(wěn)定性良好的防蚊疏水織物制備方法，在多功能紡織品中具有一定的應(yīng)用前景。