自清洁功能性纺织品研究进展

２０１４年纪代饧识校ｆ第１期

综合评述——

自清洁功能性纺织品研究进展

王宗乾１’２。何铠君２。吴开明１，鲍美璇１，戚星星１

（１．安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖２４１０００；２．浙江理工大学材料与纺织学院，杭州３１００１８）摘要：在当前环境污染Ｅ１趋严峻的条件下，自清洁功能纺织品具有巨大的发展潜力和广阔的市场空间。文章综述了纺织纤维及其纺织品获取自清洁功能的两种技术途径，即超疏水化表面技术和光催化自清洁技术，并介绍了两种技术途径的工作原理；同时对自清洁功能性纺织品的开发现状进行了阐述，还展望了其发展趋势，指出在开发高性能低成本的自清洁材料领域仍需不断探索。

关键词：自清洁；超疏水化；光催化；纺织纤维中图分类号：ＴＳ０６

文献标志码：Ａ

文章编号：１００９～２６５Ｘ（２０１４）０１一００６０—０５

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＳｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＴｅｘｔｉｌｅｓ

ＷｒＡＮＧＺｏｎｇｑｉａｎｌ”，ＨＥＫａｉｊｕｎ２，ＷＵＫａｉｒｎｉｎ９１，ＢＡＯＭｅｉｘｕａｎｌ，ＱＩＸｉｎｇｘｉｎ９１

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｅｘｔｉｌｅｓａｎｄＡｐｐａｒｅｌｓ，ＡｎｈｕｉＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ

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自清洁功能是纺织品众多功能性中的一种，近年来用在纺织领域上的自清洁功能纤维发展迅速，

具有自清洁功能的纤维材料不仅可缓解洗涤带来的

功能性纺织品是指纺织品除具有自身的基本使用价值外还具有抗菌、除螨、防霉、抗病毒、防蚊虫、防蛀、阻燃、防皱免烫、拒水拒油、防紫外线、防电磁辐射、香味、磁疗、红外线理疗、负离子保健等诸多功效中的一种或几种。近来，类似上述特殊功能的纺

织品开始走俏市场，具有较好的市场前景［５书］。

环境和能源问题［１］，还能有效保护人体不受环境污

染物的伤害ｒ２。３］，因此自清洁纤维、纺织品的研究与

产业化具有十分重要的意义。本文综述了自清洁功能性纺织纤维的发展、技术原理以及技术现状。

１

在当前全世界对环境和能源问题异常重视的前提下，自清洁功能纤维的研究成为了关注的热点问题之一。自清洁功能纤维用在纺织领域，不仅可缓解洗涤带来的环境和能源问题，还能有效屏蔽和消

解如细菌、病毒、杀虫剂、污渍等各种各样的环境污染物，避免这些污染物通过皮肤或呼吸道对人体造成伤害，所以具有自清洁功能的纤维织物可广泛应

纺织纤维的功能性需求

伴随生活水平的提高、对专业工作中人体保护

理念的提升，以及外部自然环境的破坏，人们对服装、家用纺织品的功能性有了新的需求ｒ４］。功能性纤维的研发是制备功能性纺织品的基材，基于功能纤维是开发功能纺织品的重要途径之一。

收稿日期：２０１３－－０５—１５

作者简介：王宗乾（１９８２），男，山东济宁人，讲师，博士研究

生，研究方向：生态染整加工助剂。

・

用于日常服装、生化防护服、医疗保健、环境、农场、军事等领域［ｇｑｏ］。自清洁功能纤维或是织物都具备一项共同点：具有自清洁功能的表面［１¨。

６０・

——综合评述

２自清洁功能技术原理

２０１４年纪代１２ｊ织校禾。第１期

获得自清洁功能的途径主要包括两类：一是形

成超疏水化表面，二是形成光催化表面。两类途径的基本原理截然不同。２．１超疏水化表面技术

可采用表面的动态润湿行为来诠释超疏水化表面技术原理。超疏水化表面水滴在运动状态下处于

一二孽

沟

水

Ｃａｓｓｉｅ态，即水滴与疏水化表面接触属于复合接触，水滴与疏水表面的接触面是由固体和气体共同组成，Ｃａｓｓｉｅ态下水滴并不是完全平铺接触到粗燥表

面的凹槽内，疏水化表面上的水滴有很大一部分直接与空气接触，因而当水滴发生运动时，具有较小的摩擦阻力［１２。。Ｃａｓｓｉｅ态下，在表面张力作用下，水滴形状接近于圆球体，水滴在超疏水表面上的运动

行为类似于球体的滚动。此时，当疏水化表面杂质的尺寸小于水滴圆球的尺寸时，水滴对杂质颗粒的粘附作用（表面张力）远大于疏水化表面对该杂质的

粘附作用，于是可以将杂质吸附于水滴表面并逐渐将其包裹在水滴内部，杂质颗粒将在水滴内部并随水滴的运动一起运动，从而实现杂质的清除。

利用接触角的概念理解超疏水化表面原理则更为直接＿３１。图１中口角即为接触角，表示的是气、

图３纳米涂层表观形貌

荷叶表面布满了大小在几微米到十几微米之间的突起。因此基于超疏水表面原理，要获得自清洁性能的纤维或纺织品，可采用超防污纳米涂层工艺获得。具有超强的疏水疏油性。处理后的材料表面具有了荷叶一般的超强疏水功能，具有较高的接触角和滚动角，水珠及油珠可自行滚落。不留痕迹；具有超强的防污自洁功能，有效防止灰尘和油污渗人。日常浮灰仅凭天然雨水冲洗即可带走，较厚积灰也可通过自来水直接冲洗即可自然清洁，无须人工刻意清洁，极大减少了清洁成本和工人劳动强度，并降低了因人工清洁所造成的安全隐患。

液、固三相交点处所作的气一液界面的切线穿过液体与固一液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度，

同时接触角的形成也是整个体系减小总界面能的结果。接触角越大，水滴在表面上越容易形成球状态滚动，带走表面杂质等污物，具有大接触角的表面具备“自清洁”能力。通常认为接触角大于１５０。称为“超疏水表面”，接触角大于９０。称之为疏水表面。

２．２光催化自清洁表面技术

基于光催化原理的自清洁表面技术是一项利用

新型复合纳米高科技功能材料的技术，光催化自清洁反应属于低温深度反应技术，目前使用最多的一

类光催化自清洁表面纳米材料为纳米级Ｔｉｔ）。光诱导薄膜。光催化表面技术原理如图４所示。在一定

㈨ｆ本

图１接触角臼示意图

波长的光线照射下，光催化剂纳米粒子受激生成电子一空穴对；其中电子具有较强的还原性，能将其周围的氧还原成活性离子氧；相反空穴具有氧化性，能分解催化剂表面吸附的水，并与周围的（）。分子发

表面的疏水性能还与表面的微结构有关，其中最为典型的为荷叶表面，被称之为“荷叶效应”。荷叶的表面布满了微小的突起，如图２所示，从物理化学的角度证明当疏水表面上有这种微细突起的时候，表面的一些空气会被“关到”水滴与固体表面之间，水滴与固体的接触面积大大缩小，水滴与固体表面的接触角会大大增加Ｈ。¨ｊ，表现出较好的疏水性能。

生作用生成氧化性很高的氢氧自由基；因此光催化

剂纳米粒子在光线辐射下的具备极强的氧化一还原作用，可以对许多难降解的有机物进行分解，将光催化剂表面的各种污染物摧毁．同时达到抑制细菌生长和病毒活性的能力，达到自清洁的目的ｕ６Ｉ。

・

６１

・

２０１４年纪代１２５识校禾、第１期

综合评述——

最多只能达到１２０。左右，因此，要达到超疏水效果，表面粗糙度也是要考虑的因素。Ｏｇａｗａ等［２０］以醋

酸纤维素为原料，通过静电纺丝制备纳米纤维膜，通过逐层交替沉积ＴｉＯ：颗粒和聚丙烯酸在纤维素膜上形成粗糙表面，接着再进一步沉积ＣＦ。（ＣＦｚ）ｒ（ＣＨ：）。Ｓｉ（ＯＣＨ。）进行氟化处理，最后得到接触角

电

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的１６２。超疏水表面。ＮａｎｏＳｐｈｅｒｅ技术是通过对棉和天然纤维混纺织物进行氟碳整理获得拒污、拒水和拒油性能的，也可应用到蚕丝、羊毛纺织品的拒水

整理中。改进的ＮａｎｏＳｐｈｅｒｅ表面涂层整理技术通过了严格的蓝色标志（Ｂｌｕｅｓｉｇｎ）标准认证，该技术

图４光催化表面的功能原理图

对比超疏水化表面自清洁技术，光催化表面自清洁原理是基于纳米粒子的光催化氧化原理，具有以下技术优势和特点：第一，光催化氧化不需要提供

采用新的涂层基体，同时将Ｃ。氟碳替代Ｃ８氟碳，实

现将上百万纳米粒子整理到织物表面，经改进的ＮａｎｏＳｐｈｅｒｅ表面涂层整理技术整理的织物具有持

高温环境，反应可在常温或低温下进行，不同于常规

的催化氧化方法，常规的催化氧化通常要在几百度

的高温工艺下进行；第二，光催化氧化反应彻底，室温条件下即可将多种有机污染物氧化生成无毒无害的物质，没有二次污染；第三．从能源角度而言，光催

化氧化技术属驱动氧化一还原反应，可利用太阳光作为能源对光催化剂进行活化，且在反应过程中光催化剂不消耗［１优势。

３

７‘ｌ

久的耐水洗效果。

第三种利用纳米技术方法对纤维和织物进行超

疏水化处理。Ｍｉｎｃｏｒ

ＴＸ

ＴＴ整理技术模拟荷叶的

微观结构．通过整理工艺将纳米粒子嵌入聚合物基质中，赋予整理织物耐久的纳米结构表面。Ｍｉｎｃｏｒ

ＴＸ

８Ｉ，因此光催化氧化技术更加具有

ＴＴ是由ＢＡＳＦ公司开发，是真正具备纳米结构

瑞士苏黎世大学ＳｔｅｆａｎＳｅｅｇｅｒ将数百万个丝

表面的自清洁纺织品。

自清洁纺织纤维技术现状与发展超疏水处理现状与发展

状纳米硅树脂微粒涂布在聚酯纤维上，由于纳米硅树脂粒径仅为为４０ｎｍ，整理后的聚酯纤维获得了

超拒水性能。其技术原理在于纳米硅树脂整理后纤维与水之间存在有永久空气层，其原理与昆虫和蜘蛛在水下呼吸时使用的气盾类似［２１Ｉ。该技术整理的面料可用于运动员的泳装面料，被评为迄今为止拒水效果最好的衣用材料。３．２光催化表面处理现状及发展

３．１

基于仿生学原理构建材料表面结构，获得仿

生自清洁表面是自清洁功能纤维制备的主要方法。许多动植物（如荷叶、水稻叶和蝴蝶翅膀）具有超疏水和自清洁效果，最典型的是“荷叶效应”。Ｌｉｕ等［１３３利用碳纳米管（ＣＮＴ）沉积在棉织物上形

成粗糙表面产生“荷叶效应”，可达到超疏水目的。

中科院江雷院士［１９］及其合作者揭示了自然界中浸润性表面结构与性能的关系，提出“二元协同纳米界面材料”设计体系，可制备出多种仿生超疏水材料，他提出如果在纤维上打出微纳米列孔。实现纤维超双疏，能够生产出具备自清洁性能的西服和羊毛衫；江雷院士及其合作者研究发现在蝴蝶翅膀的表面有非常细的鳞片，并通过这些鳞片的存在成功解释了蓝色大闪蝶翅膀保持洁净干爽的原因，同时研究也提出如果将鳞片结构复制到纤维和纺织品上，同样可获得类似大闪蝶翅膀具有的自清洁的性能。

另一种超疏水化的方法是使用低表面能的含氟、硅基团的物质对表面进行修饰或是涂层，但直接使用具有最低表面能的氟化物进行处理时，接触角

・

基于光催化原理的自清洁表面主要是指ＴｉＯｚ

光诱导薄膜。１９９７年Ｗａｎｇ等［２２］在Ｎａｔｕｒｅ上首次报道了纳米ＴｉＯ：薄膜的双亲性原理，并利用ＴｉＯｚ薄膜成功制备出一种同时具有防雾与自清洁功能的玻璃，开辟了ＴｉＯ：在自清洁领域的应用。

在有机高分子纤维自清洁方面，香港理工大学

纺织及服装学院的忻浩忠教授以及澳大利亚蒙纳士

大学的ＱｉＥ２３］研究显示，在涤纶纤维及棉纤维织物表

面制备出锐钛矿型纳米Ｔｉ０：薄膜，技术采用的锐

钛矿型Ｔｉ（）：的能带隙为３．２ｅＶ；该技术整理后的涤

纶织物，光催化氧化后具备抗菌性能，同时可有效降

解Ｎｅｏｌａｎ蓝２Ｇ染料，达到了自清洁作用；该技术整理后的棉织物，光催化氧化后可降解表面的污渍，如红酒渍等。

・

综合评述

此外，香港理工大学的研究者和Ｔｕｎｇ等［２］都在羊毛和丝绸织物的光催化自清洁技术领域进行了深入研究。研究表明，选用温和的酰化剂丁二酸酐对羊毛织物进行预处理，处理后的羊毛表面接枝了丰富的羧基，表面接枝的羧基将有利于羊毛吸附更

多的锐钛矿型ＴｉＯ：；该技术整理后的羊毛织物被红

酒沾污后，将其暴露于日光模拟器下进行光催化反

应，红酒污渍几乎可被完全降解。

Ｌｉｕ等Ｌ２４］在羊毛织物表面制备了Ｔｉ０２薄层，结果显示该羊毛织物表面对红酒渍具有催化降解的自清洁效果；许梅等［２５］则研究了稀土离子铥掺杂ＴｉＯ。改性棉织物的自清洁性能，结果显示光照３ｈ时对辣椒红素污物的降解率在９４％左右。２０１１年

Ｄａｏｕｄ

ＷＡ等对近５年来人们通过纳米技术实现

高分子纤维自清洁的研究进行了综述，并指出了该

方法存在的一些问题。

华盛顿特区美国海军实验室分子生物学工程中

心的ＡｌｏｋＳｉｎｇｈ及其合作者开发成功了利用超细

复合薄膜层达到自清洁性能的技术。通过向薄膜中添加有效降解化学毒素的酶，控制薄膜层厚度为

５００ｎｍ，再将该薄膜整理到纺织品上，使用过程中，添加到膜层中的酶可迅速中和毒素，且无有害物残

留，该项技术可应用于军用、民用的防护服整理。

Ｂｅｄｆｏｒｄ等［２６］学者采用静电纺丝的方法成功制备了纤维及其材料的自清洁表面。还有一些学者将多项技术联合处理纤维赋予其功能性，例如ＫａｉｈｏｎｇＱｉ等学者通过纳米ＴｉＯ。和低温等离子联合技术开发了自清洁聚酯纤维，联合技术的运用较大程度上提高了纤维的功能性效果。Ｓａｓ等［２７］学者通过Ｎ—Ｔｉ０２光催化表面技术并沉积ＡｇＩ颗粒联合技术开发成功了可见光激发的自清洁棉纤维。

４结语

综上所述，具有自清洁性能的纤维和织物在日

常生活和工业中有着非常广泛的应用前景。在当前世界环境和能源问题异常重视的前提下，自清洁材

料的研究与制备将越发成为关注的热点。但自清洁纤维和织物的研究现状表明，尚有许多关键问题有待进一步研发：比如超疏水自清洁表面制备方法大多需要复杂的设计、精细的控制技术或价格昂贵的氟硅化合物，不适于制备大面积的超疏水界面，在纺织纤维的功能性领域上，也将面ｌ临成本与使用价值不吻合的问题；在光催化自清洁表

面技术上，同样存在一些诸如无机Ｔｉ０２颗粒与纤

２０１４年纯代奶锯校书第１期

维结合的牢度不够、易于脱落，影响纤维手感以及难以在纤维表面均匀分散等问题，同时，光催化自清洁的条件是需要在阳光持续照射下才能消除，不适于非户外纺织品功能处理。因此，要开发出适用于纤维材料且高性能化、低成本化的自清洁方法还需要新的思路。

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Ｓｃｉｅｎｃｅ

ＰａｒｔＢ：

Ｐｏｌｙｍｅｒ

ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１９９７，３８８

Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１２，５０（１２）：８２４—８４５．

［２２］Ｗａｎｇ

Ｒ，ＨａｓｈｉｍｏｔｏＫ，ＦｕｊｉｓｈｉｍａＡ，ｅｔａ１．Ｌｉｇｈｔ—

（责任编辑：许惠儿）

ｉｎｄｕｃｅｄａｍｐｈｉｐｈｉｌｉｃ

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（上接第５９页）

但是从两种里料的结果可以看出，里料的变化却不是很有规律，因为一般来说，里料的材质相对轻薄，经纬纱线密度选择范围较大，从表５中的试验结果可以看出，当经纱密度区别较大时，纬向纰裂性能

合格或不合格的不同判定结果，建议各产品标准明晰这些结果的判定。

ｃ）建议纰裂测试负荷选择要统一，分为４类，分别是毛纺类、牛仔类、丝绸类、和其他类，各自实际负荷如现有标准，而且均分面料和里料，里料统一使

用７０Ｎ；

随着拉伸隔距的不同会使得部分面料结果差异比较大。这也就意味着不同实验方法造成数据的可比性较差，特别是针对少量特殊设计的面料。

４结语

ａ）现行有效的产品标准中对于纰裂性能的测

ｄ）纰裂性能测试时取样建议统一大小，按照纰

裂｜生能的要求，应满足不从两边脱开的条件。

参考文献：

［１］王敏，林登光，章金兴．服装标准中纰裂实验方法的比

较与探讨口］．中国纤检，２０１１（２）：６３—６５．

ｒ２］全国纺织品标准化技术委员会毛纺织分会．ＦＺ／Ｔ

２００１９－－２００６毛机织物脱缝程度试验方法［ｓ］．

［３］全国纺织品标准化技术委员会基础标准分会．ＧＢ／Ｔ

１３７７２．２—２００８纺织品机织物接缝处纱线抗滑移的测定第２部分：定负荷法［Ｓ］．

试方法不完全统一，会造成同样的面料选择不同

产品标准时，因为实验方法不同，造成结果可比性

下降。建议统一各产品标准中纰裂性能的测试

方法。

ｂ）纰裂性能实验结果出现织物断裂、撕破、缝纫线断裂、滑脱等现象时，依据不同产品标准会得到

（责任编辑：许惠儿）