以氧化锌及偶连剂对聚酯织物进行多功能性加工之研究-崑山电子历程

1、以ZnO及偶聯劑對聚酯織物進行多功能性加工之研究謝松煌、林政豪、施承良崑山科技大學高分子材料系摘要本研究是以聚酯織物經鹼處後，再以不同濃度對應比例之ZnO、偶聯劑及不同溫度進行熱處加工，並進行加工織物之紅外線光譜分析(FT-IR)、能量分散光譜分析(EDS)、電子顯微鏡(SEM)觀察、熱差重力分析(TGA)及抗菌性、抗紫外線、強伸度、柔軟度等之檢測，經由實驗結果得知：聚酯織物經鹼處並進行熱處加工時，ZnO及偶聯劑有結合到聚酯織物表面，加工織物之熱裂解溫度並無多大的影響；加工聚酯織物之抗菌性皆有些許提升；加工織物在抗紫外線上，皆有提升效果；聚酯織物經鹼處後，在強伸度皆明顯下降，但柔軟性有提升並隨

2、偶聯劑對應比的減少有逐漸增加；加工織物之耐水洗牢度尚可。關鍵字：氧化鋅、偶聯劑、聚酯織物、鹼處理一、 前言由於地球上人口不斷增加，纖維原料用量亦隨之增加，但天然纖維增幅有限，因此認為合纖中聚酯纖維益形重要1，2。聚酯纖維是一種具有一系列優良性能的穿著衣料，除廣泛大量應用於紡織產業外，也常被用於工業或傢飾類材料，但其結晶性高，吸濕性不佳，且一般的機能性加工、耐用性皆不良好5。聚酯纖維的減量加工，是將其纖維表面用濃厚的鹼來進行加水分解，溶蝕後使纖維本來具有的剛直性消失，此種加工賦予了纖維摺綴性(Drape)之柔軟感，也就是賦予了聚酯纖維蠶絲般的柔軟度加工3-4，10-13。現代的都市空氣中有許多微

3、生物，如細菌、黴菌等等，因此抗菌織物已被國人在衛生保健觀念逐漸重視5。所以隨著工業科技之發展與生活品質之提升，研發具有抗菌防臭、抑制細菌繁殖、防紫外線等綠色功能的紡織品為一個重要的研究方向8。在奈米TiO2、ZnO及二氧化矽皆為多功能性的無機材料，近年來許多研究發現它在電學、磁學、光學及力學中可展現許多特殊性能。例如在光學性能之應用有脫味除臭、抗菌製品及生物新製品等。可有D6-01效應用於陶瓷、化工、電子、光學、生物、醫學等許多重要領域7。學者林念芝、王權泉等使用奈米級TiO2與銀粒子複合光觸媒對聚酯織物進行後處理加工之研究5，9。奈米級無機材料ZnO具有優異的抗菌和抗紫外線性能6，文獻中並無

4、學者使用ZnO及偶聯劑對聚酯織物的加工研究，故本研究以奈米級ZnO及偶聯劑對聚酯織物進行熱處加工，以期達到柔軟性、抗菌、抗紫外線等多功能之目標。二、實驗方法90 8578 1602.1 材料與藥品：1.聚酯織物(規格： )2.氫氧化鈉(Sodium Hydroxide；NaOH：日本試藥株式會社，日本)3.偶聯劑(3-Aminopropyltriethoxysilane；H2NCH2CH2Si(OCH2CH3)3：CHISSO股份有限公司，日本)4.無水硫酸納 (Sodium sulfate anhydrous，Na2SO4，99：林純藥工業株式會社)5.氧化鋅(Nanometer，ZnO，2

5、0：深圳市納諾科技發展有限公司，中國)2.2 儀器設備：1. 紅外線光譜分析儀(FT-IR，Bio-red Digilab FTS-40，USA)。2. 熱差重力分析儀(TGA，Pyris 1，Perkin Elmer)。3. 掃描式電子顯微鏡(SEM，JSM 6700，Japan)。4. 場發射式電子顯微鏡(XL 40FEG，菲力浦，荷蘭)5. 電腦伺服拉力試驗機(HT-9102，弘達儀器股份有限公司，Taiwan)。6. 柔軟度儀(45O Cantilever)。7. 壓吸機(Rapid Labortex，瑞比股份有限公司，Taiwan)。8. 熱處機(Rapid Labortex，瑞比股

6、份有限公司，Taiwan)。9. 電子天枰(Precisa XB 620M，Dietikon，Swiss)10. 超音波洗淨機(3510，Branson)11. 抗菌設備12. 抗紫外線設備13. 烘箱14. 高速攪拌加熱器15. 洗衣機(ES-951 SBF，聲寶股份有限公司，Taiwan)D6-022.3 實驗方法：1.聚酯織物鹼化處理：a.以6NaOH在90處理60min，液比1：20。b.水洗並以1Na2SO4進行酸中和，然後水洗、烘乾（8030min）。2.加工溶液之製備：a.偶聯劑溶液之製備：以4、3、2、1、0等份比例之偶聯劑，最高濃度為6%，液比1：10，調製偶聯劑溶液。b.Z

7、nO溶液之製備：以0、1、2、3、4等份比例之ZnO，最高濃度為6%，液比1：10，調製ZnO溶液。3.聚酯織物之二段式加工步驟： a.經鹼處理之聚酯織物，先在上述等份比例之偶聯劑溶液浸漬30min，在壓吸機以二進二出壓吸，再經熱處機以120熱處2min。 b.第二階段再以ZnO溶液浸漬30min，其ZnO、偶聯劑不同對應比例為0/4、1/3、2/2、3/1、4/0，在壓吸機以二進二出壓吸，再經熱處機以120熱處2min，然後水洗烘乾，以備檢測。4.不同熱處溫度之加工： 以2/2對應比例加工劑處理，經100、110、120、130之不同溫度下熱處2min。2.4 物性檢測：1. FT-IR測定

8、：使用配備有Microscope ATR之傅立葉光譜分析儀(Bio-Red Digilab FTS-400，USA)，對加工聚酯織物進行紅外線光譜測定。2. EDS測定：聚酯加工織物以場發射式電子顯微鏡之能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer；EDS，XL 40FEG，菲利浦)，進行化學成分分析。3. SEM測定：將經過ZnO、偶聯劑之對應比例濃度(2/2)熱處加工之聚酯織物，及經水洗濯之加工織物以電子顯微鏡(SEM，JSM 6700)觀察其表面型態。4. TGA測定：聚酯織物以熱重量分析儀(Thermo-Gravity AnalyzerTGA，Pyris

9、 1，Perkin Elmer)檢測。測試條件於N2氣下，測試範圍25450，升溫速度10/min。D6-035. 抗菌測定：抗菌試驗是依照日本纖維製品新機能協議會(JAFET)之JIS1902-2002定量法測試加工布對金黃色葡萄球菌之抗菌效果，由下列公式求出細菌成長活性值、抑菌值及殺菌值。細菌成長活性值(F)=Mb-Ma，當F值1.5時，表示實驗有效。抑菌值(S)= Mb-Mc，當S值2.2時，表示抑菌有效果。殺菌值(L)= Ma-Mc，當L值0時，表示有殺菌效果。Ma：未加工樣0小時立即沖刷後菌數。Mb：未加工樣18-24小時培養後菌數。Mc：加工樣18-24小時培養後菌數。6. 抗紫外

10、線測定：將加工物利用Labsphere UV Transmittance Analyzer(Appendix A-1996)，依AS/NIS 4399進行抗紫外線檢測。其抗紫外線指數評級如下： 抗紫外線指數範圍抗紫外線等級15-24好25-39非常好40-50，50+優良7. 拉力試驗機： 採用電腦伺服拉力試驗機測定，依CNS12915 L3233一般織品檢驗法，測驗機型式為定速伸長型，試片為320cm，經向3塊，拉伸速度為每分鐘夾距50%之拉伸速度，進行加工物拉伸測試。8. 柔軟度測定：採用柔軟度測試器依CNS12915 L3233柔軟度試驗法45o之Cantilever法，試片為2cm15

11、cm，經向5塊，進行柔軟度測試，數值越小代表越柔軟。9. 水洗牢度測定：依CNS 8038，L 3138標準F法，以商業用洗衣機洗滌法進行水洗，之後予以測定EDS及SEM。 D6-04三、結果與討論3.1 FT-IR分析 由圖1所示，在1710-1處為-CO-之振動，1253-1為-C-O-C-之振動，1100-1為COH之震動，725-1為芳香環之振動處，其不同對應比之ZnO、偶聯劑熱處之加工物都有雷同之IR圖，顯示加工劑未與聚酯織物結合，即偶聯劑未與聚酯織物產生化學反應；圖2所示不同熱處溫度處理亦同。雖加工劑未與聚酯纖維產生化學反應，但由下述EDS分析及一些物性表現，加工劑是有與聚酯織物結

12、合。3.2 EDS分析由表1、圖3所示，聚酯織物經二段式加工後C元素含量增加，存在有Si元素及Zn元素，Si元素是偶聯劑上之一種元素，且Zn元素是ZnO上的元素之一，顯示偶聯劑及ZnO都有結合到聚酯加工織物上。隨著加工織物洗濯次數之增加，C元素含量及Zn元素隨之下降，顯示偶聯劑及ZnO有被洗除，洗15次時Zn元素尚有許多。3.3 TGA分析由圖4所示，原胚聚酯織物之熱裂解溫度為399.81，在ZnO、偶聯劑對應比例不同下，以0/4之熱裂解最高其他無變化。聚酯纖維之耐熱性極高，在熱處加工時，H元素會裂解，其裂解溫度理應下降，但因偶聯劑與纖維間之結合，多少抵銷部份熱裂解。圖5所示，隨熱處之溫度之增

13、加，其熱裂解溫度無多大變化。但隨溫度之增加其熱裂解溫度有少許下降，因為熱處使H元素裂解之故。3.4 SEM分析圖6(A)為原胚聚酯織物之表面構造，表面平滑無加工劑，圖6(B)為經鹼處後再經ZnO、偶聯劑採二段式熱處加工之表面構造，可看出聚酯織物表面有較多之結合加工液，當聚酯織物第一階段以偶聯劑加工時，偶聯劑便會由矽烷處水解而形成氫氧基(-OH)，可與聚酯纖維產生氫鍵及凡德瓦爾力結合，在第二階段ZnO溶液熱處加工時可與已水解之偶聯劑結合，同時ZnO尚可直接與聚酯纖維產生氫鍵結合，如此ZnO才可達到最佳結合狀態，如採ZnO/偶聯劑混合加工液，則ZnO先與己水解之偶聯劑結合，如此可能造成ZnO無法全

14、面與聚酯纖維結合，影響其加工後之物性效果；圖6(C)為二段加工後洗滌15次後之表面結構，由圖中可看出洗滌15次後織物表面依然還有加工液的存在，由此可知有不錯的水洗堅牢度效果。D6-053.5 抗菌分析由表2所示，聚酯織物本身具有一定的抑菌及殺菌效果，經加工處理後之聚酯織物在抑菌及殺菌效果只有些許提升。聚酯纖維在紡絲時即加有TiO2消艷劑，本身就具有一定的抗菌效果，加工後ZnO有少量附著在聚酯纖維上，增加其抗菌性。而隨ZnO比例之增加有略增之趨勢，顯示ZnO有抗菌效果。3.6 抗紫外線分析由表3所示，除0/4之對應比例外其餘比例之抗紫外線指數皆比原胚聚酯織物高。在0/4比例因為沒有ZnO；故抗紫

15、外線差，比原胚聚酯織物還差，可見偶聯劑不具抗菌性；而其餘對應比例皆含有ZnO，可增強抗紫外線，故得知奈米ZnO對抗紫外線指數有不錯效果。2/2對應比例之抗紫外線達到好等級，而其他對應比例皆達非常好等級，而且沒有隨ZnO比例而變化，故2/2比例較低等級之抗紫外線指數，可能加工織物處理的不均勻所致。3.7耐水洗牢度分析由表1所示，加工織物經15次水洗，尚可發現Si及Zn元素存在，由圖6所示，加工織物經15次水洗，表面尚有加工劑存在，表示其水洗牢度尚可。3.8 抗拉強度之分析由表4所示，經加工處理過後的聚酯織物的強力及伸度皆為下降，因為聚酯織物在經鹼處過後，纖維表面受鹼而溶蝕，其強伸度皆有明顯的受鹼

16、影響而下降；雖然ZnO及偶聯劑與聚酯織物有結合作用，但對強伸度無大幫助。隨ZnO、偶聯劑對應比例無多大關係；而熱處100時偶聯劑與聚酯織物之交鏈欠佳，其餘熱處溫度都有提升強伸度，110及130強度值或有誤差存在，但因受鹼化處理，故皆比原胚聚酯織物低。3.9 柔軟度分析由表4得知，經處理過後的聚酯織物的柔軟性幾乎都增加，除了ZnO、偶聯劑對應比0/4的柔軟性變差外；因為偶聯劑與聚酯織物產生結合，使聚酯織物具有硬質感，聚酯織物隨著偶聯劑比例的減少柔軟性逐漸增加；另外，經鹼處理後聚酯織物有減量之效果，使柔軟性增加。隨熱處溫度之增加，柔軟度無多大變化，但120時，有較差之柔軟性，可能在熱處溫度120時

17、，偶聯劑與聚酯織物之間有較佳之結合。D6-06四、結論聚酯織物經鹼處及不同對應比之ZnO、偶聯劑，在不同熱處條件下進行二段式熱處加工，經實驗得以下結論：1. 由EDS分析得知加工後的聚酯織物表面有ZnO及偶聯劑結合其上。2. 聚酯織物隨著不同對應比之加工劑及不同熱處溫度下加工，對熱裂解的影響並不大。3. 聚酯織物本身具有一定的抑菌及殺菌效果，經加工後的織物在抑菌及殺菌效果只有些許提升。4. 聚酯織物經ZnO及偶聯劑加工後皆有助於抗紫外線的提升。5. 聚酯織物經鹼處後，其強伸度皆會下降，並使聚酯織物之柔軟性增加。6. 聚酯織物隨著偶聯劑比例的減少柔軟性逐漸增加。7. 加工織物之水洗牢度尚可五、參

18、考文獻1. 吳光強，聚酯纖維的減量加工，染化雜誌，第19期，p4750，1986。2. 本刊資料部編譯，聚酯纖維的減量加工，染化雜誌，第9期，p1620，1985。3. 染整顧問服務中心譯，連續式減量加工，染化雜誌，第20期，p5354，1986。4. 本刊資料部編譯，聚酯纖維的減量加工用助劑，染化雜誌，第6期，p7981，1985。5. 林念芝，王權泉，聚酯織物經奈米Ag-TiO2複合光觸媒加工其抗菌性及耐用性研究，華岡紡織期刊，第12卷，第2期，p118128，2005。6. 張瑞萍，楊靜新，尤克非，奈米氧化鋅在棉織物功能整理中的應用，上海紡織科技，第33卷，第12期，p1416，2005

19、。7. 林勁宇，王權泉，不同奈米微粒對聚酯染色織物耐光染色牢度改善及物性影響之研究， 華岡紡織期刊，第12卷，第4期，p336351，2005。8. 吳紀聖，奈米光觸媒材料的合成與應用，化工，第50卷，第2期，p6168，2003。9. 徐為宬，王權泉，聚酯纖物經奈米Ag-TiO2複合光觸媒加工其抗紫外線及消臭性之研究，華岡紡織期刊，第13卷，第2期，p215222，2006。D6-0710. Camille M. Solbrig and S. Kay Obendorf，Alkaline Hydrolysis Of Titanium Dioxide Delustered Poly(ethyle

20、ne Terephthalate) Yarns，Textile Research Institute，p177181，March 1991。11. M.D. Teli, A. Purkayastha，Effect Of Substrate Geometry On Alkaline Hydrolysis Of Polyester，American Dyestuff Reporter，p2225，April 1991。12. S.S. Jan, J.l. Uen, G.A. Shyu, C.l. Wuu, C.C. CHen，American Dyestuff，p3237，October 1992

21、。13. M.D. Teli, A. Purkayastha，Effect Of Fabric Geometry On Alkaline Hydrolysis Of Polyester:Part 1，American Dyestuff Reporter，p2833，June 1992。六、圖與表表1：聚酯織物經ZnO及偶聯劑以二段式加工處理之EDS關係原胚聚酯織物ZnO及偶聯劑(2/2)加工織物洗濯15次ElementWtAtElementWtAtElementWtAtC55.6363.24C43.4365.44C33.0354.05N3.373.28N2.423.13N4.606.45O37

22、.3631.88O18.2720.66O15.7819.38Si0.130.06Si1.811.17Si0.750.52ZnZn33.659.32Zn22.526.77表2：聚酯織物經ZnO及偶聯劑以二段式加工處理其與抗菌性之關係 項目ZnO、偶聯劑對應比MaMbMc細菌成長活性質抑菌值殺菌值白棉布1.51041.4107- -3.0- - -原胚聚酯織物- - -4.0101- -5.62.60/4- - -2.0101- -5.72.91/3- - -2.0101- -5.72.92/2- - -2.0101- -5.72.93/1- - -2.0101- -5.92.94/0- - -2.0101- -5.92.9D6-08表3：聚酯織物經ZnO及偶聯劑以二段式加工處理其與抗紫外線之關係 項目ZnO、偶聯劑對應比紫外線穿透率()抗紫外線指數(UPF)UVB平均值UVA平均值原胚聚酯織物3.316.119(好)0/44.117.615(好)1/32.111