負載Cu-BTC 棉織物的制備及性能研究

李龍飛 王春梅

（南通大學，江蘇南通，226019）

棉織物（CF）作為日常生活中常見的紡織材料，因其親水性好和手感柔軟，作為服飾、家用紡織品等面料備受人們喜愛［1］。但當CF 暴露在強紫外線、有毒化學物質或細菌等惡劣的環境中，其防護能力并不能達到要求［2］，這限制了CF 在服裝、醫療和衛生等領域的應用，因而常常需要對其進行功能改性，以拓展其用途。銅金屬-有機框架材料（Cu-BTC）是一種新型多孔配位聚合物結晶材料，具有拓撲的八面體三維網狀結構［3］，因其較高的比表面積、高孔隙率［4］和開放的雙核銅中心和較小的孔隙，對小分子具有更強的吸附能力［5］。Cu-BTC 在水介質中釋放形成的Cu+和Cu2+具有很高的電位，不僅會破壞與不同有機物結合的細菌膜，而且還會產生細菌毒性，具有抗菌作用［6］。本研究采用層層組裝法將Cu-BTC 負載在CF 上，制得Cu-BTC/CF，并探討其對亞甲基藍的吸附效果、防紫外線性能以及抗菌性能。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

純棉機織物（經紗和緯紗號數均為36 tex，經密和緯密均為236 根/10 cm），五水合硫酸銅、N，N-二甲基甲酰胺（分析純，西隴化工股份有限公司）；均苯三甲酸（H3BTC，分析純，南京協尊醫藥科技有限公司），無水乙醇（分析純，上海凌峰化學試劑有限公司），納米氧化鋁（Al2O3，高純試劑，上海笛柏生物科技有限公司），十六烷基三甲基氯化銨（1631，分析純，臨沂市蘭山區綠森化工有限公司），亞甲基藍（分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司）。

1.2 儀器與設備

KS-300D 型超聲波清洗器（寧波科生儀器廠），UVmini-1240 型紫外-可見分光光度計［島津國際貿易（上海）有限公司］，JJ124BF 型電子天平（常熟市雙杰測試儀器廠），電熱恒溫鼓風干燥箱（江蘇省海門市恒瑞通用儀器廠），Gemini SEM 300 型掃描電子顯微鏡（德國Carl Zeiss 公司），Nicolet iS10 型傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司），XPA-1000 W 型氙燈光化學反應儀（南京胥江機電廠），UV-2600 型紫外-可見分光光度計（杭州俊升科學器材有限公司），YG（B）912E 型紡織品防紫外性能測試儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）等。

1.3 Cu-BTC/CF 的制備

1.3.1不添加助劑

將五水合硫酸銅溶于水配成質量濃度為15 g/L的溶液A，將均苯三甲酸溶于體積比為1∶1 的N，N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中，配成質量濃度為18 g/L 的溶液B。將一定尺寸的棉織物按浴比1∶20 在溶液A 中浸漬10 min 后取出烘干，再將烘干的織物在溶液B 中浸漬10 min 后取出烘干；然后將織物在溶液A 與溶液B 中循環交替浸漬5 次后取出，用水清洗、烘干，即得到Cu-BTC/CF。具體操作流程如圖1 所示。

圖1 不添加助劑時Cu-BTC/CF 的制備流程

1.3.2添加助劑

將五水合硫酸銅溶于水配成質量濃度為15 g/L的溶液A，將納米Al2O3分散在水中得到質量濃度為20 g/L 的分散液B，將分散液B 加入到溶液A中，快速攪拌形成羥基雙鹽溶液C，將18 g/L 的陽離子表面活性劑1631 溶解在羥基雙鹽溶液C 中形成混合溶液D，將均苯三甲酸溶于體積比為1∶1的N，N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中，配成質量濃度為18 g/L 的溶液E。將一定尺寸的棉織物按浴比1∶20 在溶液D 中浸漬10 min 后取出烘干，再將烘干的織物在溶液E 中浸漬10 min 后取出烘干。然后將織物在溶液D 與溶液E 中循環交替浸漬5 次后取出，用水清洗、烘干，即得到Cu-BTC/CF。具體操作流程如圖2 所示。

圖2 添加助劑時Cu-BTC/CF 的制備流程

1.4 測試與表征

1.4.1表面形貌測試

利用Gemini SEM 300 型掃描電子顯微鏡觀察Cu-BTC/CF 表面形貌。

1.4.2黑暗條件下對亞甲基藍吸附脫色性能的測試

配制一定質量濃度的亞甲基藍溶液，利用紫外-可見分光光度計，在200 nm～800 nm 范圍內測得其吸收光譜曲線，得到亞甲基藍溶液的最大吸收波長為663 nm。在此波長下，分別測出0 mg/L～10 mg/L 系列不同質量濃度亞甲基藍溶液的吸光度，以溶液質量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制其標準曲線，得到亞甲基藍溶液質量濃度與吸光度的關系式：Y=0.102 09X+0.031 81，R2=0.999 9。在此質量濃度范圍內，通過測試吸光度的變化來計算亞甲基藍的脫色率。

將0.5 g 的試樣加入到50 mL 的質量濃度為10 mg/L 的亞甲基藍溶液中，置于光化學反應儀中，關閉照燈，以200 r/min 的速度在黑暗條件下攪拌120 min，每間隔15 min 測定溶液的吸光度，計算亞甲基藍的吸附脫色率。脫色率D按式（1）計算。式中，A0和A1分別是亞甲基藍溶液脫色前后的吸光度。

1.4.3防紫外線性能測試

利用UV-2600 型紫外-可見分光光度計測試試樣的紫外線透過率。

參照GB/T 18830—2009 《紡織品 防紫外線性能的評定》測試試樣的紫外線防護系數（UPF值）。

1.4.4抗菌性能測試

參照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3 部分：振蕩法》測試試樣對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率。

1.4.5紅外光譜測試

利用Nicolet iS10 型傅里葉變換紅外光譜儀對CF 和Cu-BTC/CF 進行光譜掃描，掃描范圍為4 000 cm-1～400 cm-1。

2 結果與討論

2.1 Cu-BTC/CF 表面形貌

不添加和添加納米Al2O3及陽離子表面活性劑1631 制得的Cu-BTC/CF 的掃描電鏡照片如圖3 所示。

圖3 Cu-BTC/CF 的掃描電鏡照片（放大5 000 倍）

由圖3 可知，不添加助劑制得的Cu-BTC/CF表面負載的Cu-BTC 較少，而添加助劑制得的Cu-BTC/CF 表面負載的大多數Cu-BTC 晶體形貌規整，顆粒分布均勻，晶體覆蓋密集，數量多，且晶體形狀為八面體結構，和文獻中描述的Cu-BTC 晶型一致。說明添加助劑有助于提高織物表面Cu-BTC 的負載量和均勻度。一方面，由于納米Al2O3可以通過水解反應，穩定釋放出氫氧根離子，與硫酸銅溶液中的銅離子反應合成鋁銅羥基雙鹽［HDS（Al，Cu）］，羥基雙鹽的氫氧根離子會與均苯三甲酸的氫離子快速結合，并且銅離子可與CF 上的羥基發生配位作用，從而促進Cu-BTC 快速合成并在CF 上負載；另一方面，陽離子表面活性劑1631 對Cu-BTC 起到分散作用，避免Cu-BTC 發生團聚，使其均勻負載在CF 上。

2.2 Cu-BTC/CF 吸附染料性能

CF 以及不添加和添加納米Al2O3及陽離子表面活性劑1631 制得的Cu-BTC/CF 在黑暗條件下對亞甲基藍溶液的吸附脫色率如圖4 所示。

圖4 不同材料對亞甲基藍的吸附脫色效果

由圖4 可知，CF 及兩種Cu-BTC/CF 對亞甲基藍都有吸附效果，但Cu-BTC/CF 的吸附效果優于CF，添加助劑制得的Cu-BTC/CF 的吸附效果遠高于不添加助劑制得的Cu-BTC/CF，而且不添加助劑制得的Cu-BTC/CF 的吸附效果隨時間延長會下降。這是因為在水分子的攻擊下，Cu-BTC結構發生了坍塌，釋放出了初期被吸附的亞甲基藍。 與之相比，添加助劑制得的Cu-BTC/CF 沒有發生吸附脫色率下降的現象。這是由于陽離子表面活性劑1631 的疏水碳氫長鏈會吸附在Cu-BTC 表面，降低Cu-BTC 的溶解度，減少水分子對Cu-BTC 結構的攻擊。

2.3 Cu-BTC/CF 重復使用的吸附效果

在黑暗條件下，添加助劑制得的Cu-BTC/CF 對亞甲基藍溶液進行3 次重復吸附試驗，每次吸附90 min，測得其吸附脫色率如圖5 所示。

圖5 Cu-BTC/CF 重復使用的吸附脫色效果

由圖5 可知，添加助劑的Cu-BTC/CF 使用1次的吸附脫色率可達97%，使用2 次的吸附脫色率可達88%，使用3 次的吸附脫色率可達79%。說明該織物有較好的循環使用性。

2.4 Cu-BTC/CF 防紫外線性能

CF 以及不添加和添加助劑制得的Cu-BTC/CF 的紫外線透過率和防紫外線性能的測試結果如圖6 和表1 所示。

表1 CF 和Cu-BTC/CF 的防紫外線效果

圖6 CF 和Cu-BTC/CF 的紫外線透過率

由圖6 可知，兩種Cu-BTC/CF 比CF 的紫外線透過率低很多，尤其是對200 nm～300 nm 的紫外線透過率非常低，說明Cu-BTC/CF 有較好的防紫外線能力。

由表1 可知，CF 的UPF值為13.52，防紫外線性能較差，而兩種Cu-BTC/CF 的UPF值都達到100+，對于紫外線的屏蔽效果明顯，能夠達到GB/T 18830—2009 規定的防紫外線要求。

2.5 Cu-BTC/CF 抗菌性能

以CF 為對照樣，測得不添加和添加助劑制得的Cu-BTC/CF 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能測試結果如表2 所示。

表2 Cu-BTC/CF 的抗菌效果

由表2 可知，兩種Cu-BTC/CF 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現出明顯的抗菌活性，且添加助劑的Cu-BTC/CF 的抑菌率均達到99%以上，而CF 本身沒有抗菌效果。

2.6 Cu-BTC/CF 的化學結構分析

圖7 為CF 以及不添加和添加助劑制得的Cu-BTC/CF 的紅外光譜圖。

圖7 CF 和Cu-BTC/CF 的紅外光譜圖

圖7中，在3 274 cm-1處的特征峰對應于CF中羥基的伸縮振動，在1 363 cm-1和1 014 cm-1處的特征峰對應于CF 的C—O 的伸縮振動。

兩種Cu-BTC/CF 具有CF 的特征吸收峰，主體沒有發生明顯變化。在1 641 cm-1處的特征峰對應于H3BTC 中C=O 的伸縮振動，在1 371 cm-1處的特征峰對應于C—O 的伸縮振動，在729 cm-1處的特征峰對應于Cu—O 的伸縮振動，由此可見，成功在棉織物上負載了Cu-BTC。與添加助劑的Cu-BTC/CF 相比，未添加助劑的Cu-BTC/CF 的特征峰強度較弱，這是因為其表面負載的Cu-BTC 較少。

在1 446 cm-1處的特征峰對應于CH3—N 的伸縮振動，這證實了陽離子表面活性劑1631 的存在。

3 結論

（1）以棉織物為基材，采用層層組裝法在棉織物上負載Cu-BTC，通過在硫酸銅溶液中添加納米Al2O3和陽離子表面活性劑1631，能夠顯著提高Cu-BTC/CF 表面Cu-BTC 的負載量和均勻度，從而提高該織物的防紫外線性能和抗菌性能。

（2）添加助劑制得的Cu-BTC/CF，在黑暗條件下對10 mg/L 亞甲基藍溶液吸附90 min 脫色率達到97%，重復使用3 次吸附脫色率仍能達到79%，有較好的重復使用性；其UPF值達到100+；對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均達到99%以上。