氮掺杂ZnO纳米晶表面改性及其抗菌性、紫外防护性研究

郑 敏*  吴佳卿  许  乐  殷  骏 苏州大学纺织与服装工程学院 苏州 215021 摘  要：氮掺杂ZnO由于氮的掺杂而具有优良的抑菌性和紫外防护性。本文在氮掺杂ZnO纳米晶制备专利技术的基础上, 对所合成的氮掺杂ZnO纳米晶进行表面改性以获得稳定的水性分散浆, 采用透射电镜和激光粒度分析仪对改性效果进行了表征, 重点研究了改性纳米分散浆处理后的棉织物的防紫外性和抗菌性。实验结果表明：利用多羟基化合物和偶联剂的协同增效作用改性后的氮掺杂ZnO纳米晶具有优良的分散稳定性, 长期放置无沉积现象。紫外防护因子测试结果和抗菌测试结果表明改性后的氮掺杂ZnO纳米晶处理后的棉织物具有优良的紫外防护性和抗菌性抑菌性，且抗菌性不受环境影响，即使在无光照条件下也表现出良好的抗菌性能，水洗50次效果不变。 关键词：氮掺杂ZnO；改性; 防紫外；抗菌 1引 言 纳米ZnO被广泛用于光电材料、光催化剂、抑菌材料、紫外屏蔽剂、传感材料的制备中，具有很好的应用前景[1]。但纳米氧化锌的某些性质尤其是光催化性质、抑菌性质往往需要紫外线的激发，一般ZnO只有在波长不大于387 nm 的紫外光照射下才具有光激发活性，而太阳光中紫外波段部分的能量仅占全部太阳能的5％左右，绝大部分可见光的能量(45％左右)尚未得到充分利用，尤其在适应细菌生存的阴暗环境，ZnO的抗菌性更是难以体现出来，为此，拓宽ZnO可见光响应的制备与改性技术研究引起了广泛关注。 通过非金属元素氮的掺杂来代替晶格氧促使TiO2带隙变窄，提高其可见光催化活性[2-3]已经有许多报道，这种掺杂理念在ZnO上也是相通的。目前对ZnO氮掺杂的前沿研究主要集中在其p型半导体薄膜的制备上。由于通过Ⅴ族元素氮的掺杂实现p型掺杂，促进了ZnO薄膜在光电领域的巨大进展，如K.Minegishi[4]通过CVD技术掺氮首次得到p-ZnO薄膜。不过由于ZnO诸多的本征施主缺陷，对受主产生高度的自补偿作用，ZnO的p型掺杂仍然难以实现。而在已有氮掺杂ZnO粉体的研究中[5-10]，制备工艺路线复杂，合成时间长，原料成分多，容易引入杂质，有些工艺还要用到大量有机溶剂，对环境有污染。并且对氮掺杂ZnO的应用性能很少涉及。 笔者通过一步燃烧法[11]（ZL200710133731.3）成功制得各项性能优良的氮掺杂ZnO纳米晶,具体合成工艺以及产品特征见已发论文[12]。本文主要对所制的氮掺杂ZnO纳米晶进行了化学改性处理，利用多羟基化合物与硅烷偶联剂的协同作用获得稳定的纳米氮掺杂ZnO水性分散体系。重点研究了该纳米水性分散体系处理后的棉织物的紫外防护性和抗菌性,并对纳米氮掺杂ZnO处理后的棉袜的实际应用效果进行了初步探讨。 2 实验材料和实验过程(略) 2.1 实验材料及实验方法 2.2 微观结构测试 2.3 紫外防护性测试 2.4 抗菌测试 2.5 织物抗紫外抗菌功能的耐久性评价 3 结果与讨论（略） 3.1氮掺杂纳米ZnO的表面改性 3.2氮掺杂纳米ZnO的紫外屏蔽性能 3.3氮掺杂纳米ZnO的抗菌性能 4 结论 通过TEA与KH560的协同增效作用改性所得到的纳米氮掺杂纳米ZnO水性分散浆具有极好的分散稳定性，粒度分布均匀，长期放置无沉积。与未掺杂以及未改性纳米氮掺杂纳米ZnO相比, 改性后的纳米氮掺杂纳米ZnO水性分散浆可赋予棉织物极佳的紫外屏蔽效果和抗菌性，当用量为2g/L时，UPF指数可达54，且抑菌性不受环境影响，即使在无光照条件下也表现出99%的抑菌性能,水洗50次无明显变化。纳米棉袜的实际应用效果显示，纳米氮掺杂纳米ZnO处理的棉袜对脚气、脚臭具有良好的改善效果，可进一步推广应用。 此论文收录在《第11届功能性纺织品、纳米技术及低碳纺织研讨会论文集》 购买论文请联系010-85872531/41