【摘 要】
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棉织物因其轻便、柔软、透气和可再生的优点成为人们日常生活中使用最广泛的材料之一。然而,棉织物的亲水性使其实际应用受到了较大的限制。近年来,超疏水材料因其独特的润湿性而备受关注,不少研究人员在棉织物表面构造粗糙度并修饰低表面能物质,制备了水接触角(WCA)大于150o的超疏水棉织物。目前,超疏水棉织物已在防水、自清洁和油水分离等领域展现出广阔的应用前景。但单一功能的超疏水棉织物难以满足柔性传感、电磁
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棉织物因其轻便、柔软、透气和可再生的优点成为人们日常生活中使用最广泛的材料之一。然而,棉织物的亲水性使其实际应用受到了较大的限制。近年来,超疏水材料因其独特的润湿性而备受关注,不少研究人员在棉织物表面构造粗糙度并修饰低表面能物质,制备了水接触角(WCA)大于150o的超疏水棉织物。目前,超疏水棉织物已在防水、自清洁和油水分离等领域展现出广阔的应用前景。但单一功能的超疏水棉织物难以满足柔性传感、电磁屏蔽、光催化降解和光热转换等新兴领域的应用需求。基于此,本课题采用简单高效的方法制备了超疏水棉织物并赋予其功能,将其用于自清洁、油水分离、光催化降解、阻燃和压力传感等多个领域。本论文的主要研究内容和成果包括以下三个方面:(1)利用γ-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTPS)改性二氧化硅纳米粒子(SiO2 NPs),制得巯基修饰的二氧化硅纳米粒子(SH-SiO2NPs);再使端氨基聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS-NH2)先后与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和丙烯酸羟乙酯(HEA)反应合成端丙烯酰氧基聚二甲基硅氧烷(A-PDMS-A);最后将棉织物在SH-SiO2 NPs和A-PDMS-A的混合溶液中浸泡后,在紫外光照射下使棉织物上的SH-SiO2 NPs与A-PDMS-A发生巯基-烯点击反应形成交联结构,制得紫外光固化超疏水棉织物。借助扫描电镜(SEM)和接触角仪分析SH-SiO2 NPs和A-PDM-A的质量比对棉织物表面形貌和润湿性的影响。结果表明,随着SH-SiO2 NPs用量的增加,棉织物表面的粗糙度增大,WCA先增大随后基本保持不变。当SH-SiO2 NPs与A-PDMS-A的质量比为0.2时,紫外光固化超疏水棉织物的WCA达到155o,且具有良好的表面稳定性和自清洁性能。此外,该棉织物还可用于油水分离领域,分离效率高且循环使用性好。(2)通过浸渍法,将氧化石墨烯(GO)和端羟基聚二甲基硅氧烷(OH-PDMS-OH)/钛酸丁酯[Ti(OBu)4]混合物先后附着到棉织物表面;然后在氢碘酸(HI)/冰乙酸(HAC)蒸汽的作用下,使棉织物表面的GO还原成rGO,同时Ti(OBu)4水解缩合生成二氧化钛(TiO2)并进一步与OH-PDMS-OH发生交联反应,制得导电超疏水PDMS/TiO2@rGO棉织物。利用SEM、能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)对PDMS/TiO2@rGO棉织物表面形貌及化学组成进行分析,探讨OH-PDMS-OH与Ti(OBu)4的质量比以及反应温度对棉织物表面形貌及润湿性的影响。结果表明,当OH-PDMS-OH与Ti(OBu)4的质量比为3且反应时间为20 min时,PDMS/TiO2@rGO棉织物具有超疏水性和优良的导电性,其WCA达159o,表面电阻值低至0.76 kΩcm-1。此外,该棉织物具有良好的自清洁性能和光催化降解油溶性污染物的能力。多层叠加的PDMS/TiO2@rGO棉织物还可用作压阻式压力传感器,并展现出灵敏度高、信号稳定、响应速度快、可重复性好等优点,可用于检测人体不同的运动行为。(3)借助层层自组装法将支化聚乙烯亚胺(b-PEI)改性的埃洛石纳米管(HNTs)和植酸(PA)交替沉积在棉织物表面,然后将十八胺(ODA)改性的羧基化碳纳米管(CNTs-COOH)与PDMS的混合液喷涂在其表面,固化后即得阻燃超疏水(FRS)棉织物。通过SEM探讨组装循环次数以及喷涂的CNTs-ODA/PDMS混合物对棉织物表面形貌的影响,并用接触角仪分析FRS棉织物的表面稳定性。结果表明,经6个循环的组装,棉织物的纤维表面已被HNTs均匀覆盖。喷涂CNTs-ODA/PDMS混合物后,所得FRS棉织物的WCA达到162o,并且其表面具有较好的耐热性、耐化学性和耐水洗性。利用热重仪(TG)、垂直燃烧测试、热重-红外联用仪(TG-FTIR)和SEM研究了FRS棉织物的阻燃性能以及可能的阻燃机理。结果表明,该棉织物具有良好的阻燃性能。外层CNTs-ODA/PDMS热解后产生的CNTs/Si-C化合物和内层的HNTs组成了物理阻隔层,同时b-PEI和PA间的N-P协同作用产生了膨胀炭层,两者共同作用可有效隔热隔氧,使火焰快速熄灭。此外,基于单层FRS棉织物的压阻式压力传感器具有电阻信号稳定和重复性好的优点,并且可以在有水的环境中检测人体不同的运动行为。
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