作者：儲方為 邱佳銘 蔣紅 李戎
摘要：本文介紹了TiO2光觸媒自清潔紡織品的分類、自清潔機理以及TiO2光觸媒材料自清潔性能的一些評價方法，并結合TiO2光觸媒紡織品自身的性質進行適用性分析。特別提出了評價TiO2光觸媒紡織品的自清潔性能時，不能從光催化性能一方面考慮，而要將光催化性和光致超親水性結合起來綜合去評價其自清潔性能。
關鍵詞：光觸媒紡織品；光催化；超親水；自清潔；評價方法
0 引言
近年來，隨著半導體光催化技術的不斷發展，其應用領域也不斷擴大，由最初的用于污水處理，到后來光觸媒自清潔玻璃、陶瓷、紡織品的出現，光觸媒技術已經慢慢走進了人們生活。
光觸媒是一類以TiO2為代表的具有光催化性能的半導體材料的總稱。目前可作為光催化劑的半導體材料主要有TiO2 、CdS、 ZnO 、WO3、 Fe2O3、 SnO2等化合物，但是由于TiO2相對其它半導體材料具有光催化活性高、穩定性好、價格低等優勢而備受青睞[1]。光觸媒能在太陽光或熒光燈的照射下產生類似光合作用的催化反應,將空氣中的氧氣和水分子激發,形成氧化能力極強的羥基自由基(•OH)和超氧陰離子自由基(•O2ˉ) 。這些氧化力極強的自由基可將浮游在空氣中的細菌殺死，并把有機污染物不斷降解成水和二氧化碳等，從而達到凈化環境和保持材料自身清潔不被污染的目的。將光觸媒技術應用于紡織領域，開發具有環保自清潔性能的紡織品對于節能環保具有重要意義，所以光觸媒自清潔紡織品已成為紡織行業發展的方向之一[2-3]。
1 TiO2光觸媒自清潔紡織品
1.1 TiO2光觸媒紡織品的分類及應用
TiO2光觸媒紡織品按照制造工藝大體可分為三種，第一種是以聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）等膜材為基材，表面涂有TiO2的膜結構材料，這種膜結構材料被廣泛應用于大型場館和一些公共設施的頂棚。目前生產光觸媒PTFE材料的主要有日本的中興化成株式會社，生產光觸媒PVC材料的主要有日本的平岡株式會社；第二種是將TiO2與高分子材料結合，通過一定的紡絲方法將其紡成光觸媒纖維，然后將光觸媒纖維織成光觸媒紡織品。目前國內外已經開發出很多這類纖維并且市場化。這類產品主要有日本Exlan工業株式會社開發的具有高度自潔功能的光觸媒腈綸纖維“Selfclear”[4]、大和紡公司開發的“Solesh” 纖維[5]等。我國近幾年也在這方面也取得了突破，浙江上虞弘強彩色滌綸有限公司在2011年開發出了一種蜂窩光觸媒纖維，并且取得了不錯的市場份額。這些纖維主要用于運動服、工作服、家紡、保健和醫療衛生紡織用品；第三種是以棉、羊毛等織物為基材，通過一定的方法將納米TiO2整理到織物上，使其具有一定的自清潔性能。近幾年很多人從事這類紡織品的研究[6-8]，目前產業化的產品主要有日本東麗株式會社開發的“lumi magic”系列織物[5] 。“lumi magic ”系列織物主要用來制作泳衣，通過光照作用可以消除氯臭，能夠保護皮膚和身體不受細菌的侵害。
1.2 TiO2光觸媒紡織品自清潔機理
1.2.1 TiO2光催化機理
TiO2屬于一種n型的半導體，它的禁帶寬度為3.2ev（銳鈦礦），當它受到波長小于或等于387.5nm的紫外光照射時，價帶的電子就會獲得光子的能量而躍遷至導帶，形成光生電子（e-），而價帶中則相應地形成空穴（h+），產生電子-空穴對，同時激發態的導帶電子和價帶空穴又能重新復合，使光能以熱能或其他形式的能量散發掉。其過程可用下面的方程表示：
價帶空穴是良好的氧化劑，導帶的電子是良好的還原劑。空穴具有更大的反應活性，一般與表面吸附的H2O或OH一 離子反應形成具有強氧化性的經基自由基。其過程可用下面的方程表示：
電子與表面吸附的氧分子反應，氧分子不僅參與還原反應，還是表面羥基的另一個來源，具體反應式如下：
通過以上反應，生成了氧化性很強的羥基自由基、超氧陰離子自由基，能夠將各類有機物氧化為 CO2 和 H2O 等小分子,從而達到保持材料自身清潔的目的[9-10]。
1.2.2 光致超親水性機理
一般而言材料的親水性可通過材料表面的水滴接觸角來判定。接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ。當接觸角θ>90°時稱為疏水性，θ<90°時稱為親水性，θ>150°時稱為超疏水表面，θ<10°時稱為超親水性[11]。研究發現[12]， TiO2光觸媒材料表面的親水性在光照下會發生改變。將水滴在TiO2材料表面，光照后接觸角會慢慢變小，最后接近0°，停止光照后又會慢慢恢復到原樣。材料表面經光照達到超親水性后，可以降低纖維的靜電引力和分子間作用力，從而防止污物在材料表面聚集，使材料的防污性能和易去污性能都有所增加。
TiO2 表面的超親水性是由于TiO2價帶電子被激發到導帶，電子和空穴向表面遷移，電子與 Ti4+反應，空穴與表面的氧離子反應，分別形成 Ti3+和氧空位。氧空位與空氣中的水分結合形成化學吸附水（即羥基），在材料表面形成均勻分布的高度親水微區，而其他部分還保持原有的疏水性，親水微區和親油微區相間排列使材料表面同時具有親水性和親油性，類似于二維的毛細管現象。但是由于液滴的尺寸遠遠大于親水和親油微區的面積，所以宏觀上表現出來的是雙親性[13]，當將水或油滴在材料表面時，分別被親水微區和親油微區所吸附，從而潤濕材料表面。當停止光照后，化學吸附水會被空氣中的氧氣取代，又回到初始的疏水狀態。
2 TiO2光觸媒自潔紡織品評價方法探究
對于日漸繁榮的TiO2光觸媒自清潔紡織品市場，目前國內外還沒有統一的評價方法評價其自清潔性能，這不僅不利于光觸媒紡織品市場的健康發展，也難以對相關的產品實施有效的質量監控，所以開發相應的評價方法是十分重要的。
雖然目前國內外關于TiO2光觸媒紡織品自清潔性能還沒有一套評價標準，但鑒于TiO2光觸媒陶瓷類材料已經出臺了相關的標準[14-18]，另外也有人對TiO2光觸媒材料自清潔性能評價提出了自己的看法，這些方法大體可歸為兩類：薄膜法和溶液法，其中有些評價方法可以值得TiO2光觸媒紡織品借鑒。下面就TiO2光觸媒材料自清潔性能評價方法中五種具有代表性的方法進行介紹和分析（見表1），探究其在TiO2光觸媒紡織品的適用性。
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