表面沉积纳米二氧化钛纺织材料的制备及其性能研究new

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1、江南大学博士学位论文表面沉积纳米二氧化钛纺织材料的制备及其性能研究姓名：徐阳申请学位级别：博士专业：纺织工程指导教师：魏取福20091201摘要纳米二氧化钛(Ti02)粒子由于具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等许多特有的性质，而体现出块体材料所不具备的独特的光催化、光电、杀菌、紫外吸收等性能。在环境工程、生物医学、电子工业、建筑、包装等领域具有广阔的应用前景。本文运用低温磁控溅射沉积技术在纺织材料表面沉积功能性纳米Ti02薄膜，实现纺织材料的表面功能化。一方面克服采用纳米颗粒材料作为填料的

2、纳米微粒团聚问题，减少加工工艺流程和污染；另一方面可以降低加工成本并实施在线加工。论文重点探讨了纺织材料表面Ti02功能纳米结构的形成原理、制备技术、性能及其功能可靠性。论文探讨了在涤纶(PET)非织造织物表面沉积纳米Ti02功能薄膜的直流磁控溅射方法，并利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射分析(X1m)、X射线能谱分析仪(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)对Ti02薄膜的表面微观形貌、结构和化学组成成分进行了表征。主要研究了薄膜生长模式以及主要溅射工艺参数对薄膜物化结构和薄膜光催化降解亚甲基蓝性

3、能的影响，并对表面沉积纳米Ti02薄膜涤纶非织造织物的抗菌、光学透射、抗静电、光生亲水、光催化降解甲醛性能进行了测试。同时，为评价所沉积薄膜的可靠性，对表面沉积纳米Ti02丙纶(PP)纤维进行了轴向拉伸分析，借助扫描电镜(SEM)观察纤维表面薄膜开裂、脱落过程，并利用剪滞模型对拉伸应力在纤维、膜基结合界面和薄膜中的分布和传递进行模拟分析。应用Weibull分布理论，对不同溅射工艺参数条件下所制备的沉积纳米Ti02丙纶纤维断裂强度的离散性进行了分析，并在此基础上对沉积纳米Ti02纤维材料的可靠性进行了评

4、价。对改善膜基界面结合性能、提高表面沉积纳米Ti02纤维材料可靠性的措施进行了探讨。实验结果表明，直流磁控溅射主要工艺参数对Ti02薄膜的成分、结构、表面形貌和溅射效率等有较大影响，而Ti02薄膜结构、形貌等微观形态的差异又将会影响到Ti02薄膜的光催化性能。溅射功率增加，薄膜晶态结构由无定形结构向锐钛矿型Ti02结构转变，Ti02薄膜均匀性、致密性增加，对亚甲基蓝溶液的降解率增加；较小的工作气压，易在PET非织造材料的纤维表面沉积较为匀整致密的Ti02薄膜，但随溅射工作气压变化，在一定的溅射时间内所

5、制备Ti02薄膜对亚甲基蓝溶液的降解率影响不大；氧气流量增加，易于形成符合化学计量比的二氧化钛薄膜，薄膜结构中氧空位减少，光催化能力提高。但氧气流量过高，沉积速率明显下降，在一定的溅射时间条件下，影响了其光催化性能。Ti02粒子在PET和PP基材表面集聚成核生长过程使薄膜生长整体显示出岛生长特征。随膜厚的增加，沉积纳米Ti02织物对亚甲基蓝溶液的光催化降解率增大。而当薄膜厚度增大到一定程度后再增大厚度，薄膜光催化降解率不会出现明显的增加趋势。同时，本文采用直流磁控溅射方法制备的表面沉积纳米Ti02涤纶

6、非织造织物在抗菌、抗紫外辐射、抗静电、光生亲水、吸附降解甲醛方面都体现出了良好的功能性。通过表面沉积纳米Ti02丙纶纤维轴向拉伸分析可知，纳米Ti02薄膜质量和薄膜与纤维界面结合性能是影响表面沉积纳米Ti02纤维材料功能可靠性的主要因素，摘要尤以界面结合性能最为关键。因此，合理调控磁控溅射工艺参数，优化Ti02薄膜结．构，提高薄膜质量，减小薄膜内应力对薄膜机械性能以及膜基结合性能的影响，是提高表面沉积纳米Ti02功能纺织材料可靠性的首要途径。同时，采用低温离子处理技术对纤维材料表面进行预处理，改善纳米

7、Ti02的生长环境；以及通过调控溅射工艺，在纤维和Ti02薄膜之间合理设置由Ti金属渐变至Ti02薄膜的Ti氧化物界面过渡层，改善薄膜内应力以及纤维基材与纳米结构薄膜之间的界面结合性能，是提高表面沉积纳米Ti02纤维材料功能可靠性的有效方法。关键词：纳米二氧化钛；磁控溅射；纺织材料；功能化UAbstractTitaniumdioxide(Ti02)nanoparticlespossesstheuniquephotocatalitic，opto-electrical，bactericidalandult

8、ra-violet(UⅥabsorptionproperties，whichcommonTi02materialsdon’thave,duetoquantumeffect，surfaceeffectandquantumtunnelingeffect．Ithasavarietyofpotentialapplicationsinenvironmental，biomedicine，electronic，construction,packing,and‘othe