TiO2在以溶凝胶热处之棉织物其光催化效应之研究(ThePhotocatalytic.docVIP

TiO2在以溶凝膠熱處之棉織物其光催化效應之研究 (The Photocatalytic Effect of TiO2 in the Sol-Gel Processing on Cotton Fabrics) 謝松煌、邱創鴻 一、前言 隨著工業科技之發展與生活水準的提高，人們對衣物的穿著性能提出了更高的要求，不僅要求美觀，而且要求多功能性，所以紡織工業技術的發展和紡織品趨向高附加價值化、環保化及多功能的方向發展，而且引導市場的主流產品。研發具有抗菌防臭、抑制細菌繁殖、抗紫外線等功能的紡織產品成為重要的發展方向[1-5]。目前奈米技術已應用於防紫外線、抗菌、抗靜電、防電磁波、遠紅外線、自潔性、撥水及撥油、吸濕排汗及阻燃等方面。而溶膠-凝膠技術製備無機氧化物奈米級溶膠整理織物是改善織物性能使之功能化的新途徑。 溶膠(sol）是指在液體介質中分散了1-100nm粒子(基本單元)的體系；凝膠(gel)是含有亞微米孔和聚合鏈之相互連接的堅實網狀物。溶膠－凝膠法是指金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理形成氧化物或其他固體化合物的方法[8]。這種凝膠中的膠粒聚集在一起形成網狀構造，膠粒間的相互作用力是靜電力(包含氫鍵)及凡得瓦爾力[9]。由於奈米溶膠易於進行化學或物理的改質，所以使用不同的奈米溶膠可以大幅度的改善織物之穿著性能，其使用價值會越來越高。目前，將溶膠-凝膠技術應用於紡織上的研究性報導極為少見，但是根據其基本原理，將其應用到紡織品上，製備功能性織物是具有可行性且很有意義的。 TiO2光觸媒經由紫外線照射，可因分解反應而使空氣或用俱具有防污、抗菌、除臭等功能，所以將TiO2導入纖維、織物或不織布等時，能藉由光催化作用，達到除臭、空氣淨化及去除揮發性有機物質，或是達到殺菌等功效，預期當光觸媒材料進入奈米級時，將可更有效的提升光分解的效應[2,11-12]；而可見光光觸媒在民生科技或其他科技上的應用發展更是未來的趨勢。 二氧化鈦為n型半導體[14]，本身無毒、化學穩定性高、價格低廉，結晶構造分正方晶系的金紅石(rutile)型、銳鈦礦(antase)型及板鈦礦(brookite)型，其中銳鈦礦(antase)型最常被應用於光催化反應上[15]。當光子(photon)照射於二氧化鈦觸媒表面且其能量(hν)大於或等於二氧化鈦觸媒之能隙值時，於光觸媒的導電帶(conduction band；CB)及價電帶(valence band；VB)分別產生電子與電洞對(electron- electron hole pair)。導電帶上的電子具有還原能力，可將吸附的溶氧分子還原產生O2-；同時價電帶的h+具有強的氧化能力，可以將吸附的水分子或OH-氧化成OH·自由基。陰極上的O2-在酸性溶液中容易進一步反應成H2O2或OH·。OH·一般被認為是光催化反應中的主要氧化劑，導致反應物的分解反應。 從利用太陽光的效率，二氧化鈦還存在以下缺陷：對光的吸收波長範圍狹窄，主要在紫外光(300~400nm)，太陽光的利用率低，透過金屬離子摻雜、光敏化、複合半導體等。近年有報告指出摻雜C[22~23]、N[24]、F[25]等有助可見光催化反應。Asahi等[24]認為N摻雜二氧化鈦後，N2P軌域能夠與O2P軌域結合，使材料能隙變小。表現出可見光催化活性；但摻雜離子濃度高於一定值時，反而會使電子-電洞增加結合機會使光催化活性降低[26]。以二氧化鈦當作光觸媒，利用紫外光光催化原理降解水中的污染物已被廣泛地研發及應用[27]，然而光觸媒的使用大多以粉末型態為主，即所謂懸浮處理系統，但其對於後續的處理卻有嚴重的限制。 棉織物之防皺抗菌加工除了使用DMDHEU(Dimethyloldihydroxyleneurea)之傳統方法[31~34]及近年來研究之多元羧酸[36~41]，及應用幾丁聚醣(Chitosan) [16，38]和超細粉體TiO2光觸媒對棉織物進行防皺、抗菌、抗紫外線之多功能加工外，鮮少有應用溶膠-凝膠法及奈米材料對棉織物進行可見光光觸媒功能之研究。本研究擬透過溶膠－凝膠技術將環氧基矽烷(GOTMS)與鈦酸丁酯(TTB)在適當的催化劑下發生水解及聚縮合反應，並摻雜奈米碳管(Carbon Nano Tube，CNT)製備成TiO2溶膠，然後對棉織物進行熱處加工，來探討摻雜CNT在可見光區域光催化效果，及在可見光區域其防污、抗菌、除臭等自潔性功能加工之可行性。 二、實驗 (1)研究方法: 棉織物精練處理→棉織物染色→溶凝膠製備二氧化鈦→CNT/TiO2溶凝膠製備→織物於溶凝膠之浸漬→織物於溶凝膠熱處→超音波振盪水洗烘乾→加工織物檢測（FT-IR、NMR、TGA、SEM、Raman、EDS等）→UV-vis光譜分析→光電流效應→抗菌檢測→加工