以奈米級 TiO
2和幾丁聚醣對棉織物進行多功能性加工之研究
謝松煌 黃煥倫 陳志超崑山科技大學 高分子材料系 摘要
本研究以不同濃度比之 TiO2和幾丁聚醣加工液對棉 織物進行熱處理，同時進行紅外線光譜分析（FT-IR）、
熱重量損失之分析（TGA）、電子顯微鏡（SEM）觀察、並 進行抗菌性、抗紫外線、強伸度、柔軟度、乾濕抗皺角 之測定，觀察其物理性質的變化，經實驗得知：棉纖維 與 TiO2/Chitosan 及檸檬酸所形成之加工液只有些許結 合 ， 受 熱 處 之 影 響 其 受 熱 裂 解 之 溫 度 降 低 ； 奈 米 TiO2/Chitosan 之加工液對棉織物之抑菌效果隨 TiO2濃 度之增加而增加。其抗紫外線指數皆比空白棉織物的抗 紫外線指數高，但屬於差級；濕抗皺角隨熱處溫度的升 高而愈小；在不同濃度比之 TiO2/Chitosan 中隨 Chitosan 的減少，無論乾濕抗皺角皆有逐漸增加之勢。其強度隨 熱處溫度之增加而緩降，TiO2濃度之增加，強力有增加 之趨勢，但伸度皆比空白棉織物高；隨著熱處溫度之增 加，柔軟度較差，隨 TiO2濃度之增加，柔軟度隨之愈佳。
關鍵字：棉織物、幾丁聚醣、奈米級TiO2、抗菌性 一、前言棉為目前最被大眾喜愛的纖維之一，因此人們對它 的功能性要求日益增加，但它的硬挺性不足且有易縮、
易皺的特性〔1〕。二氧化鈦光觸媒是新興的綠色環保產 品，其未來發展將爲人類社會創造出更舒適、清淨、高 品值的生活環境，因為二氧化鈦的光觸媒的分解有機物 與超親水性的性質，所以具有抗菌、防污、除霧、脫臭、
淨水、抗癌等六大功能〔2〕。
幾丁質是廣泛存在於自然界的一種含氮多醣類生物 性高分子〔3〕。幾丁聚醣為陽離子型高分子，具有抗菌 的效果，添加於纖維具有抗菌作用〔4〕，幾丁聚醣是由 一種葡萄糖胺所聚合而成的多醣類，可以經由幾丁質的 去乙醯化而獲得，是一種白色帶淡黃色的粉末狀固體，
其用途包括：醫療保健、食品加工、農業、化工、廢水 處理、紡織工業及生化工業等〔5〕。由於幾丁聚醣添加 奈米級 TiO2對棉織物進行多功能性加工鮮少有學者研 究，因此本實驗擬以奈米級 TiO2和幾丁聚醣與檸檬酸調 配好的加工液對棉織物進行加工，並以不同加工條件來 進行多功能性加工之研究。
二、實驗方法 2-1 材料與藥品：
1.棉織物(已經精練漂白)，規格為 112×72／421S×451S 2.幾丁聚醣(Chitosan；去乙醯度 95％；東京化成工業株 3.檸檬酸(Citric acid；CA；試藥；島久藥品株式會社，式會社) 4.醋酸(Acetic acid；試藥；島久藥品株式會社，日本)日本) 5.氫氧化鈉(Sodium Hydrogen；試藥；日本試藥株式會
社，日本)
6.次磷酸鈉(Sodium Hypophosphite； SHP；NaH2PO2．
H20；試藥；島久藥品株式會社，日本) 7.乙醇(Ethanol；試藥；台灣菸酒公賣局)
8.奈米級 TiO2（30％；深圳市納諾科技發展有限公司，
中國）
2-2 儀器設備
1.電子天秤（FA2000）
2.壓吸機（瑞比股份有限公司）
3.熱處機（瑞比股份有限公司）
4.烘箱5.加熱攪拌器 6.pH 計
7.孟山都皺紋回復試驗機（TINSHING）
8.電腦伺服控制試驗機（HT9102，弘達儀器股份有限公 司）
9.色差計（Nippon ND300A）
10.45 度懸衍試驗儀（INTECO，符合 JIS 規格，水平台傾 斜角度 45˚）
11.洗衣機（SYMBOL ES-951 SBF，TAIWAN）
12.紅外線光譜分析儀（FT-IR，Bio-Red Digilab FTS-40）
13.電子顯微鏡（SEM，Joel 5610）
14.重量損失分析儀（TGA，DuPont 2200）
2-3 實驗步驟 1.加工液的製備：
（1）將幾丁聚醣(1%)以 3%醋酸溶解。
（2）以 2%之檸檬酸(CA)溶於 30%之乙醇及 70%水之混合 液，並添加 2.1%之次磷酸鈉(SHP:CA 摩爾比為 1:1) 攪拌之。
（3）將上述溶解之幾丁聚醣先與奈米 TiO2 混合，再與 檸檬酸溶液混合攪拌使成加工液(浴比 20:1)。奈米 TiO2 與幾丁聚醣濃度比為 0/4、1/3、2/2、3/1、4/0。
2.加工程序：
棉織物(已經精練漂白處理)→ 加工液壓吸 → 預 處(70℃，5min) → 熱處反應(155℃，2min) → 水洗 (5min) → 鹼處(0.1M NaOH，2min) → 水洗→ 烘乾(75
℃，5min)。
熱處溫度：70℃（預處）、140℃、155℃ 、170℃。
2-4 物性檢測
1、傅立葉光譜分析儀（FT-IR）測定：
使用配備有 Microscope ATR 之傅立葉光譜分析儀
（Bio-Rad Digilab UMA400），對上述之加工物進行紅 外線光譜測定。
2、電子顯微鏡（SEM）觀察：
將上述以不同 TiO2和幾丁聚醣濃度、不同熱處溫度 加工之棉織物，以電子顯微鏡（SEM，joel5610）觀察 其表面型態。
3、熱重損失之分析（TGA）：
棉 織 物 之 熱 重 量 損 失 是 由 熱 重 量 分 析 儀
（Thermo-Gravity Analyzer，TGA，Dupont2200）進 測試條件：於 N2 氣下，測試溫度範圍為 20℃~600℃，行檢測。
升溫溫度 20℃/min。
4、抗菌試驗：
本抗 菌試 驗是 依照 日本纖 維製 品新 機能 協議會
（JAFET）之 JIS1902 法測試加工布對金黃色葡萄球菌 之抗菌效果，依照下列公式求出細菌成長活性值、抑 菌值及殺菌值。
細菌成長活性值（F）=logMb-logMa，當 F 值>1.5 時 表示實驗有效。抑菌值（S）=logMb-logMc﹔殺菌值
（L）=logMa-logMc
當 S 值>2.2 時表示有抑 菌效果；當 L 值>0 時表示 有殺菌效果。
Ma：未加工樣 0 小時立即沖刷後菌數 Mb：未加工樣 18-24 小時培養後菌數 Mc：加工樣 18-24 小時培養後菌數 5、抗紫外線實驗：
將 加 工 物 利 用 Labsphere UV Transmittance Analyzer（Appendix A-1996），依 AS/NIS 4399 進行 抗紫外線檢測。而其抗紫外線指數（UPF）評級如下：
抗紫外線指數範圍 抗紫外線等級
15-24 好
25-39 非常好
40-50，50+ 優良 6、抗皺性檢測：
採用試樣加壓設備依 ASTM D1295-67 試驗法，以 孟山都皺紋回復試驗測定之。
試布規格：1.5cm*4.0cm。
a.乾抗皺回復角（D.W.R.A）：經緯向各測試 5 次，求 其平均值，再以經緯向回復角之和來表示﹝乾抗皺 角度（W+F）° ，W：Warp（經向）；F：Filling（緯 向）﹞。
b.濕抗皺回復角（W.W.R.A）：取加工布（1.5cm*4.0cm）
經緯向各 5 片，浸入 40℃含 0.2%碳酸鈉的水溶液 中，15 分鐘後用蒸餾水水洗，再以濾紙將過剩的水 吸盡，再依 Monsanto 法測定。
7、拉力試驗機測定：
採用電腦伺服拉力試驗機測定，依 CNS1418，L3023 毛織物檢驗法，試驗機型式為定速伸長型，試片為 5*20cm，經向 3 塊，拉伸速度為每分鐘夾距 50%或 100%
之拉伸速度，將加工物進行拉伸試驗。
8、柔軟度測定：
採用柔軟度測試器依 CNS1418，L3023 柔軟度試驗 法 45 度之 Cantilever 法，試片為 3cm*15cm，經向 5 塊，進行柔軟度測試，數值越小代表越柔軟。
三、結果與討論 3-1 加工物 FT-IR 分析
由紅外線光譜圖 1 所示，3305cm-1為-OH 之振動，
2897cm-1為 C-H 之振動處，1720cm-1為 C=O 之振動，1248cm-1 為-C-O-C-之振動處，1022cm-1為-COH 之振動。在不同
TiO2/Chitosan 濃度中，以 1/3 濃度在 3300cm-1處明顯有 較多之-NH2，與-OH 重疊；由圖 2 所示，在不同熱處溫度 中，預處 70℃時，在 1720 ㎝-1有較少之 C=O，顯示纖維 素之-OH 基未與檸檬酸之-COOH 形成酯基，而熱處溫度在 140℃時即有酯基反應。
3-2 電子顯微鏡觀察：
由圖 3 所示，在不同 TiO2/Chitosan 濃度中，以 155℃
為熱處溫度，在棉纖維表面未見任何 TiO2或 Chitosan 痕 跡，與空白棉胚布相似；顯示 TiO2或 Chitosan 未附著於 棉纖維上。
3-3 加工布之 TGA 分析
棉織物經檸檬酸（2%）與不同濃度之 TiO2/Chitosan 加工液與不同溫度熱處，其 TGA 圖如圖 4、圖 5 所示，由 圖可知，未加工棉織物約在 370℃時產生熱裂解，重量開 始下降，棉織物經加工後在約 340℃產生熱裂解效果，因 TiO2/Chitosan 與棉纖維交鏈少，熱影響小，而且加工物 在高溫熱處，使其裂解溫度提前。
3-4 抗菌分析
棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 處理，其結 果如表 1 所示，在 TiO2/Chitosan 依 0/4 、1/3、 2/2、
3/1、 4/0 比例增加，其抗菌性都有明顯之增加；而 0/4 抗菌性最差，4/0 最佳，顯示純二氧化鈦比純幾丁聚醣更 具有抗菌功能，幾丁聚醣因含有胺基，在酸性條件下帶 正電荷，使其具有降血脂及抗菌等活性；另外，奈米 TiO2
在日光照射下有強效之氧化作用(氧化自由基)會直接穿 透細菌之細胞膜,使細胞質流失，進而將細胞核氧化而有 效消滅細菌〔6〕，而之所以未達抗菌殺菌功能，因為 TiO2 包覆於 Chitosan 之內，在光線不足下不能發揮氧化功 效，另外，Chitosan 與棉纖維之結合性小，使得其結合 量少也是影響重要因素之一。由表 1 得知使用之空白棉 胚布因已經漂白具有局部抗菌性。
3-5 抗紫外線分析
棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 處理後，利 用 Labsphere UV Transmittance Analyzer(Appendix A-1996)，依 AS/NIS 4399 進行抗紫外線試驗，結果如表 2 得知，其抗紫外線指數皆比空白棉織物高，因為 TiO2 等金屬氧化物具有高的折射率〔7〕，在奈米尺寸下會更 容易反射紫外線〔8〕；而不同比例之 TiO2/Chitosan 之加 工液其抗紫外線指數都差不多，顯示 TiO2/Chitosan 加工 液進入纖維已達飽和量或無法再結合於纖維上，顯示其 抗紫外線皆差。
3-6 抗皺性之分析
由表 3 所示，乾抗皺角在不同熱處溫度中差別不大，
但在濕抗皺角中隨溫度的升高角度愈小，在不同濃度比 之 TiO2/Chitosan 中隨 Chitosan 的減少，無論乾濕，抗 皺角度有逐漸增加之勢；但都比空白棉胚布小，顯示添 加奈米級 TiO2及幾丁聚醣對棉織物之加工，無益於抗皺 性，因為其在高溫熱處，使其抗皺性降低。
3-7 抗拉強度與伸度之分析
棉織物經不同 TiO2/Chitosan 及不同溫度之加工液 熱處理，其加工物經電腦伺服拉力機檢測，結果如表 3 所示，TiO2/Chitosan 濃度及加工熱處溫度並無影響加工
物之強伸度，但強力皆比空白棉胚布小，伸度較大，因 加工熱處使強力降低。
3-8 柔軟度之分析
棉織物經 TiO2/Chitosan 之加工液熱處理，其加工物 依 CNS1481 L3023 柔軟度試驗法 45℃之 Cantilever 法測 定，其值越小，表示越柔軟。由表 3 得知，在熱處的過 程中，隨著熱處溫度越來越高柔軟度相對的也比較不 好。在 TiO2/Chitosan 的加工熱處理得知，隨 TiO2濃度 之增加，或 Chitosan 之降低，其柔軟性隨之愈佳。
四、結論棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液進行 熱處理，經實驗得下列結論：
1.紅外線光譜無論 TiO2濃度之變化，其光譜圖與空白棉 織物相似，顯示未發生任何交鏈反應或反應很少。
2.SEM 顯示 TiO2或 Chitosan 未附著於棉纖維上。
3.加工布經 TGA 分析可知，未加工棉織物，約在 370℃時 產生熱裂解，棉織物經加工後在 340℃產生熱裂解效 4.奈米 TiO果。 2/Chitosan 之加工液對棉織物之抑菌效果隨
TiO2濃度之增加而增加。
5.棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液處理，其 抗紫外線指數皆比空白棉織物高，但整體抗紫外線等 級屬差級。
6.乾抗皺角在不同熱處溫度中差別不大，但在濕抗皺角 中隨溫度的升高角度愈小，在不同濃度比之
TiO2/Chitosan 中隨 Chitosan 的減少，無論乾濕，抗 皺角度有逐漸增加之勢，但都比空白棉胚布小。
7.熱處溫度與 TiO2/Chitosan 濃度變化對加工物之強伸 度影響小，但強力皆比空白棉胚布差。
8.在熱處的過程中，隨著溫度越來越高柔軟度相對的也 比較不好，隨 TiO2濃度之增加，或 Chitosan 之降低，
其柔軟性隨之愈佳。
五、參考文獻
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8.郭正次、朝春光，奈米結構材料科學，金華科技圖書 公司，台北，第 2-3 頁（2004）
六、圖表
表 1：棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液熱處理其與抗菌性之關係 試驗項目
TiO2/Chitosan
Ma Mb Mc 細菌成長 活性質
抑菌值 殺菌值
白棉布 2.39 E+4
9.73 E+6
-- 2.16 -- --
control -- -- 4.49 E+3 -- <0.8 <0 0/4 -- -- 2.98 E+6 -- 0.51 <0 1/3 -- -- 1.64 E+6 -- 0.77 <0 2/2 -- -- 1.94 E+6 -- 0.70 <0
3/1 -- -- 7.65 E+5 -- 1.10 <0 4/0 -- -- 1.99 E+4 -- 2.69 0.08
註：植菌濃度為 1.19 E+5
表 2：棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液熱處理其與抗紫外線之關係 TiO2/chitosan 抗紫外線指數 抗紫外線等級
空白布 9 差
0/4 9 差
1/3 9 差
2/2 10 差
3/1 10 差
4/0 11 差
2/2（洗濯一次） 11 差
表 3：棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液及不同溫度熱處其與物性之關係 抗 皺 角
物性
項目
乾
〈W+F〉˚
濕
〈W+F〉˚
強力
﹙kgf/mm2﹚
伸度
﹙%﹚
柔軟度
﹙cm﹚
空白 276.4 269.2 62.22 10.25 5.22
0/4 240.2 187.4 58.74 11.06 6.20 1/3 242.0 211.8 59.94 11.55 6.42 2/2 239.8 222.0 56.38 10.90 5.18 3/1 255.8 229.6 58.94 11.99 5.10
T i O
2/ Ch it os an
濃度（％）4/0 261.0 264.6 60.06 11.75 4.62 70 259.8 236.0 65.25 10.54 5.18
140 251.6 269.2 58.99 11.16 5.74 155 259.4 245.0 58.22 10.62 5.82
熱處溫度（℃）
170 258.6 239.2 61.90 12.57 5.96
圖 1 棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液熱處理 之 IR 圖
（A：空白布, B：0/4, C：1/3, D：2/2, E：3/1, F：
4/0）
圖 2 棉織物經濃度比（2/2）之 TiO2/Chitosan 加工 液與不同溫度熱處之 IR 圖
（
A：空白布, B：70℃, C：140℃, D：155℃, E：170℃）A B
C D
圖 3﹒加工棉織布之 SEM 圖（2500 倍）
A：原胚棉織布
B：0/4（TiO2/Chitosan）
C：2/2（TiO2/Chitosan）
D：4/0（TiO2/Chitosan）
圖 4 棉織物經不同濃度比之 TiO2/Chitosan 加工液熱處理 之 TGA 圖
（A：空白布,B：0/4, C：1/3, D：2/2, E：3/1, F：4/0）
圖 5 棉織物經濃度比（2/2）之 TiO2/Chitosan 加 工液與不同溫度熱處之 TGA 圖
（A：空白布, B：70℃, C：140℃, D：155℃, E：170℃）
