以 ZnO 及偶聯劑對聚酯織物進行多功能性加工之研究
謝松煌a*、林政豪a、施承良a、賴碩彬b、姚舒璇b、楊雅蓉b
a崑山科技大學 高分子材料系
b新化高工 化工科 E-mail: [email protected]
ABSTRACT: Polyester fabrics were treated with alkaline followed by the processing in different ratios of zinc oxide (ZnO) to coupling agent at different
temperatures. The textiles were then subject to the analysis of Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR), energy dispersive spectrometry (EDS), the observation under a scanning electronic microscopy (SEM), thermal gravity analysis (TGA) and the tests for anti-bacterial and anti-UV properties, and tensile strength and softness. Experimental results indicated that ZnO and the coupling agent were linked to the surface of the polyester fabrics after alkaline and heat treatments. The thermal decomposition
temperature of the processed textiles was not affected; the anti-bacterial and anti-UV properties however were improved. After alkaline treatment, tensile strength was significantly decreased but softness was increased gradually along with the reduction of the ratio to coupling agent.
Keywords: zinc oxide , coupling agent , polyester fabrics , alkaline treatments.
摘要：本研究是以聚酯織物經鹼處後，再以不同濃度對 應比例之 ZnO、偶聯劑及不同溫度進行熱處加工，並進 行加工織物之紅外線光譜分析(FT-IR)、能量分散光譜分 析(EDS)、電子顯微鏡(SEM)觀察、熱差重力分析(TGA) 及抗菌性、抗紫外線、強伸度、柔軟度等之檢測，經由 實驗結果得知：聚酯織物經鹼處並進行熱處加工時，ZnO 及偶聯劑有結合到聚酯織物表面，加工織物之熱裂解溫 度並無多大的影響；加工聚酯織物之抗菌性皆有些許提 升；加工織物在抗紫外線上，皆有提升效果；聚酯織物 經鹼處後，在強伸度皆明顯下降，但柔軟性有提升並隨 偶聯劑對應比的減少有逐漸增加。
關鍵詞：氧化鋅、偶聯劑、聚酯織物、鹼處理 前言
由 於 地 球 上 人 口 不 斷 增 加，纖 維 原 料 用 量 亦 隨 之 增 加，但 天 然 纖 維 增 幅 有 限，因 此 認 為 合 纖 中 聚 酯 纖 維 益 形 重 要 [ 1，2 ]。聚 酯 纖 維 是 一 種 具 有 一 系 列 優 良 性 能 的 穿 著 衣 料，除 廣 泛 大 量 應 用 於 紡 織 產 業 外，也 常 被 用 於 工 業 或 傢 飾 類 材 料 ， 但 其 結 晶 性 高 ， 吸 濕 性 不 佳 ， 且 一 般 的 機 能 性 加 工 、 耐 用 性 皆 不 良 好 [ 5 ] 。 聚 酯 纖 維 的 減 量 加 工，是 將 其 纖 維 表 面 用 濃 厚 的 鹼 來 進 行 加 水 分 解，溶 蝕 後 使 纖 維 本 來 具 有 的 剛 直 性 消 失，此 種 加 工 賦 予 了 纖 維 摺 綴 性 ( D ra p e ) 之 柔 軟 感，也 就 是 賦 予 了 聚 酯 纖 維 蠶 絲 般 的 柔 軟 度 加 工 [3 - 4 ， 10 - 1 3 ] 。
現 代 的 都 市 空 氣 中 有 許 多 微 生 物 ， 如 細 菌、黴 菌 等 等，因 此 抗 菌 織 物 已 被 國 人 在 衛 生 保 健 觀 念 逐 漸 重 視 [ 5 ] 。 所 以 隨 著 工 業 科 技 之 發 展 與 生 活 品 質 之 提 升，研 發 具 有 抗 菌 防 臭 、 抑 制 細 菌 繁 殖、防 紫 外 線 等 綠 色 功 能 的 紡 織 品 為 一 個 重 要 的 研 究 方 向 [ 8] 。
在 奈 米 T iO2、Z n O 及 二 氧 化 矽 皆 為 多 功 能 性 的 無 機 材 料 ， 近 年 來 許 多 研 究 發 現 它 在 電 學 、 磁 學 、 光 學 及 力 學 中 可 展 現 許 多 特 殊 性 能。例 如 在 光 學 性 能 之 應 用 有 脫 味 除 臭、抗 菌 製 品 及 生 物 新 製 品 等。可 有 效 應 用 於 陶 瓷、化 工 、 電 子 、 光 學 、 生 物 、 醫 學 等 許 多 重 要 領 域 [ 7 ] 。
學 者 林 念 芝 、 王 權 泉 等 使 用 奈 米 級 T iO2
與 銀 粒 子 複 合 光 觸 媒 對 聚 酯 織 物 進 行 後 處 理 加 工 之 研 究 [ 5，9 ]。奈 米 級 無 機 材 料 Z n O 具 有 優 異 的 抗 菌 和 抗 紫 外 線 性 能 [ 6] ， 文獻中並無學 者使用 ZnO 及偶聯劑對聚酯織物的加工研究，故本研究 以奈米級 ZnO 及偶聯劑對聚酯織物進行熱處加工，以期 達到柔軟性、抗菌、抗紫外線等多功能之目標。
實驗 1.聚酯織物鹼化處理：
a.以 6％NaOH 在 90℃處理 60min，液比 1：20。
b.水洗並以 1％Na2SO4進行酸中和，然後水洗、烘乾（80
℃×30min）
2.加工溶液之製備：
a.偶聯劑溶液之製備：以 4、3、2、1、0 等份比例之 偶聯劑，最高濃度為 6%，液比 1：10，調製偶聯劑溶 液。
b.ZnO 溶液之製備：以 0、1、2、3、4 等份比例之 ZnO，
最高濃度為 6%，液比 1：10，調製 ZnO 溶液。
3.聚酯織物之二段式加工步驟：
a.經鹼處理之聚酯織物，先在上述等份比例之偶聯劑 溶液浸漬 30min，在壓吸機以二進二出壓吸，再經熱 處機以 120℃熱處 2min。
b.第二階段再以 ZnO 溶液浸漬 30min，其 ZnO、偶聯劑 不同對應比例為 0/4、1/3、2/2、3/1、4/0，在壓吸 機以二進二出壓吸，再經熱處機以 120℃熱處 2min，
然後水洗烘乾，以備檢測。
4.不同熱處溫度之加工：
以 2/2 對應比例加工劑處理，經 100℃、110℃、120
℃、130℃之不同溫度下熱處 2min。
5.物性檢測：加工織物進行 F T- I R 、 E D S 、 S E M 、 T G A、 抗 菌 、 抗 紫 外 線 、 拉力試驗、 柔 軟 度 等 測 定 。
結果與討論 1 . F T - I R 分 析
由圖 1 所示，在 1710 ㎝-1處為-CO-之振動，1253
㎝-1為-C-O-C-之振動，1100 ㎝-1為 COH 之震動，725 ㎝
-1為芳香環之振動處，其不同對應比之 ZnO、偶聯劑熱處 之加工物都有雷同之 IR 圖，顯示加工劑未與聚酯織物 結合，即偶聯劑未與聚酯織物產生化學反應；圖 2 所示 不同熱處溫度處理亦同。雖加工劑未與聚酯纖維產生化 學反應，但由下述 EDS 分析及一些物性表現，加工劑是
有與聚酯織物結合。
2.EDS 分析
由表 1 所示，聚酯織物經二段式加工後 C 元素含量 增加，存在有 Si 元素及 Zn 元素，Si 元素是偶聯劑上之 一種元素，且 Zn 元素是 ZnO 上的元素之一，顯示偶聯 劑及 ZnO 都有結合到聚酯加工織物上。隨著加工織物洗 濯次數之增加，C 元素含量及 Zn 元素隨之下降，顯示偶 聯劑及 ZnO 有被洗除，洗 15 次時 Zn 元素尚多，洗 20 次時才大量減少，顯示其耐洗濯性尚可。
3.T G A 分 析
由圖 3 所示，原胚聚酯織物之熱裂解溫度為 399.81
℃，在 ZnO、偶聯劑對應比例不同下，以 0/4 之熱裂解 最高其他無變化。聚酯纖維之耐熱性極高，在熱處加工 時，H 元素會裂解，其裂解溫度理應下降，但因偶聯劑 與纖維間之結合，多少抵銷部份熱裂解。圖 4 所示，隨 熱處之溫度之增加，其熱裂解溫度無多大變化。但隨溫 度之增加其熱裂解溫度有少許下降，因為熱處使 H 元素 裂解之故。
4.S E M 分 析
圖 5(A)為原胚聚酯織物之表面構造，表面平滑無 加工劑，圖 5(B)為經鹼處後再經 ZnO、偶聯劑採二段式 熱處加工之表面構造，可看出聚酯織物表面有較多之結 合加工液，當聚酯織物第一階段以偶聯劑加工時，偶聯 劑便會由矽烷處水解而形成氫氧基(-OH)，可與聚酯纖 維產生氫鍵及凡德瓦爾力結合，在第二階段 ZnO 溶液熱 處加工時可與已水解之偶聯劑結合，同時 ZnO 尚可直接 與聚酯纖維產生氫鍵結合，如此 ZnO 才可達到最佳結合 狀態，如採 ZnO/偶聯劑混合加工液，則 ZnO 先與己水解 之偶聯劑結合，如此可能造成 ZnO 無法全面與聚酯纖維 結合，影響其加工後之物性效果；圖 5(C)為二段加工後 洗滌 20 次後之表面結構，由圖中可看出洗滌 20 次後織 物表面依然還有加工液的存在，由此可知有不錯的水洗 堅牢度效果。
5.抗 菌 分 析
由表 2 所示，聚酯織物本身具有一定的抑菌及殺 菌效果，經加工處理後之聚酯織物在抑菌及殺菌效果只 有些許提升。聚酯纖維在紡絲時即加有 TiO2消艷劑，本 身就具有一定的抗菌效果，加工後 ZnO 有少量附著在聚 酯纖維上，增加其抗菌性。而隨 ZnO 比例之增加有略增 之趨勢，顯示 ZnO 有抗菌效果。
6.抗 紫 外 線 分 析
由表 3 所示，除 0/4 之對應比例外其餘比例之抗 紫外線指數皆比原胚聚酯織物高。在 0/4 比例因為沒有 ZnO；故抗紫外線差，比原胚聚酯織物還差，可見偶聯 劑不具抗菌性；而其餘對應比例皆含有 ZnO，可增強抗 紫外線，故得知奈米 ZnO 對抗紫外線指數有不錯效果。
2/2 對應比例之抗紫外線達到「好」等級，而其他對應 比例皆達「非常好」等級，而且沒有隨 ZnO 比例而變化，
故 2/2 比例較低等級之抗紫外線指數，可能加工織物處 理的不均勻所致。
7.抗 拉 強 度 之 分 析
由表 4 所示，經加工處理過後的聚酯織物的強力 及伸度皆為下降，因為聚酯織物在經鹼處過後，纖維表 面受鹼而溶蝕，其強伸度皆有明顯的受鹼影響而下降；
雖然 ZnO 及偶聯劑與聚酯織物有結合作用，但對強伸度 無大幫助。隨 ZnO、偶聯劑對應比例無多大關係；而熱 處 100℃時偶聯劑與聚酯織物之交鏈欠佳，其餘熱處溫 度都有提升強伸度，110℃及 130℃強度值或有誤差存
在，但因受鹼化處理，故皆比原胚低。
8.柔 軟 度 分 析
由表 4 得知，經處理過後的聚酯織物的柔軟性幾 乎都增加，除了 ZnO、偶聯劑對應比 0/4 的柔軟性變差 外；因為偶聯劑與聚酯織物產生交鏈結合，使聚酯織物 具有硬質感，聚酯織物隨著偶聯劑比例的減少柔軟性逐 漸增加；另外，經鹼處理後聚酯織物有減量之效果，使 柔軟性增加。隨熱處溫度之增加，柔軟度無多大變化，
但 120℃時，有較差之柔軟性，可能在熱處溫度 120℃
時，偶聯劑與聚酯織物之間有較佳之結合。
結論
1.由 EDS 分析得知加工後的聚酯織物表面有 ZnO 及偶 聯劑結合其上。
2.聚酯織物隨著不同對應比之加工劑及不同熱處溫度下 加工，對熱裂解的影響並不大。
3.聚酯織物本身具有一定的抑菌及殺菌效果，經加工後 的織物在抑菌及殺菌效果只有些許提升。
4.聚酯織物經 ZnO 及偶聯劑加工後皆有助於抗紫外線的 提升。
5.聚酯織物經鹼處後，其強伸度皆會下降，並使聚酯織 物之柔軟性增加。
6.聚酯織物隨著偶聯劑比例的減少柔軟性逐漸增加。
參考文獻
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表 1：聚酯織物經 ZnO 及偶聯劑以二段式加工處理之 EDS 關係
項目 Elem ent
C N O Si Zn
Wt％ 55.63 3.37 37.36 0.13 --
原 胚 聚 酯 織物
At％ 63.24 3.28 31.88 0.06 --
Wt％ 43.43 2.42 18.27 1.81 33.65
ZnO 及 偶 聯 劑 (2/2 ) 加 工 織 物
At％ 65.44 3.13 20.66 1.17 9.32
Wt％ 33.03 4.60 15.78 0.75 22.52
加 工 織 物 洗 濯
15 次 At％ 54.05 6.45 19.38 0.52 6.77
Wt％ 21.79 1.24 30.20 19.17 0.80
加 工 織 物 洗 濯
20 次 At％ 34.40 1.68 35.80 12.94 0.23
表 2：聚酯織物經 ZnO 及偶聯劑以二段式加工處理其與 抗菌性之關係
ZnO 、 偶 聯劑對應 比
Ma Mb Mc 細菌成 長活性
質
抑菌 值
殺菌 值
白棉布 1.5 E+4
1.4 E+7
- - 3.0 - - - - 原胚聚酯
織物
- - - - 4.0E+1 - - 5.6 2.6 0/4 - - - - <2.0
E+1
- - 5.7 2.9 1/3 - - - - <2.0
E+1
- - 5.7 2.9 2/2 - - - - <2.0
E+1
- - 5.7 2.9 3/1 - - - - <2.0
E+1
- - 5.9 2.9 4/0 - - - - <2.0
E+1
- - 5.9 2.9
表 3：聚酯織物經 ZnO 及偶聯劑以二段式加工處理其 與抗紫外線之關係
紫外線穿透率(％) ZnO 、 偶 聯
劑對應比 UVB 平均值 UVA 平均值
抗紫外線指數 (UPF) 原胚聚酯
織物
3.3 16.1 19(好)
0/4 4.1 17.6 15(好)
1/3 2.1 11.0 30(非常好)
2/2 3.0 13.3 23(好)
3/1 2.0 11.0 30(非常好)
4/0 2.0 12.0 29(非常好)
表 4：聚酯織物經 ZnO 及偶聯劑以二段式加工處理 其與物性之關係
加工條件 抗拉強度
(Kgf/mm2)
伸長率 (%)
柔軟度 (mm) 原胚聚酯
織物
23.3 8.70 55.00 0/4 16.7 6.24 58.80 1/3 16.3 5.02 44.75 2/2 16.5 4.87 45.67 3/1 16.7 5.54 39.75 ZnO、
偶聯 劑對 應比
4/0 16.0 5.43 37.80 100 15.7 4.97 43.20 110 18.3 5.76 38.40 120 16.5 4.87 45.67 熱處
溫度 (℃)
130 18.0 5.31 42.50
圖 1：聚酯織物以不同濃度比例之 ZnO、偶聯劑加工液 以二段式加工處理之 IR 圖
(A：原胚布，B：0/4，C：1/3，D：2/2，E：3/1，F：
4/0)
圖 2：聚酯織物經不同溫度熱處(ZnO2及偶聯劑對應比 2/2)之 IR 圖
(A：原胚布，B：100℃，C：110℃，D：120℃，E：130
℃)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.00
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75
F
E D
C B
A
Weight(mg)
Temperature (OC)
A:onset X=399.81oC B:onset X=403.02oC C:onset X=398.90oC D:onset X=398.90oC E:onset X=398.97oC F:onset X=398.94oC
圖 3：聚酯織物以不同濃度比例之 ZnO、偶聯劑加工液 以二段式加工處理熱處之 TGA 圖
(A：原胚布，B：0/4，C：1/3，D：2/2，E：3/1，F：
4/0)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75
C
D B E A
Weight(mg)
Temperature (OC)
A:onset X=399.81oC B:onset X=395.37oC C:onset X=397.52oC D:onset X=393.73oC E:onset X=399.59oC
圖 4：聚酯織物經不同溫度熱處(ZnO 及偶聯劑對應比 2/2) 之 TGA 圖
(A：原胚布，B：100℃，C：110℃，D：120℃，E：130
℃)
圖 5：聚酯織物之 SEM 圖(1000 倍)
(A：原胚聚酯織物，B：經 ZnO、偶聯劑二段加工之聚酯 織物，C：經洗濯 20 次之聚酯加工織物)
