撥水撥油及多功能性毛織物加工之研究
NSC 95-2622-E168-013-CC3 謝松煌*、張智盛、陳雅雯 崑山科技大學 高分子材料系 E-mail: f1125146@mail.ksu.edu.tw
ABSTRACT:Wool fabrics were first processed in the gel solution of aluminum compounds and ethyl acetoacetone followed by the heat treatment in fluorides containing nano-graded titanium oxide (TiO2). The processed wool fabrics were then analyzed by Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR), energy dispersive spectrometry (EDS), the observation under a scanning electronic microscopy (SEM), thermal gravity analysis (TGA), and subject to the tests for contact angles, and anti-UV, anti-bacterial, waterproof, oil-proof and anti-shrinkage properties, and softness. Experimental results suggested that the waterproof and oil-proof finishing conferred a moderate waterproof but poor oil-proof property to the fabrics. Some finishing agents were links to the surface of the wool fabrics from EDS and SEM analysis. After the processing, the wool textiles possessed excellent anti-UV property, which became better following the rise of TiO2
concentration. Nevertheless, the processed fabrics were lack of anti-bacterial property and its softness became poorer with higher rigidity. The area shrinkage of the wool fabrics was decreased due to the addition of zinc, giving a better anti-shrinkage property. The waterproof property would be decreased with a higher number of washing, but water washability was passable.
Keywords: Wool fabrics , contact angles , water(oil)-proof, energy dispersive spectrometry .
摘要：本研究是以鋁化合物與乙基乙醯丙酮(EAc)之混 合溶膠預先對毛織物進行預處理，再以含奈米級 TiO2
之氟化物(AG-7670)進行熱處理，然後對加工毛織物進 行紅外線光譜分析(FT-IR)、能量分散光譜儀分析 (EDS)、電子顯微鏡觀察(SEM)、熱差重力分析(TGA)，
並進行接觸角、抗紫外線、抗菌、撥水撥油、防縮、柔 軟度等檢測，經由實驗結果得知：毛織物經過撥水撥油 處理後，撥水性尚可，但缺乏撥油性，經過 EDS 分析 及 SEM 觀察結果，有加工藥劑結合在織物上，毛織物 加工處理後有優良之抗紫外線效果，隨 TiO2濃度增加其 效果更佳，但缺乏抗菌性，加工後會使柔軟度變差，使 之變硬，而毛織物的面積縮率會因為藥劑鋁的加入而使 縮率降低，防縮性會較好，隨洗滌次數之增加會使其撥 水性下降，但耐洗濯牢度尚可。
關鍵詞：毛織物、接觸角、撥水撥油性、能量分散光 譜儀分析
前言
隨著人類生活水準的提高，功能性紡織品得到了 人們越來越多的青睞，如抗菌、抗紫外線、遠紅外線、
抗靜電、吸濕排汗及阻燃等，其中具有防水、防油、防 污等自潔性功能的紡織品，由於其良好的耐污染性而成 為主要的發展方向[1]。毛織物之防縮抗菌加工除了傳統 方法及應用幾丁聚醣代替合成樹脂而使用在毛織物之 防縮抗菌加工[2-3,9-14]，及應用光觸媒對毛織物進行防
污抗菌、抗紫外線之多功能加工外[4]，毛織品之撥水、
撥油性亦颇為重要，而且此親水性織物之撥水撥油性加 工難度頗高。撥水撥油處理就是在織物表面施加一層整 理劑，使纖維的表面張力低於油的表面張力，水的表面 張力大於油的表面張力，織物獲得撥油性後自然也就有 撥水性能[5-8]。
學者 Barthlott 和 Neinhuis[15-16]於研究報告中指 出，欲藉水滴之滾落而去除平坦表面之污物時，則必須 具有高度之接觸角，主要原因是藉著降低物體之表面張 力和增加其表面粗糙度兩者組合形成[17-18]，過去有多 位學者[19-21]將有機氧化合物與含氟之有機矽氧烷前 驅物混合，然後對固體物進行表面之塗附等，藉此可達 成上述之特殊構造而使水滴之接觸角達到 165 度左右。
目前在固體物之撥水撥油防污加工上，僅利用藥劑 塗附於固體表面，利用藥劑之特性而使固體具有撥水撥 油之功能，其接觸角皆僅達到 100-115 度，致無法顯出 極佳的雙疏功能。
綜觀上述之研究發現，有關毛織物以混合溶膠及 奈米材料進行多功能性之研究，鮮少有學者提及；故本 研究擬以有機鋁化合物(Al(OR)3)與乙基乙醯丙酮(Ethyl Acetoacetate，以 EAc 表示)之混合溶膠預先對毛織物進 行預處理，再以含有奈米級 TiO2之氟碳化物進行浸漬、
壓吸、預乾及熱處，以期具備撥水、撥油、抗菌、抗紫 外線、及防縮之多功能性，藉此探討毛織物以奈米材料 及奈米技術進行後整理加工之可行性。
實驗 1.毛織物以 NaOH 精練處裡：
毛織物以 NaOH(0.2%)在 50℃，浴比 1：30，處理 60min，進行水洗(50℃，60min)，然後烘乾(80℃，
30min)。
2.混合溶膠之製備：
a.Al(OR)3之製備：取適量的 Al(O．CH(CH3)2)3，和 10%的 IPA 攪拌 30min，浴比 1：15，最高濃度 10%。
b.以 1/5，2/4，3/3，4/2，5/1 比例之 Al(OR)3/EAc 配 製成混合溶膠，攪拌 30min。
3.混合溶膠的預處：
a.將毛織物浸入上述混合溶膠 12min 後，再將試布浸 於 60℃之熱水 10min。
b.將試布取出於烘箱 60℃，烘乾 2 小時，以備下面實 驗作用。
4.奈米材與加工劑之配置：
a.以奈米級 5%的 TiO2與 0.15% 的 AG-7670 與架橋劑 (Faragent FC)15g/l，以蒸餾水攪拌 30min。
b.以超音波震盪器震盪 60min，使分散均勻。
5.毛織物之壓吸熱處：
a.將烘乾之毛織物浸於上述 TiO2分散液 30min。
b.採二進二壓方式進行不同溫度(140℃、150℃、
160℃、170℃ 之熱處 2min，之後水洗烘乾，以備檢)
測。
6.物性測定：加工毛織物進行 FT-IR、EDS、SEM 、TGA、
接觸角、抗菌、抗紫外線、撥水撥油性、柔軟度、收 縮率、耐水洗堅牢度等檢測。
結果與討論 1.紅外線光譜分析(IR)
圖 1 及圖 2 為毛織物經所有階段處理過之 IR 圖，
由圖可發現在 1640cm-1有 C=O 之吸收峰，此為毛纖維 醯氨基之 C=O 吸收峰，1530cm-1處為醯氨基之-NH 吸 收峰。而在 1460cm-1處為-CH2及-CH3吸收峰，此為形 成複合體中所有，而在原胚毛織物沒有此吸收峰。在 1240 cm-1為 C-F 之吸收峰，1060cm-1處為所形成複合體 之 C-O-吸收峰，由此可証明 EAc 與 Al(OR)3在反應過程 中會形成複合體後再聚縮合產生氧化鋁[22]，同時在經 過氟化物處理後，確實與纖維發生微弱之結合。由圖 1 得知，隨 Al(OR)3增加，1460 cm-1吸收峰有增強之勢，
到 3/3 比例時最強，即形成最多之複合體；由圖 2 得知，
隨熱處溫度之增加，1460cm-1吸收峰隨之愈強，到 170℃
時有最大之吸收峰。
2.能量分散光譜分析((EDS)
由表 1 所示，在 Al(OR)3/EAc 濃度比例為 3/3 之加 工毛織物及加工物洗濯 15 次、20 次之 F 元素含量非常 微小，表示含氟化物之加工劑與毛纖維結合非常少；而 加工毛織物(3/3)之 Ti 元素含量很高，表示 TiO2之加入 可能阻礙 EAc 與 Al(OR)3反應所形成之複合體及架橋劑 與毛纖維間之結合，反而使 TiO2及架橋劑與毛纖維間之 結合機會較大，影響加工毛織物之撥水(油)性。而隨加 工物洗濯次數之增加，Ti 元素漸減，但洗濯 20 次尚有 相當多之 Ti 元素，表示其耐洗濯性佳，這可能有利於加 工毛織物之抗菌性及抗紫外線。
3.電子顯微鏡分析(SEM)
圖 3 為各種加工布之 SEM 圖，圖 3A 是原胚，其 表面有毛鳞，圖 3B 是經 Al(OR)3/EAc 第一階段處理過 之加工布，其表面略顯粗糙而且附著鋁複合物，圖 3C 為經全階段加工並經 20 次洗濯後之 SEM 圖，顯示纖維 表面被加工藥劑附著，而此加工劑為 TiO2及架橋劑與毛 纖維所結合，而且有不錯之水洗堅牢度。
4.熱差重力分析(TGA)
由圖 4 所示，原胚毛織物之裂解溫度為 262℃，而 經全階段加工之毛織物幾乎都比原胚高，而且隨 Al(OR)3之比例而增加，可見其形成之複合體，可提高 加工織物之熱裂解溫度。由圖 5 所示，隨熱處溫度之增 加，加工物之熱裂解溫度似乎無多大變化，隨熱處溫度 之增加，理應有較低之熱裂解溫度，因為 Al(OR)3與 EAc 形成之複合體有利於熱裂解，因而抵銷了熱處溫度之影 響。
5.撥水撥油性分析
由表 2 得知，原胚之對水接觸角為 112°，隨 Al(OR)3
比例之增加，其接觸角有愈小之趨勢，當 Al(OR)3含量 愈多時，其與 EAc 在織物上形成之複合體就愈多，而使 其再聚縮合產生之氧化鋁沉積在毛織物表面上之量就 愈多，而第二階段氟化合物處理時其固著在毛織物上之 氟量就較少，因此使其撥水接觸角較低，而以 3/3 及 4/2 比例時接觸角達到最小，此亦可由圖 1 之 1460cm-1 處 在 3/3 時最強得證。而其撥油接觸角皆無法測，因加工 織物之氟化合物為親油性，與所用之矽油為相容性，故 無撥油效果。由表 3 得知，不管 Al(OR)3與 EAc 濃度如
何變化，其撥水性都差不多，此為中等結果，此亦與前 述 Al(OR)3與 EAc 所形成之複合體與含氟化物對毛纖維 之結合量少有關。而撥油性則無，此與上述接觸角分析 得證。
6.抗菌分析
由表 4 所示，不論 Al(OR)3/EAc 濃度比例如何，其 完全階段加工布皆不具抗菌、殺菌效果，毛織物本身為 吸濕性之蛋白質纖維，對抗菌性差，雖經氟化合物及 TiO2處理，其結合在織物上之氟元素及鈦元素不足於抗 菌，尤其嵌入之奈米級 TiO2因為被遮蔽，不易受紫外線 照射發揮抗菌效果。
7.抗紫外線分析
由表 5 所示，原胚毛織物之抗紫外線指數為 83，
經不同 Al(OR)3/EAc 濃度比例完全階段加工布之抗紫外 線皆比原胚布佳，都達優良等級，而且隨 Al(OR)3比例 之增加有增加之勢，以 3/3 比例最佳，Al(OR)3比例增加 時，其與 EAc 在織物上形成複合體就愈多，而使其再聚 縮合產生之氧化鋁沉積在毛織物表面上之量就愈多，而 第二階段氟化合物處理時其固著在織物上之氟量就較 少，理當有較差之抗紫外線，但第二階段加工所嵌入之 TiO2反而有較佳之抗紫外線，因為 TiO2等金屬氧化物 具有高折射率，抗紫外線佳。
8.物性分析
由表 6 所示，經不同 Al(OR)3/EAc 比例加工之加 工布其柔軟性都比原胚毛織物差，因加工物表面覆蓋之 複合體氟化合物粗糙，不具柔軟性，尤其以 3/3 比例最 差，因 3/3 比例形成複合體最多。而隨熱處溫度之增加，
其柔軟性比原胚差，但到 170℃時反而有較佳之柔軟 性，由 IR 圖得知 170℃時 Al(OR)3與 EAc 形成較多複合 體，與氟化物結合就變少，反而使柔軟性變佳。另外，
經不同比例 Al(OR)3/EAc 加工之加工布其面積縮率都比 原胚毛織物小，而且隨 Al(OR)3比例之增加有增加之 勢，因經全階段加工之毛織物，表面之毛鳞受覆蓋，不 易產生方向性摩擦效應(DFE)，故可降低收縮。而 Al(OR)3比例愈多，其與 EAc 形成之複合體愈多，第二 階段氟化合物處理時，固著在織物上就較少，對毛鳞覆 蓋愈少，故收縮愈多。
9.耐水洗堅牢度分析
由圖 3C 所示，經完全階段加工之毛織物，雖經 20 次之水洗濯，其在 SEM 圖上尚可發現不少之加工藥 劑，而由表 1 及表 3 所示，洗濯 10 次之撥水性有 70，
洗濯 20 次尚有 50，可見加工織物之耐水洗堅牢度尚佳。
結論
1.經由 IR 可得知 EAc 與 Al(OR)3會形成複合體後再聚縮 合產生氧化鋁，然後隨 Al(OR)3增加，可發現在 3/3 比例會形成最多之複合體。
2.由 SEM 可得知，加工毛織物表面有鋁複合物存在。
3.加工毛織物有撥水性但無撥油能力。
4.加工毛織物不具抗菌、殺菌效果。
5.加工毛織物具有抗紫外線，且隨 Al(OR)3比例之增加 而有增加之趨勢。
6.毛織物經不同比例 Al(OR)3/EAc 加工後，其加工布柔 軟性和手感都變粗糙，柔軟性變差；另外加工毛織物 其面積縮率都比原胚毛織物小。
7.加工毛織物的耐水洗牢度尚佳。
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ent
C N O F Ti
Wt% 51.98 12.25 22.63 0.39 0.59 原胚毛
織物 At% 61.6 12.47 20.16 0.29 0.17 Wt% 4.12 3.76 35.36 0.00 55.87 加工毛
織物 (3/3)
At% 8.52 6.68 54.98 0.00 29.01 Wt% 42.64 7.40 16.64 0.20 19.57 洗濯 15
次 At% 59.31 8.83 17.38 0.17 6.82 Wt% 37.03 6.37 25.70 0.15 6.60 洗濯 20
次 At% 50.03 7.38 26.06 0.13 2.23 表.2 毛織物經不同濃度的 Al(OR)3/EAc 全階段加工後撥 水撥油接觸角變化
Al(OR)3/EAc 濃度比例
接觸角(水) 接觸角(矽油)
原胚毛織物 112° 無法測
1/5 133° 無法測
2/4 120° 無法測
3/3 107° 無法測
4/2 113° 無法測
5/1 125° 無法測
表.3 毛織物經不同濃度之 Al(OR)3/EAc 全階段加工後的 撥水、撥油性及耐洗濯性
加工條件 撥水性 撥油性
原胚毛織物 70 0
1/5 70 0
2/4 70 0
3/3 70 0
4/2 70 0
Al(OR)3
/EAc 濃度比
例 5/1 70 0
5 70 0
10 70 0
15 50 0
洗 濯 次
數 20 50 0
表.4 毛織物經不同濃度之 Al(OR)3/EAc 全階段加工後的 抗菌值
Al(OR)3/EAc 濃度比例
Ma Mb Mc 細 菌 成 長 活 性 值
抑 菌 值
殺 菌 值
白棉布 1.7 E+4
8.9 E+6
-- 2.7 -- -- 原胚毛織物 -- -- 1.0
E+6
-- 0.9 ＜ 0 1/5 -- -- 1.4
E+7
-- ＜0 ＜ 0 2/4 -- -- 1.7 -- ＜0 ＜
E+7 0 3/3 -- -- 2.6
E+6
-- 0.5 ＜ 0 4/2 -- -- 7.0
E+6
-- 0.1 ＜ 0 5/1 -- -- 6.7
E+6
-- 0.1 ＜ 0 表.5 毛織物經不同濃度比例之 Al(OR)3/EAc 全階段加工 後的抗紫外線指數
Al(OR)3/EAc 濃度 比例
抗紫外線指數 抗紫外線等級
原胚毛織物 83 優良
1/5 108 優良
2/4 114 優良
3/3 128 優良
4/2 122 優良
5/1 121 優良
表.6 加工毛織物之物性
加工條件 柔軟性
(mm)
面積縮 率(%) 原胚毛織物 41.29 1.15
1/5 59.05 0.78 2/4 56.92 0.70 3/3 69.05 0.82 4/2 60.75 0.83 Al(OR)3/E
Ac 濃度比 例
5/1 64.79 0.77 140℃ 49.30 -- 150℃ 50.80 -- 160℃ 51.35 -- 熱
處 溫
度 170℃ 42.21 --
圖 1：毛織物經不同濃度之 Al(OR)3/EAc 全階段加工後 之 IR 圖
(A：原毛織物，B： 1/5，C：2/4，D：3/3，E：4/2，
F:：5/1 Al(OR)3/EAc)
圖 2：毛織物經過不同熱處理溫度加工的 IR 圖
(A：原毛織物，B：140℃，C：150℃，D：160℃，E：
170℃ )
圖 3：毛織物之 SEM 圖
(A：空白布，B：經 Al(OR)3與 EAc 第一階段處理之毛 織物，C：經 20 次水洗之加工毛織物)
圖 4：毛織物經不同濃度之 Al(OR)3/EAc 全階段加工後 的 TGA 圖
(A：原毛織物，B：1/5，C：2/4，D：3/3，E：4/2，F：
5/1 )
圖 5：毛織物經過不同熱處溫度加工後的 TGA 圖 (A：原毛織物，B：140℃，C：150℃，D：160℃，E：
170℃)
