作者：储方为 邱佳铭 蒋红 李戎
摘要：本文介绍了TiO2光触媒自清洁纺织品的分类、自清洁机理以及TiO2光触媒材料自清洁性能的一些评价方法，并结合TiO2光触媒纺织品自身的性质进行适用性分析。特别提出了评价TiO2光触媒纺织品的自清洁性能时，不能从光催化性能一方面考虑，而要将光催化性和光致超亲水性结合起来综合去评价其自清洁性能。
关键词：光触媒纺织品；光催化；超亲水；自清洁；评价方法
0 引言
近年来，随着半导体光催化技术的不断发展，其应用领域也不断扩大，由最初的用于污水处理，到后来光触媒自清洁玻璃、陶瓷、纺织品的出现，光触媒技术已经慢慢走进了人们生活。
光触媒是一类以TiO2为代表的具有光催化性能的半导体材料的总称。目前可作为光催化剂的半导体材料主要有TiO2 、CdS、 ZnO 、WO3、 Fe2O3、 SnO2等化合物，但是由于TiO2相对其它半导体材料具有光催化活性高、稳定性好、价格低等优势而备受青睐[1]。光触媒能在太阳光或荧光灯的照射下产生类似光合作用的催化反应,将空气中的氧气和水分子激发,形成氧化能力极强的羟基自由基(•OH)和超氧阴离子自由基(•O2ˉ) 。这些氧化力极强的自由基可将浮游在空气中的细菌杀死，并把有机污染物不断降解成水和二氧化碳等，从而达到净化环境和保持材料自身清洁不被污染的目的。将光触媒技术应用于纺织领域，开发具有环保自清洁性能的纺织品对于节能环保具有重要意义，所以光触媒自清洁纺织品已成为纺织行业发展的方向之一[2-3]。
1 TiO2光触媒自清洁纺织品
1.1 TiO2光触媒纺织品的分类及应用
TiO2光触媒纺织品按照制造工艺大体可分为三种，第一种是以聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）等膜材为基材，表面涂有TiO2的膜结构材料，这种膜结构材料被广泛应用于大型场馆和一些公共设施的顶棚。目前生产光触媒PTFE材料的主要有日本的中兴化成株式会社，生产光触媒PVC材料的主要有日本的平冈株式会社；第二种是将TiO2与高分子材料结合，通过一定的纺丝方法将其纺成光触媒纤维，然后将光触媒纤维织成光触媒纺织品。目前国内外已经开发出很多这类纤维并且市场化。这类产品主要有日本Exlan工业株式会社开发的具有高度自洁功能的光触媒腈纶纤维“Selfclear”[4]、大和纺公司开发的“Solesh” 纤维[5]等。我国近几年也在这方面也取得了突破，浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司在2011年开发出了一种蜂窝光触媒纤维，并且取得了不错的市场份额。这些纤维主要用于运动服、工作服、家纺、保健和医疗卫生纺织用品；第三种是以棉、羊毛等织物为基材，通过一定的方法将纳米TiO2整理到织物上，使其具有一定的自清洁性能。近几年很多人从事这类纺织品的研究[6-8]，目前产业化的产品主要有日本东丽株式会社开发的“lumi magic”系列织物[5] 。“lumi magic ”系列织物主要用来制作泳衣，通过光照作用可以消除氯臭，能够保护皮肤和身体不受细菌的侵害。
1.2 TiO2光触媒纺织品自清洁机理
1.2.1 TiO2光催化机理
TiO2属于一种n型的半导体，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿），当它受到波长小于或等于387.5nm的紫外光照射时，价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子（e-），而价带中则相应地形成空穴（h+），产生电子-空穴对，同时激发态的导带电子和价带空穴又能重新复合，使光能以热能或其他形式的能量散发掉。其过程可用下面的方程表示：
价带空穴是良好的氧化剂，导带的电子是良好的还原剂。空穴具有更大的反应活性，一般与表面吸附的H2O或OH一 离子反应形成具有强氧化性的经基自由基。其过程可用下面的方程表示：
电子与表面吸附的氧分子反应，氧分子不仅参与还原反应，还是表面羟基的另一个来源，具体反应式如下：
通过以上反应，生成了氧化性很强的羟基自由基、超氧阴离子自由基，能够将各类有机物氧化为 CO2 和 H2O 等小分子,从而达到保持材料自身清洁的目的[9-10]。
1.2.2 光致超亲水性机理
一般而言材料的亲水性可通过材料表面的水滴接触角来判定。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ。当接触角θ>90°时称为疏水性，θ<90°时称为亲水性，θ>150°时称为超疏水表面，θ<10°时称为超亲水性[11]。研究发现[12]， TiO2光触媒材料表面的亲水性在光照下会发生改变。将水滴在TiO2材料表面，光照后接触角会慢慢变小，最后接近0°，停止光照后又会慢慢恢复到原样。材料表面经光照达到超亲水性后，可以降低纤维的静电引力和分子间作用力，从而防止污物在材料表面聚集，使材料的防污性能和易去污性能都有所增加。
TiO2 表面的超亲水性是由于TiO2价带电子被激发到导带，电子和空穴向表面迁移，电子与 Ti4+反应，空穴与表面的氧离子反应，分别形成 Ti3+和氧空位。氧空位与空气中的水分结合形成化学吸附水（即羟基），在材料表面形成均匀分布的高度亲水微区，而其他部分还保持原有的疏水性，亲水微区和亲油微区相间排列使材料表面同时具有亲水性和亲油性，类似于二维的毛细管现象。但是由于液滴的尺寸远远大于亲水和亲油微区的面积，所以宏观上表现出来的是双亲性[13]，当将水或油滴在材料表面时，分别被亲水微区和亲油微区所吸附，从而润湿材料表面。当停止光照后，化学吸附水会被空气中的氧气取代，又回到初始的疏水状态。
2 TiO2光触媒自洁纺织品评价方法探究
对于日渐繁荣的TiO2光触媒自清洁纺织品市场，目前国内外还没有统一的评价方法评价其自清洁性能，这不仅不利于光触媒纺织品市场的健康发展，也难以对相关的产品实施有效的质量监控，所以开发相应的评价方法是十分重要的。
虽然目前国内外关于TiO2光触媒纺织品自清洁性能还没有一套评价标准，但鉴于TiO2光触媒陶瓷类材料已经出台了相关的标准[14-18]，另外也有人对TiO2光触媒材料自清洁性能评价提出了自己的看法，这些方法大体可归为两类：薄膜法和溶液法，其中有些评价方法可以值得TiO2光触媒纺织品借鉴。下面就TiO2光触媒材料自清洁性能评价方法中五种具有代表性的方法进行介绍和分析（见表1），探究其在TiO2光触媒纺织品的适用性。
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