通过填充技术利用氧化铜纳米颗粒沉积法开发多功能棉织物

《Surfaces and Interfaces》：Development of Multifunctional Cotton Fabric via Copper Oxide Nanoparticle Deposition Using the Padding Technique

本研究采用水热法合成氧化铜纳米粒子（CuO NPs），通过pad-dry-cure工艺处理棉织物，赋予其抗菌、阻燃、抗紫外线及超疏水等多功能特性，且经多次洗涤后仍保持良好抗菌效果，细胞毒性测试显示安全生物相容性，适用于医疗、户外及防护领域。

　　本研究聚焦于通过引入铜氧化物纳米颗粒（CuO NPs）提升棉织物的多功能性能，从而应对现代纺织品在医疗、户外和防护领域日益增长的需求。随着纳米技术的快速发展，其在纺织领域的应用不断拓展，不仅提升了材料的性能，还为纺织品赋予了新的功能。本研究采用了一种可持续且经济高效的策略，即通过水热合成法制备CuO NPs，并利用垫-干-固化法将其均匀沉积在棉织物表面。该方法在多个方面表现出色，包括增强的抗菌、抗真菌性能，提高的阻燃性，以及有效的紫外线防护和超疏水性。

棉织物因其天然的多孔结构、较大的表面积和良好的透气性，被认为是实现纳米颗粒沉积和功能集成的理想基材。这些特性不仅有助于纳米颗粒在织物表面的附着，还保证了其在后续处理中的均匀分布。此外，棉纤维的亲水性也增强了纳米颗粒与织物之间的结合力，使其能够有效实现多功能性。然而，传统的棉织物在抗菌、抗真菌、阻燃和紫外线防护等方面存在明显不足，难以满足现代对高性能纺织品的要求。因此，通过引入纳米材料来提升这些性能成为研究的重点。

在本研究中，CuO NPs的合成采用水热法，该方法能够有效控制纳米颗粒的形貌和尺寸，同时避免高温处理对织物结构的破坏。通过调整pH值和反应温度，研究人员成功获得了具有稳定性和高活性的CuO NPs。随后，这些纳米颗粒通过垫-干-固化法被沉积在棉织物表面，该方法具有操作简便、成本低廉、适合大规模生产的优点。经过处理的织物不仅保留了棉的原有特性，如柔软性和透气性，还赋予了新的功能。这些功能的实现为纺织品在医疗、户外和防护领域的应用提供了新的可能性。

抗菌性能是本研究中关注的重要方面之一。CuO NPs通过释放铜离子（Cu2?）来破坏细菌的细胞结构，进而抑制其生长。这种抗菌机制不仅适用于常见的细菌，如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，也对真菌表现出良好的抑制效果。经过多次洗涤后，织物仍能保持较强的抗菌性能，这表明其具有良好的耐久性。此外，CuO NPs的抗菌作用还能够减少微生物对织物的降解，从而延长其使用寿命。这种性能对于医疗和卫生领域的应用尤为重要，尤其是在需要长时间使用且不易清洁的环境中。

紫外线防护也是本研究关注的重点之一。CuO NPs能够通过吸收和散射机制有效阻挡紫外线辐射。这种防护不仅能够防止紫外线对皮肤的直接伤害，还能减少其对深层皮肤组织的渗透。紫外线辐射分为UVA、UVB和UVC三个波段，其中UVA和UVB对皮肤的伤害尤为显著。UVA能够穿透皮肤深层，引发氧化应激、胶原蛋白降解和皮肤老化，而UVB则主要导致晒伤和皮肤癌。通过CuO NPs的引入，织物能够有效阻挡这些有害的紫外线，为户外服装提供额外的保护。研究结果显示，经过处理的织物具有21.05的紫外线防护因子（UPF），这表明其在紫外线防护方面具有中等水平的性能，适合用于户外活动。

阻燃性能的提升也是本研究的重要成果之一。CuO NPs通过形成隔热层，减少热量传递，从而延缓燃烧过程。这种性能对于防护服装和消防装备尤为重要，能够在高风险环境中提供额外的安全保障。此外，CuO NPs的引入还能够增强织物的疏水性，使其表面具有超疏水特性。这种特性不仅有助于织物的自清洁，还能使水滴迅速滚落，从而保持织物的清洁度和卫生性。研究中测得的水接触角（WCA）达到153°，表明织物具有良好的自清洁能力，这在日常使用和特殊环境下都具有重要意义。

除了上述性能，CuO NPs的引入还能够提升织物的机械性能。研究中通过测试撕裂强度和抗拉强度，发现经过处理的织物在机械性能方面得到了改善，这表明其在实际应用中具有更高的稳定性和耐用性。此外，织物的透气性也得到了评估，通过空气渗透率和水蒸气渗透率测试，确认了其在保持透气性的同时，也能够有效实现多功能性。这些性能的综合提升使得CuO NPs处理的棉织物不仅在功能上更具优势，还能够在实际使用中保持良好的舒适性。

在生物相容性方面，研究通过L929细胞系测试确认了CuO NPs处理的棉织物具有良好的安全性。这表明其不仅适用于抗菌和防护领域，还具有潜在的生物医学应用价值。此外，研究还通过其他实验方法，如X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（ATR-IR）和扫描电子显微镜（SEM）等，验证了CuO NPs在棉织物表面的沉积情况及其对织物结构的影响。这些结果为CuO NPs在纺织领域的应用提供了科学依据，并支持了其在下一代智能和防护纺织品中的发展。

本研究的意义在于，通过引入CuO NPs，不仅提升了棉织物的多种性能，还为纺织品的可持续发展提供了新的思路。传统棉织物在抗菌、抗真菌、阻燃和紫外线防护等方面存在明显不足，而通过纳米材料的引入，这些性能得到了显著改善。此外，本研究的方法具有操作简便、成本低廉、适合大规模生产的优点，为纺织品的工业化应用提供了可行性。这种多功能、环保的纺织品有望在未来广泛应用于医疗、户外和防护领域，为人类健康和安全提供更好的保障。

综上所述，本研究通过水热合成法制备CuO NPs，并利用垫-干-固化法将其沉积在棉织物表面，成功提升了棉织物的多种性能。这些性能的提升不仅包括抗菌、抗真菌、阻燃和紫外线防护，还涉及自清洁和生物相容性。研究结果表明，CuO NPs处理的棉织物在实际应用中具有良好的效果，适合用于多种场景。未来的研究可以进一步优化纳米颗粒的沉积方法，以提高其均匀性和稳定性，同时探索其在其他功能纺织品中的应用潜力。这种多功能、环保的纺织品为现代纺织业的发展提供了新的方向，也为人类健康和安全带来了更多的可能性。