具有γ-GY/TiO?杂化涂层的光催化和紫外线屏蔽多功能织物

《Industrial Crops and Products》：Photocatalytic and UV-shielding multi-functional fabric with γ-GY/TiO? hybrid coating

γ-GY/TiO?/PFDTS@棉布通过复合涂层技术实现超疏水与光催化双重功能，接触角达160°，在50次洗涤和300次耐磨后仍保持稳定性能，可高效降解RR195染料（98%降解率），并具备优异抗紫外和耐化学腐蚀性。

　　
本研究针对传统超疏水纺织材料的耐久性不足和功能单一性问题，提出了一种新型多功能复合涂层技术。通过将石墨烯衍生物γ-GY与二氧化钛纳米颗粒复合，并引入全氟硅烷链段进行表面改性的方法，成功开发出具有双重优异性能（超疏水与光催化）的棉织物复合材料γ-GY/TiO?/PFDTS@棉布。该材料在保持棉纤维天然优势的基础上，实现了防水防油、抗污染自清洁、抗紫外线等多重功能集成，其技术突破主要体现在以下五个方面：

**1. 纳米复合结构设计**
研究团队采用机械化学法合成二维石墨烯衍生物γ-GY，通过水热法与TiO?形成异质结复合结构。这种花状纳米结构（图2c-2d）在扫描电镜下呈现出致密的纳米颗粒覆盖层，其比表面积较未改性棉织物提升52倍（从1m2/g增至52.3m2/g）。X射线光电子能谱（XPS）分析显示（图3c-3g），γ-GY与TiO?通过π-π共轭和Ti-O-C键形成电子耦合，这种异质结结构使光生电子和空穴的迁移路径延长3倍以上，显著提升了电荷分离效率。

**2. 氟硅烷表面改性的突破**
在TiO?/γ-GY复合涂层基础上，采用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷（PFDTS）进行表面修饰。通过调整PFDTS的负载量（4wt%），成功将水的接触角提升至161.7°（图4a），同时实现油类接触角＞140°（图4b）。这种双亲表面改性技术不仅解决了传统超疏水材料表面能分布不均的问题，更通过全氟烷基链的引入，使材料在90℃高温下仍能保持接触角＞150°（图5e）。

**3. 紫外防护性能创新**
采用TiO?/γ-GY异质结与PFDTS形成的三明治结构涂层，使织物在280-400nm紫外波段的光屏蔽效率达到99.7%（图5c）。其UPF值高达786.5，超过国际标准UPF50+（UPF50≈98）三个数量级。特别值得注意的是，经过50次机洗和300次砂纸摩擦后，其紫外防护性能仅下降12%（图6e），展现出卓越的机械稳定性。

**4. 光催化性能的跨越式提升**
通过引入5wt%的γ-GY/TiO?异质结构，使材料的可见光响应范围扩展至550nm（图7f）。在模拟日光（100mW/cm2）下，对Reactive Red 195染料的降解效率达到98.2%（图8a），较单一TiO?涂层提升4.8倍。经五次重复使用后，降解效率仍保持75%以上（图8h），且TOC（总有机碳）去除率超过80%（图8g），证明其具备良好的循环稳定性。

**5. 全功能协同效应**
该材料实现了三个维度的功能集成：
- **物理防护维度**：通过多级表面微纳结构（图2g-2h）和低表面能涂层（图4e），形成同时具备超疏水（接触角＞150°）和超疏油（接触角＞140°）的双重防护。
- **化学稳定性维度**：经测试，在pH1-13范围内接触角变化率＜5%，耐酸碱腐蚀性能提升40倍（图6g-6h）。
- **环境修复维度**：在可见光（<400nm）照射下，对有机污染物的降解效率仍达55%（图8e），且具备85%以上的矿化率（图8g）。

**技术验证与对比分析**
研究通过四组对照实验验证材料性能：
1. **基础性能对比**：与纯TiO?涂层、石墨烯涂层相比，γ-GY/TiO?/PFDTS@棉布的接触角提升幅度达32%（表4数据未直接引用，但通过图4a-e可直观对比）。
2. **耐久性测试**：经50次机洗（AATCC标准）后，接触角仍＞140°（图6c-6d）；300次砂纸打磨后，表面粗糙度仅增加15%（SEM图6a-6b）。
3. **环境适应性**：在相对湿度60%-80%、温度23-27℃的上海气候条件下，储存7周后接触角变化率＜3%（图6e-6f）。
4. **跨学科性能**：将UV防护（UPF786.5）、防水（CA161.7°）、光催化（η98%）三个指标进行多目标优化，通过正交实验法确定最佳参数组合（5wt% γ-GY/TiO? +4wt% PFDTS）。

**产业化应用前景**
该技术为棉花深加工开辟了新路径：
- **功能纺织品**：可制成UPF50+的户外防护服，在保持透气性（WVTR 5.2g/m2·h·°C）的同时实现防水（CA＞150°）和自清洁（染料降解率＞95%）。
- **环境治理材料**：经改性后的棉织物可作为光催化滤材，处理含RR195染料废水时，每平方米布料日处理量达3.2吨（按文献数据估算）。
- **智能纺织品**：通过表面微纳结构的动态调控（图4j-4k），可开发具有智能疏水/亲水转换功能的服装。

**理论创新点**
研究首次揭示了二维石墨烯与TiO?异质结在光催化中的协同机制：γ-GY的π电子体系与TiO?的禁带结构形成互补，使可见光吸收率从12%提升至43%（图7f）。电荷分离效率提高至78%（通过瞬态吸收光谱测量），导致自由基生成量增加2.3倍（图8h）。这种理论突破为新型光催化复合材料的设计提供了重要参考。

**局限性与改进方向**
虽然材料在极端pH（1-13）下性能稳定，但全氟硅烷层在强氧化性环境（pH<3或>11）中存在5%-8%的降解率（图6g-6h）。未来可通过引入抗氧化接枝链（如聚醚胺）和构建梯度表面能结构（图5h）进行优化。此外，在可见光驱动下的降解效率（55%）仍低于模拟日光（98%），开发近红外响应催化剂或复合光催化剂是后续重点。

该研究成果已申请3项国家发明专利（专利号CN2025XXXXXX），并成功转化应用于上海某纺织企业的防污防晒面料生产。经第三方检测，其产品在GB/T 18885-2011标准下达到五类防护等级，且成本较进口同类产品降低62%，展现出显著的经济效益和社会价值。