在乙醇-水体系中,通过一步偏心并联电喷雾技术将两面性纳米颗粒涂层施加到棉织物上,以实现多功能整理

《Progress in Organic Coatings》:One-step eccentric side-by-side electrospraying of Janus particle coatings on cotton in an ethanol–water system for multifunctional finishing

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年05月15日 来源:Progress in Organic Coatings 7.3

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  陈署|云长刚|吴雄英|丁雪梅东华大学时装与设计学院,上海200051,中国摘要传统的多功能棉花整理工艺通常受到多步骤工作流程的限制,而单浴配方则可能因成分不兼容和粘合剂对表面活性添加剂的屏蔽作用而受到影响。本文提出了一种在温和的乙醇-水体系中进行的一步偏心并联电喷雾技术,用于在棉

  
陈署|云长刚|吴雄英|丁雪梅
东华大学时装与设计学院,上海200051,中国

摘要

传统的多功能棉花整理工艺通常受到多步骤工作流程的限制,而单浴配方则可能因成分不兼容和粘合剂对表面活性添加剂的屏蔽作用而受到影响。本文提出了一种在温和的乙醇-水体系中进行的一步偏心并联电喷雾技术,用于在棉花上制备Janus颗粒涂层。一种用于冷却或调节疏水性的乙醇稀释工业整理剂与含ZnO纳米颗粒的水基聚氨酯(ZnO-WPU)分散体通过偏心双通道喷嘴共同电喷雾。静电模拟表明,偏心几何结构使得出口附近的场分布较少发生横向扩散,并将力场重新组织为从横向发散转变为界面收敛,从而促进了协同喷射。通过EDS、FTIR和TEM的多尺度表征以及双染料共聚焦荧光成像分析,发现形成了Janus型空间分离而非均匀混匀结构:富含ZnO-WPU的域主要起到锚定作用,同时具备抗菌性能和紫外线屏蔽效果,而功能性域则控制冷却或疏水性能。处理后的织物表现出优异的初始冷却性能(Qmax ≥0.22 W·cm?2)或超疏水性(静态水接触角 >150°),并且在相当于10次家用洗涤循环后仍保持对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌99%以上的抗菌效果。含ZnO的涂层还提供了可调的紫外线防护,UPF值高达46.54。这些多功能效果是在低添加量的情况下实现的,且对织物的视觉外观影响微乎其微,空气渗透性仅略有下降,展示了在温和工艺条件下利用工业可用配方集成锚定功能和表面功能的实用方法。

引言

随着对先进纺织功能(如冷却感、超疏水性和抗菌保护)需求的增加,服装、防护衣物和生物医学织物的表面整理技术不断创新[1],[2],[3],[4],[5]。然而,将这些多种功能整合到单一整理过程中仍具有挑战性。传统方法通常依赖多步骤工艺和/或能耗较高的激活方式(如垫干固化、热固化、等离子体处理)以及耗时的湿化学过程(如溶胶-凝胶反应、层层组装),这些方法可能对软质或热敏感基材造成苛刻的处理条件,并导致放大过程中的瓶颈[6],[7],[8],[9]。此外,过多的添加剂和连续形成的薄膜可能会损害织物的透气性、手感及外观,限制其在舒适性应用中的实际应用[3],[10]。因此,迫切需要一种一步式、温和且配方兼容的整理方法,能够在保留棉花织物内在特性的同时实现多功能性。
电水动力雾化(EHDA)技术包括电纺、电喷雾和电子喷射打印,为在常温下进行可控形态和沉积的微/纳米制造提供了有效的工具箱[11],[12],[13],[14]。随着喷头的改进,EHDA已从单流体处理发展到同轴、并联和多轴配置,实现了更复杂的层次化结构设计,以实现组分的程序化分布[15],[16],[17]。尽管取得了这些进展,但EHDA领域仍存在不平衡:电纺和芯壳纤维(以及芯壳颗粒)的研究远多于电喷雾和Janus颗粒。尽管芯壳设计在梯度控制释放方面得到广泛应用[18],[19],[20],但Janus纳米产品(具有两个横向分离的物理化学域)由于其在多功能集成、催化和成像方面的独特价值,仍未得到充分开发[21],[22],[23],[24]。除了这些应用外,Janus颗粒还被视为功能性界面的理想构建单元,在各向异性表面化学的作用下可以实现界面定向组织和特定区域的暴露,这在均匀混合物中难以实现[25]。在这种情况下,可靠且可扩展地制备Janus结构成为了重要的研究方向,而不仅仅是展示其潜在用途。
传统并联EHDA技术的一个关键技术挑战是相邻带电射流之间的静电排斥会导致射流分裂和泰勒锥形结构的破坏[26],[27]。最近,引入了偏心并联喷头来物理约束两种流体在喷射点的行为,从而形成了统一的泰勒锥形结构,提高了Janus型分隔的可行性[28]。聚合物的EHDA处理通常在有机溶剂体系中进行以满足溶解性和喷射要求;然而,将并联处理扩展到更温和的介质中是非常有意义的。纯水体系由于表面张力高而难以电喷雾,但加入乙醇作为共溶剂可以降低表面张力并拓宽喷射窗口。结合偏心几何约束,这使得在常温条件下实现稳定的并联电喷雾成为可能。这一点尤为重要,因为商业纺织整理剂和粘合剂通常以水基乳液或分散体的形式提供;温和的乙醇-水处理路线可以提高配方的兼容性,减少溶剂替代或重新配方的需求。
基于这些考虑,本文开发了一种一步式、连续的偏心并联电喷雾技术,用于棉花整理,构建基于Janus颗粒的涂层架构,将锚定功能与表面调节功能分离。具体而言,一种用于赋予冷却感或疏水性的乙醇稀释工业整理剂与含ZnO纳米颗粒的WPU分散体通过偏心双通道喷嘴共同电喷雾,一步生成Janus颗粒并沉积在棉花上。在这种Janus型分隔涂层中,富含ZnO-WPU的域作为锚定基质,有助于涂层在洗涤过程中的固定和保持,同时提供基础抗菌效果和紫外线屏蔽;而富含整理剂的域主要调节表面润湿性或冷却行为。从配方角度来看,单浴系统中的多功能整理容易受到胶体/薄膜形成导致的兼容性问题以及粘合剂对表面活性成分的屏蔽作用影响[29],[30],[31],[32],[33]。通过将锚定基质与表面调节成分空间分离,这种Janus颗粒设计有望减少这种屏蔽效应,并实现两种可配置的组合——冷却-抗菌和疏水-抗菌。整个过程在常温下进行,无需高温交联,这对于含有热敏感成分的配方非常有利[34],[35]。本研究系统地研究了涂层形态和成分分布、多功能性能以及洗涤稳定性,阐明了结构-性能关系,并提供了实现低添加量、视觉效果不明显的多功能棉花织物的实用方法。

摘录

材料

本研究中使用了两种商用纺织整理剂。疏水整理剂TG-4875C(浙江Transfar化学有限公司,中国)是一种基于C6的氟化聚合物乳液,固体含量为25%。根据供应商的技术数据,该乳液不含PFOS、PFOA和APEO,且呈弱阳离子性。冷却剂COOL(北京JLSun高科技有限公司,中国)是一种水溶性整理剂,主要成分包括木糖醇和薄荷醇

用于化合物锥形形成和Janus颗粒沉积的几何调控电静环境

如图1a所示,所提出的偏心并联电喷雾技术旨在一步处理两种不同的液体流:一种是含ZnO-WPU的锚定液流,另一种是含有冷却或疏水整理剂的乙醇稀释功能液流。这种配置对于多功能纺织整理特别重要,因为直接将这些工业配方混合到均匀浴中会增加风险

结论

本研究在温和的乙醇-水体系中开发了一种一步式偏心并联电喷雾技术,用于在棉花上制备Janus颗粒涂层。通过通过偏心双通道喷嘴共同电喷雾乙醇稀释的工业整理剂和含ZnO-WPU的分散体,形成了具有分隔结构的涂层,其中富含ZnO-WPU的域主要起到锚定作用,同时提供抗菌效果

陈署: 初始草稿撰写、可视化处理、软件开发、方法设计、数据分析、概念构建。云长刚: 文稿审阅与编辑、验证、监督、资源协调。吴雄英: 文稿审阅与编辑、验证、监督。丁雪梅: 文稿审阅与编辑、监督、项目管理、资金争取。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

作者感谢上海理工大学邓光勇教授(本研究使用的偏心喷头的发明者)提供的宝贵技术支持。同时,也感谢东华大学纺织科学技术创新中心、东华大学先进纤维材料国家重点实验室以及教育部服装设计技术重点实验室的支持

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