丝绸的可见光响应性功能化研究开题报告

1. 研究目的与意义

丝绸作为一种蛋白质纤维，素来誉有“纤维皇后”之称。早在西汉时，中国就通过陆上丝绸之路向西方输出丝绸及其生产技术。真丝织物具有良好的服饰性能,因其质地轻薄、吸湿性好、优雅的光泽、柔软的手感、优良的保暖性能而备受人们青睐.，而其无法替代的保健功能更是让她拥有了人类的“第二皮肤”的美称。然而随着人们生活水平的提高，单调的品种和花色逐渐难以满足人们的需求。随着化工科技的发展，人造纤维和合成纤维依次面世，弥补了天然纤维的短缺和性能上不足的同时，也显露了其致命的缺点，包括抗皱性能差，在紫外线照射和盐类的侵蚀下,极易泛黄并且强度下降，影响穿着和使用性能，并且由于是蛋白质纤维,极易使微生物大量繁殖等。为了提高真丝纤维的附加值,减少紫外线对人体的伤害,对真丝织物做出改性整理，国内外的研究者们做了大量的工作。目前的研究主要集中在制丝工艺和真丝后整理工艺两方面，而常用的有机类后整理剂又往往会对皮肤具有一定的刺激性,耐洗牢度不好且光稳定性差，甚至造成环境的污染；而无机纳米材料则因为具有安全、环保且稳定性好等优点成为近年真丝功能整理领域的研究新热点。

作为光催化剂，ti0₂化学性质稳定，光化学性能优异，具有价廉无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等特征。ti0₂在吸光后在表面产生两种现象，一种是光催化分解，分解表面或洁净表面的物质，这种反应在光照时根据光照的量而起，在室温下进行。另一种是超亲水化，多有二氧化钛的材料表面水不会形成水滴，而是几乎完全扩展成均匀的膜，导致油污等污染物极容易被清洗干净。因此将ti0₂添加到人造纤维中，往往能达到紫外线防护、抗老化、抗皱除菌、自清洁和静电屏蔽等作用。但纳米ti0₂较宽的带隙(3．2ev)和光生电子与空穴高的复合率也致使了ti0₂在可见光区无响应，对可见光利用率低(3％～5％)，光量子效率也很低。近年的研究表明，通过离子掺杂可以在ti0₂表面形成俘获电子或空穴的陷阱，从而减少电子和空穴的复合，有效提高光催化效率；或者通过掺杂生成新的杂质能级，导致ti0₂带隙变窄，产生可见光响应。但掺杂必须满足以下三个要求：(1)掺杂元素必须在ti0₂禁带中形成新的杂质能级以利于减小禁带宽度；(2)掺杂元素的最小导带能必须与ti0₂相同，甚至要大于h₂/h₂0的能级以确保其光催化性能；(3)掺杂元素的带隙必须和ti0₂的带隙相互交错以利于在光生电子和空穴的寿命内将其迁移到ti0₂表面的活性中心位置上参与光催化反应。因此近年利用氮、硫、碳和氟等非金属元素掺杂改性ti0₂光催化剂来扩展ti0₂的光谱响应范围，从而提高纳米ti0₂可见光催化性能的研究不断增多，asahi等对氮掺杂ti0₂光催化剂进行的研究结果表明：氮的掺入取代了ti0₂晶格中的少量氧原子，可以使ti0₂的带隙能减小，并在不降低紫外光催化性能的前提下实现对可见光区的响应,拓展了其使用范围。

同样光催化效果良好的cu₂0作为p型半导体材料，是铜的正一价的氧化物。在纳米半导体材料中，p型的禁带宽一般只有2.0-2.1ev，在可见光照射下便可激发粒子生成具有强氧化还原性的电子空穴对，在可见光下便能对污染物光催化降解；而n型半导体则通常禁带宽度较大，需要紫外光照射才能进行。微纳米粒径的cu₂0兼具了纳米材料和半导体材质的特性，包括活性的电子空穴对、量子效应、较大的比表面积、较高的表面势能等，这也使得纳米氧化亚铜具有较好的光电子交换特性、高的光催化活性、较强的吸附作用、抗菌活性等。通常结晶型的八面立方晶系氧化亚铜粉末呈现为红色或橙黄色，制备方式条件的不同和颗粒的粒径尺寸差异有时会使氧化亚铜表现不同的黄、橙、红或紫颜色。相对来说，制备粒径均一，分散良好的微纳米氧化亚铜的方法较少，这也是氧化亚铜在实际应用中受到限制的原因，同时，探索何种状态的氧化亚铜具有最佳光催化性能也成为研究重点。

2. 研究内容和预期目标

1.通过试验合成氮掺杂二氧化钛和氧化亚铜纳米粉末，探索实验优化条件；

2.借助蚕丝纤维本身具有的结构性能将前期优化的纳米材料附载在丝绸上；

3.通过仪器检测研究改性对丝绸在抗紫外，抗菌，自清洁等方面性能的影响。

3. 研究的方法与步骤

1.前期拟定以水热法在高温高压下制备氧化亚铜和利用氮进行的掺杂改性二氧化钛的纳米粉末，通过对结果的检测改变实验条件进行优化，确定最优结果；

2.在探索了光催化剂氧化亚铜，氮掺杂二氧化钛纳米粉末的优化条件的基础上，将水热法与原位合成方法相结合，使之在丝绸纤维表面原位合成对可见光具有响应性的纳米材料，并研究不同的实验条件对结果的影响，确定最优配方配比范围；

3.通过扫描电镜、x射线衍射和x射线光电子能谱等现代分析手段研究改性前后蚕丝纤维的结构和性能，并与未处理样品进行比对，得出科学结论。

4. 参考文献

[1]陈树, 王振希, 张军. 真丝织物后整理剂的制备与应用[j]. 能源研究与管理, 2013(4):86-87.

[2]周小进,李婷.苏州丝绸市场调研及现状分析[j].中国纤检,2017,(1):114-117.

[3]张伟, 戴新兰, 周静洁,等. 反应性壳聚糖季铵盐的抗菌性能及其在桑蚕丝织物后整理中的应用[j]. 印染助剂, 2016(12):41-44.

5. 计划与进度安排

1.2022-12-13～2022-01-13 查文献资料，了解课题背景，设计实验方案，完 成开题报告和外文翻译初稿；

2.2022-02-17～2022-03-17 准备实验原料仪器，进行初步试验，熟悉纳米材料合成和改性方法并研究其光催化性能；

3.2022-03-18～2022-04-18 记录实验过程，探索纳米材料在丝绸织物表面的负载条件；

4.2022-04-19～2022-05-19 测定改性后丝绸织物性能，分析实验数据，撰写论文初稿；