無溶劑法合成水性聚氨酯在針織物抗起毛起球的應用

楊化章，丁長波，趙振河

(西安工程大學 紡織與材料學院，陜西西安 710048)

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無溶劑法合成水性聚氨酯在針織物抗起毛起球的應用

楊化章，丁長波，趙振河

(西安工程大學 紡織與材料學院，陜西西安 710048)

摘要：選擇新型親水擴鏈劑DMBA，采用無溶劑法合成抗起毛起球整理劑WPU，優化制備工藝，并將其應用在純棉針織物和滌毛混紡針織物上。結果表明，針織物抗起毛起球等級提高了4級，織物手感和白度與原織物等級相當。紅外光譜表征，異氰酸根已全部參與反應。掃描電鏡(SEM)表明，經整理后的織物，纖維尾端被黏附在紗線的表面，織物表現出抗起毛起球的特征。

關鍵詞：無溶劑聚氨酯針織物抗起毛起球

0前言

目前應用在針織物抗起毛起球整理劑大多數存在整理劑用量多(120～150g/L)、焙烘溫度高(140～170℃)的問題，致使織物的手感僵硬，對纖維造成嚴重損傷，破壞了針織物原本具有的彈性和柔軟的手感，失去了其服用性能[1]。而且在高檔針織物面料上應用最多的是水性聚氨酯類抗起毛起球整理劑，傳統制備水性聚氨酯時常采用DMPA(2，2-二羥甲基丙酸)作為親水性擴鏈劑，由于DMPA熔點為170～180℃，只能溶解在有機溶劑中，且反應體系在合成過程中還需要大量有機溶劑降黏，所以給環境帶來了危害[2]。

為此，本實驗室采用新型親水擴鏈劑DMBA(2，2-二羥甲基丁酸)，由于DMBA熔點為108～110℃，能溶解在多元醇中，所以不需要用有機溶劑溶解，且反應體系中不采用有機溶劑降黏。一方面滿足當前綠色環保的要求，另一方面將其應用在純棉針織物、滌/毛混紡針織物上。整理劑用量少，焙烘溫度低，手感柔軟、滑爽。

1實驗部分

1.1原料

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)(西安天欣海綿有限公司)；聚酯二元醇218(江陰金海高分子材料有限公司)；聚醚三元醇310(杭州久靈化工有限公司)；2，2-二羥甲基丁酸(DMBA)(江西南城洪都化工科技開發有限公司)；三乙胺，乙二胺(天津大茂化學試劑廠)；滲透劑JFC(西安環宇化學與儀器廠)。

1.2主要儀器

JJ-1型精密增力攪拌器(常州國華電器有限公司)，2XZ-1型真空泵(上海圣科儀器設備有限公司)，MH-500可調式電熱套(北京科偉永興儀器有限公司)，101型電熱鼓風干燥箱(北京科偉永興儀器有限公司)，YG502N型起毛起球儀(南通宏大儀器有限公司)，BP～221S型電子天平(德國塞多利斯公司)，LA～05型織物熱定形機(日本三木普利株式會社)，DSBD-1型數字白度儀(南通宏大儀器有限公司)，KY2800B型掃描電鏡(北京中科科儀股份有限公司)，MU505T型軋車(北京紡織機械器材研究所)，Nicolet/Nexus 670型紅外光譜儀(美國尼高力儀器有限公司)。

1.3水性聚氨酯的合成工藝

向配有攪拌器、真空泵、200mL溫度計的500mL三頸燒瓶中加入配方量的聚酯218和聚醚310，加熱至130℃，在l0mmHg真空度下處理2h，除去原料中的小分子有機物及水分。停真空，120℃左右加入預先干燥10h的DMBA，待DMBA溶解后，60℃左右加入IPDI，再升溫到85℃反應4h，降溫至60℃，加入三乙胺(TEA)，中和20 min。劇烈攪拌下加入設計量，去離子水，充分分散后，降低攪拌速度，緩慢滴加乙二胺(EDA)水溶液，升溫到45℃，繼續攪拌半小時，得到泛藍光半透明的水性聚氨酯乳液。

1.4抗起毛起球整理工藝

織物規格：純棉針織物，滌毛混紡針織物(52/48)

(1)工藝配方：

整理劑40～80g/L

滲透劑(JFC)20mL/L

去離子水X

總量100g

(2)工藝流程：

一浸一軋(軋余率80～85%)→烘干(80℃，2min)→焙烘(120℃，2min)

1.5性能測試

1.5.1乳液性能測試

(1)膠膜的制備

將水性聚氨酯乳液在聚四氟乙烯板上流延成膜，常溫下靜置2天后，放入恒溫烘箱中，在60℃烘24 h，制成厚度為1 mm左右的膠膜, 供測試用[3]。

(2)膜耐水性的測定：將干燥后的PU膜切成20×20mm大小，在水中常溫浸泡48h，用濾紙吸去表面水珠，按下式計算吸水率[4]：

式中： W0指浸泡前樣品的質量(g)； W1指浸泡后樣品的質量(g)。

(3)固含量的測定： 精確稱取乳液樣品約2～3g，置于已稱重的燒杯中，在恒溫烘箱中(120℃)烘干至恒重、稱重。按下式計算固體質量分數：

式中：M0為空表面皿的質量(g)；M1為烘干前乳液與表面皿的總質量(g)；M2為烘干后乳液與表面皿的總質量(g)。

1.5.2純棉針織物服用性能測試

(1)織物抗起毛起球效果的評定：參照GB/T4802.1-1997進行測試[5]。

(2)織物手感測試：由至少10人用手觸摸評判，結果取平均值，其分為：1級(硬)、2級(較硬)、3級(一般)、4級(較柔軟)、5級(柔軟)五個級別[6]。

(3)織物白度測試：由DSBD-1型數字白度儀測定織物的白度，在測定時織物折疊厚度至少4層，每塊織物取三個點，最后求平均值。

1.5.3乳液性能表征

(1) 傅立葉紅外光譜(FT-IR)表征：壓制KBr晶片，直接以乳液在片上涂膜，并于紅外烘箱中干燥至恒重。使用Nicolet/Nexus 670傅立葉紅外光譜分析儀進行測定，測量范圍為400～4000cm-1。

(2)掃描電鏡表征：對經整理的織物及其空白織物進行噴金處理，通過掃描電鏡在電子掃描點下觀察織物表面微相結構。

2結果與討論

2.1傅立葉紅外光譜(FT-IR)表征

將水性聚氨酯乳液涂于KBr晶片并進行紅外光譜測試，結果如圖1所示。

圖1　WPU的紅外光譜圖

如圖1所示，在2500～2000cm-1范圍內沒有吸收峰，表明一NCO已反應完全，沒有殘留；3370cm-1處出現N—H伸縮振動峰，而3400～3600cm范圍內幾乎看不到吸收峰(游離的一NH吸收峰一般為3447-3600cm-1)，說明硬段氨酯基上的-NH已經氫鍵化；1720cm-1處出現C=0伸縮振動峰，表明C=O也出現了一定程度的氫鍵化(1732cm-1的羰基處于游離態)；1139cm-1處出現C-O非對稱伸縮振動峰。以上均是聚氨酯的特征譜帶[7]。

2.2DMBA對乳液性能的影響

DMBA為新型親水擴鏈劑，比DMPA多了一個亞甲基(-CH2)，所以DMBA在108℃～120℃之間就能溶解在多元醇中，從而解決了傳統用DMPA必須用有機溶劑溶解的難題。DMBA的用量直接影響著膠膜吸水率的大小，進而影響織物整理的耐久性。用量過少，聚氨酯難于分散到水中，乳液穩定性很差；用量過多，乳液藍光充足、透明，但膜的吸水率大或者遇水即溶解。DMBA對聚氨酯乳液性能的影響如表1所示，DMBA用量對膜吸水率的影響如圖2所示。

表1　DMBA用量對聚氨酯乳液性能的影響

如表1所示，當DMBA用量小于4%時，體系粘度很大，攪拌困難，聚氨酯大分子很難分散到水中。隨著DMBA用量的增加，合成變得很容易，乳液外觀從石灰色到泛藍光、微透，但DMBA用量大的話，乳液成膜后光澤度明顯變差。

圖2　DMBA用量對膠膜吸水率的影響

如圖2所示，隨著DMBA用量的增加，膠膜吸水率顯著增大，當用量大于5.5%時，膜吸水率達到20%以上，入水后泛白，耐水性很差。但用量低于4%時，聚氨酯較難分散到水中，乳液外觀呈石灰狀，穩定性很差，綜合考慮表1和圖2，最終確定DMBA用量為4%。

2.3異氰酸根指數對乳液性能的影響

異氰酸根指數(R值)為體系中異氰酸根(-NCO)的摩爾數與羥基(-OH)、羧基(-COOH)的總摩爾數之比。一般來說，當R值越接近于1時，生成的預聚體分子量大，體系粘度大。由于本試驗不采用有機溶劑降黏，所以R值的選擇對能否成功制備穩定的聚氨酯乳液非常重要。表2顯示了R值對聚氨酯乳液性能的影響。

表2　異氰酸根指數(R值)對聚氨酯乳液性能的影響

如上頁表2所示，當R值小于1.8時，體系粘度較大、乳化困難，聚氨酯乳液顆粒較大，穩定性很差。

2.4WPU抗起毛起球整理劑的綜合性能

表3顯示了三種針織物經抗起毛起球整理劑WPU處理后，織物的各項綜合性能。

表3　經WPU處理織物的綜合性能

注：滌毛針織物：WPUA用量80g/L，120℃焙烘3min，純棉針織物：WPU用量40g/L，100℃焙烘3min

由表3可以看出，經WPU處理后的純棉針織物和滌毛針織物抗起毛起球等級提高了4級，且隨著洗滌次數的增加，抗起毛起球性能影響不大。織物的手感和白度均和未處理的原織物一樣。

2.5掃描電鏡(SEM)表征

將織物原樣、經WPU整理的織物分別在起毛起球儀上處理后，進行掃描電鏡(放大100倍)表征。純棉針織物的測試結果如圖3所示，滌毛混紡針織物的測試結果如圖4所示。

(經起毛起球測試的原樣)(經WPUA整理且測試的織物)

圖3純棉針織物未經測試原樣、測試原樣和經WPUA整理的SEM圖像

(經起毛起球測試的原樣)(經WPUA整理且測試的織物)

圖4滌毛混紡針織物的掃描電鏡

由圖3和圖4可以看出，未經WPU整理的織物紗線間彼此纏結在一起，起毛起球明顯；

經WPU整理的織物，纖維的尾端被黏附在了紗線上，織物表面平整，表現出良好的抗起毛起球特性。

3結論

(1)紅外光譜表征，體系中異氰酸根已全部參與反應。

(2)經WPU處理后的針織物抗起毛起球等級提高了4級，且耐洗牢度好，織物的手感和白度均和未處理的原織物一樣。

(3)掃描電鏡(SEM)表征，經WPUA整理的織物，纖維的尾端被黏附在了紗線上，織物表面平整，表現出抗起毛起球的特征。

參考文獻

[1]陳曉玉, 諸葛紅娟. 針織物抗起毛起球整理及其實踐[J]. 針織工業, 2003, 12 (6) : 57-59.

[2]周海峰. 無溶劑法合成高固含量水性聚氨酯[D]. 廣州：中山大學, 2009.

[3 ]Caldwell. Methods for reducing pilling of towels [P]. 美國專利:US 6051034, 2000-04-18.

[4]徐剛.針織物的起毛起球[J].針織工業,1990(6):24-25.

[5]曹萬里,顧志安.織物抗起毛起球整理及抗起毛起球劑ATP 的應用[J] .印染助劑,2003(2) :35-38.

[6]Driggars. Print-receptive , pill-resistant, knitted fleece fabric [P].美國專利:US 6439002 ,2002-08-27.

[7]Perez-Liminana M A，Aran-Ais F，Torro-Palau A M，et a1．Characterization of waterborne polyurethane adhesives containing different amounts of ionic groups[J]．International journal of adhesion and adhesives，2005，25(6)：507-517．

Application of Synthesized Water-borne Polyurethane with Solvent-free Method in Knitted Fabric Pilling Resistance

YANGHua-zhang,DINGChang-bo,ZHAOZhen-he

(School of Textile and Materials, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048)

Abstract:By adopting new hydrophilic chain extender DMBA, the pilling resistance agent WPU was made with solvent-free method, the preparation process was optimized and applied on cotton knitted fabrics and polyester/wool blended knitted fabrics. The results showed that the pilling resistance level of the knitted fabric was enhanced 4 levels while the handle and white degree were the same with the original fabric. The IR spectrum disclosed that isocyanate had fully participated in the reaction. The scanning electron microscope indicated that fiber ends were attached on the surface of yarn after fabric was finished, which showed the pilling resistance characteristic.

Key words:solvent-freepolyurethaneknitted fabricpilling resistance

中圖分類號：TS193

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0099-04

通訊作者：趙振河(1954-)，男，教授，碩士生導師。

收稿日期：2016-01-03

第一作者：楊化章(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：高分子材料的合成和印染助劑的研發。