基于二氧化硅與DM-3668B的滌綸織物疏水疏油整理

張璐璐, 董 晶, 蔣謹凡, 高加勇, 杜金梅

(1.江南大學 a.生態紡織教育部重點實驗室;b.江蘇省功能紡織品工程技術研究中心, 江蘇 無錫214122；2.萊美科技股份有限公司, 浙江 長興 313109)

基于二氧化硅與DM-3668B的滌綸織物疏水疏油整理

張璐璐1, 董 晶1, 蔣謹凡2, 高加勇2, 杜金梅1

(1.江南大學 a.生態紡織教育部重點實驗室;b.江蘇省功能紡織品工程技術研究中心, 江蘇 無錫214122；2.萊美科技股份有限公司, 浙江 長興 313109)

采用自制的二氧化硅納米溶膠對滌綸織物進行預處理, 再利用疏水劑DM-3668B對預處理織物進行疏水疏油處理, 探討了預處理液中二氧化硅溶膠所占比例及DM-3668B質量濃度對滌綸織物疏水性能的影響.研究發現：直接利用溶膠(不經稀釋)進行預處理, 且在DM-3668B質量濃度為40 g/L的工藝條件下, 滌綸織物的疏水性能較單純采用DM-3668B進行處理有較大提升, 同時, 織物對橄欖油展現了較好的疏油性能；二氧化硅和DM-3668B聯合整理滌綸織物后, 二氧化硅溶膠能均勻地分散在織物表面, DM-3668B處理不影響預處理中二氧化硅在滌綸纖維上的分布；聯合整理的織物具有很好的耐淋水、耐靜水壓性能, 織物斷裂強度增大, 同時二氧化硅有利于緩解高溫處理下織物白度下降的問題.

疏水；疏油；滌綸；二氧化硅溶膠；DM-3668B

隨著生活水平的提高, 紡織品的功能整理日益受到人們的關注.目前, 多數面料存在易被水潤濕、易被油劑沾污等問題，這導致面料打理費時費力、洗滌用水量大、洗滌劑污染環境等問題.消費者對紡織面料的防水、防油、易去污性能提出前所未有的高要求[1-3].織物的疏水疏油性是指織物對水及低表面張力油類的阻拒性能.疏水疏油整理的目的是阻止水及油對織物的潤濕, 整理后織物仍然保持透氣透濕性能.疏水疏油整理織物首先用于生產軍服、防護服, 現已廣泛用于制作運動服、旅行包、傘具、帳篷等, 國內外市場上對這類面料的需求正在逐年增加[4-5].滌綸(PET)纖維斷裂強度和彈性模量高、尺寸穩定性好, 耐光、熱性能優異, 抗氧化劑、還原劑、酸能力強, 織物挺括抗皺性好, 具有良好的洗可穿性[6].上述滌綸纖維的優良性能使滌綸織物在紡織領域占有非常大的市場.開發高效滌綸疏水疏油整理方法, 具有非常重要的作用[7].文獻[8-10]研究表明, 增加疏水材料的表面粗糙度能提高材料的疏水性能.疏水劑DM-3668B為高濃度環保型有機氟化合物, 整理的織物具有疏水疏油效果, 但未見其與二氧化硅溶膠聯合使用的相關報道.本文在DM-3668B整理滌綸織物的基礎上, 對滌綸進行二氧化硅溶膠預處理, 通過賦予織物一定的表面粗糙程度的方法提高織物的疏水性能.

1 試 驗

1.1 材料、藥品及儀器

材料: 滌綸織物, 經、緯紗線線密度皆為5.55tex，經、緯密分別為109和81根/10 cm.

藥品: DM-3668B(德美化工), 正硅酸四乙酯(TEOS)、氨水、無水乙醇、橄欖油(國藥集團化學試劑公司, 分析純).

儀器: Aven 26700-300型數字顯微鏡接觸角測試儀(美國盈愛iNEQ集團), 磁力攪拌器(英國STUART公司), 織物滲水性測定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司), YG(B)026D-250型電子織物強力機(溫州大榮紡織標準儀器廠), YB-1813型噴淋測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司), Datacolor650型反射分光光儀(美國Datacolor公司), SU-1510型掃描電子顯微鏡(日本HITACHI公司), Nano-zs90型納米粒度及Zeta電位分析儀(英國MALVERN公司).

1.2 疏水疏油滌綸織物的制備

1.2.1 二氧化硅溶膠制備

在磁力攪拌下, 將 6 mL TEOS用恒壓漏斗滴加到含有 15 mL氨水和 200 mL乙醇混合溶液的圓底燒瓶中, 在常溫下繼續攪拌反應 3 h, 可制備出平均粒徑為 200 nm左右的二氧化硅納米溶膠.

1.2.2 二氧化硅溶膠預處理滌綸織物

將滌綸織物分別浸漬在二氧化硅溶膠的稀釋水溶液中(溶膠占總處理液的質量分數分別為0, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%), 浸漬5min后, 采用兩浸兩軋工藝, 軋余率為90%～100%, 80 ℃烘干.

1.2.3 疏水劑DM-3668B處理滌綸織物

將二氧化硅溶膠預處理的滌綸織物分別浸漬在含DM-3668B質量濃度為20, 30, 40, 50, 60 g/L的水溶液中, 采用兩浸兩軋工藝, 軋余率為90%～100%, 100 ℃烘干1 min后, 180 ℃焙烘0.5 min.

1.3 試驗結果表征

1.3.1 靜態接觸角測量

在織物的不同位置分別滴加10 μL的蒸餾水或橄欖油, 利用數字顯微鏡測量液體在織物上的接觸角, 每個布樣至少取5個點測量, 取平均值作為該布樣的靜態接觸角.

1.3.2 表面形貌分析

采用掃描電子顯微鏡觀察織物表面形貌, 放大倍數為 5 000.

1.3.3 淋水性能測試

參照AATCC-22—2011《防水性: (沾水、淋水試驗)》進行織物耐淋水測試.將試樣棉織物緊繃在沾水儀的繃架上, 取250 mL冷水迅速傾倒至玻璃漏斗內, 使水在25～30 s內淋灑于棉織物表面, 依據測試標準進行評級.

1.3.4 耐水壓測試

參照AATCC-127—2011《耐水性: 流體靜壓測試》進行織物耐水壓測試.在靜水壓測定儀上, 將布樣平置于夾持器上, 把螺桿旋緊使之密閉.當水透過試樣并在布面上出現3滴水珠時即為測試的終點.讀取水柱的高度, 用毫米水柱來表示試樣的耐水壓大小, 測量5次取平均值，并最終轉化為以Pa為試樣的耐靜水壓單位.

1.3.5 斷裂強力測試

參照GB/T 3923—2013《織物拉伸性能斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》檢測織物斷裂強度.沿著織物的經向裁剪5塊25 cm×6 cm的試樣, 在寬度方向將1 cm扯去邊紗使其最終寬度為 5 cm進行織物強力測試.調節強力儀上下布夾間距離為 10 cm, 控制斷裂時間在(20±3)s內.記錄織物斷裂強度, 測量5次取平均值.

1.3.6 白度測試

在反射分光光度儀上測試織物白度.采用D65光源, 標準觀察者, 9 mm孔徑, 含鏡面反射.每個樣品都對折兩次, 然后在織物表面不同位置測3次反射率, 儀器自動取平均值.

1.3.7 耐洗牢度測試

參照AATCC-61—2010標準, 將織物放進耐洗色牢度試驗機中按照標準水洗程序水洗, 設定溫度為49 ℃, 每45 min為一個水洗程序, 相當于5次普通家庭洗滌.測量經過5次水洗程序即25次普通家庭洗滌后織物的接觸角, 對比觀察其耐水洗牢度.

1.3.8 二氧化硅溶膠顆粒尺寸及分布

取定量自制二氧化硅溶膠, 用無水乙醇稀釋1 000倍, 取其中少量稀釋液采用納米Zeta電位分析儀測試乳液顆粒尺寸及分布情況.測試條件為25 ℃恒溫5min后, 循環15次.

2 試驗結果及分析

2.1 滌綸織物疏水疏油性能

2.1.1 二氧化硅溶膠質量分數的影響

由粒徑分析儀測得制備的二氧化硅納米溶膠的平均粒徑為227.6 nm, 聚合物分散性指數(PDI)為0.100.通過改變二氧化硅溶膠的質量分數, 研究預處理液中二氧化硅溶膠質量分數對DM-3668B處理滌綸織物疏水性能的影響.試驗結果如圖1所示, 其中所采用DM-3668B的質量濃度為40 g/L.由圖1可知, 不進行二氧化硅溶劑預處理而僅進行DM-3668B疏水處理的織物, 靜態水接觸角為142°, 隨著二氧化硅溶膠在預處理液中所占比例的增加, 接觸角總體趨勢是逐漸增大, 當用所制備的二氧化硅溶膠直接進行預處理(未經稀釋), 再經疏水劑整理后, 滌綸織物靜態水接觸角達到156°, 織物達到了超疏水效果.由于預處理采用軋烘工藝, 稀釋二氧化硅溶膠導致織物表面獲得的二氧化硅顆粒數量減少, 即織物的表面粗糙程度受到影響從而影響織物的接觸角.

圖1 二氧化硅溶膠的質量分數對滌綸織物疏水效果的影響Fig.1 Influence of the mass fraction of silica sol in solution to the hydrophobicity of PET fabric

2.1.2 疏水劑DM-3668B用量的影響

單獨使用自制二氧化硅溶膠處理滌綸織物, 不使用DM-3668B降低其表面能量, 經整理后的滌綸織物疏水效果沒有明顯變化, 即在未整理的滌綸織物上滴加10 μL水滴后, 水滴在5 s內滲入織物, 而經二氧化硅溶膠預處理的織物, 水滴在10 s內滲入織物.因為試驗制備的二氧化硅溶膠未經高溫煅燒, 硅球表面含有豐富的硅羥基, 其為親水基團.所以, 單純的二氧化硅溶劑預處理對滌綸的疏水性能提高作用不大.依據楊氏方程可知, 降低材料的表面能量有助于提高液體對該材料上的接觸角, 即提高材料的疏水/疏油性能.疏水劑DM-3668B作為一種含氟疏水疏油整理劑, 其可在織物表面形成致密的交聯.氟碳化合物的表面能能量較低, 整理織物后可有效降低織物表面能量.通過改變DM-3668B質量濃度研究其對經二氧化硅溶膠預處理織物疏水性能的影響, 試驗結果如圖2所示.

圖2 DM-3668B質量濃度對滌綸織物疏水效果的影響Fig.2 Influence of the mass concentration of DM-3668B to the hydrophobicity of PET fabric

研究發現, 當DM-3668B質量濃度低于20 g/L時, 水滴易于滲透進入滌綸織物, 即疏水劑用量過低不足以在織物表面形成有效覆蓋[11].由圖2可知, 隨著DM-3668B質量濃度的增加, 織物疏水效果明顯提高, 當質量濃度為40 g/L時, 達到了最高靜態水接觸角.再繼續增大疏水劑質量濃度, 織物的疏水效果不升反降.這可能是由于過量的疏水劑分子在織物表面形成了二層吸附, 即多余的疏水劑的疏水鏈段吸附在織物表層疏水劑的疏水鏈段上, 導致其非疏水部分外露, 從而降低了織物的疏水性能.所以, 為了達到最好的疏水效果, 經100%未稀釋的二氧化硅溶膠預處理的滌綸織物選擇DM-3668B疏水處理的質量濃度應為40 g/L.

10 μL水滴和橄欖油在經二氧化硅和DM-3668B聯合整理的滌綸織物及僅進行DM-3668B疏水劑處理的滌綸織物上的照片如圖3所示.雖然二氧化硅和DM-3668B聯合整理的滌綸織物(圖3(d), 125°)與僅進行DM-3668B處理的滌綸織物(圖3(c), 122°)相比, 其對橄欖油的疏油效果相差不大, 但是對疏水效果有較大影響(圖3(b)的156°及圖3(a)的142°).

圖3 液珠(10 μL)在滌綸織物上的照片Fig.3 Image of liquid (10 μL) on PET fabric

未經任何處理、僅經DM-3668B疏水劑處理、二氧化硅溶膠處理、二氧化硅與DM-3668B聯合處理的滌綸織物的表面形貌SEM圖如圖4所示.由圖4可知： 單純的DM-3668B處理(圖4(b))對于織物表面形貌、粗糙程度(圖4(a))沒有任何影響；制備的二氧化硅溶膠可均勻地分散在纖維表面(圖4(c))；DM-3668B處理對織物已有的二氧化硅微球分布基本不產生影響(圖4(c)和4(d)).圖4(b)與4(d)充分顯示了二氧化硅溶膠處理后織物表面粗糙程度有很大提高. 根據Wenzel和Cassie-Baxter理論[2]可知, 增加低表面能物質的表面粗糙度可以提高其疏水性, 這也解釋了為什么經二氧化硅和DM-3668B聯合處理的滌綸織物的疏水效果要優于僅進行DM-3668B疏水處理的織物, 即增加材料表面粗糙程度可提高織物的疏水性能.

圖4 織物表面形貌SEM圖Fig.4 SEM image of surface morphology of PET fabric

2.3 滌綸織物物理性能

疏水整理前后織物的物理性能如表1所示.

表1 滌綸織物疏水整理前后物理性能

由表1可知, 單純采用二氧化硅溶劑預處理滌綸織物, 對織物的疏水性能(耐淋水、靜水壓)、斷裂強度及白度影響不大.僅經DM-3668B疏水劑處理和二氧化硅與DM-3668B聯合整理的滌綸織物的耐淋水性能優異, 都達到了5級.二氧化硅與DM-3668B聯合整理的滌綸織物的耐靜水壓性能超過僅采用DM-3668B疏水劑處理的滌綸織物.兩種工藝整理的滌綸織物的斷裂強度較未經處理織物均有所提高, 其中聯合整理的織物斷裂強度最高.這可能是由于DM-3668B疏水劑的疏水基在織物纖維上向外整齊排列, 使纖維之間的摩擦發生在相互滑動的疏水基之間, 纖維的摩擦因數大大降低, 從而織物在受到外力時紗線易于滑動, 應力分散, 這減少了織物由于應力集中而導致的大分子斷裂.經單純DM-3668B疏水劑處理后織物白度下降, 這可能是由于高溫焙烘下, 滌綸發生脆損.但是經過二氧化硅溶膠預處理, 可以有效緩解白度下降的問題, 可見二氧化硅有助于提升織物的白度.

牢度對于織物改性或紡織品整理的效果評價非常重要.依據AATCC 61—2010標準進行5次循環洗滌(相當于25次普通家庭洗滌)后織物的水及橄欖油接觸角數據如表2所示.由表2可知, 單獨使用DM-3668B疏水處理滌綸織物與聯合二氧化硅溶膠共同整理滌綸織物, 經過25次普通家庭水洗后, 織物都能保持良好的疏水/疏油性能, 具有較好的耐水洗性.由此可見, 二氧化硅溶膠預處理不會對DM-3668B疏水劑與滌綸織物之間的親和力產生重大影響, 而且DM-3668B在滌綸織物表面能夠形成致密的交聯, 將二氧化硅顆粒與織物包覆, 使其不易脫落.

表2 水洗前后滌綸織物的接觸角

3 結 語

本文通過改變自制二氧化硅溶膠在預處理液所占比例及疏水劑DM-3668B的質量濃度，探討了二氧化硅及DM-3668B對滌綸織物疏水效果的影響.研究發現, 二氧化硅不經稀釋直接進行預處理的滌綸織物疏水效果最好.為了達到最佳的疏水效果, 應采用二氧化硅溶膠預處理的滌綸織物且DM-3668B的質量濃度為40 g/L.盡管二氧化硅預處理對于提高織物疏油性能影響不大, 但其能有效增大DM-3668B整理滌綸織物的疏水效果.基于二氧化硅和DM-3668B聯合整理的滌綸織物具有優異的耐淋水、靜水壓性能；同時, 能夠提高織物的斷裂強度, 有效解決白度下降的問題.整理工藝采用軋烘焙工藝, 可連續化生產.二氧化硅預處理雖然對織物疏水性能有較大提高, 但疏油性能提高不顯著. 今后的研究方向需進一步研究其他尺寸二氧化硅能否有效提高織物的疏油性能, 制備出超疏水疏油織物.

[1] ZHOU R, CAO J, EHMANN K, et al. An investigation on deformation based surface texturing [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering Transactions of the Asme, 2011, 133 (6): 061011-061017.

[2] YAN Y Y, GAO N, BARTHLOTT W. Mimicking natural superhydrophobic surfaces and grasping the wetting process: A review on recent progress in preparing superhydrophobic surfaces [J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2011, 169 (2): 80-105.

[3] LEE H J, WILLIS C R, STONE C A. Modeling and preparation of a super-oleophobic non-woven fabric [J]. Journal of Materials Science, 2011, 46 (11): 3907-3913.

[4] 杜金梅, 羅雄方, 唐燁, 等. 采用正硅酸四乙酯/十八烷基胺制備滌綸疏水織物[J]. 功能材料, 2015, 12(36): 6001-6005.

[5] CAO L L, PRICE T P, WEISS M, et al. Super water and oil-repellent surfaces on intrinsically hydrophilic and oleophilic porous silicon films [J]. Langmuir, 2008, 24 (5): 1640-1643.

[6] 蔡再生. 纖維化學與物理[M]. 北京: 中國紡織出版社, 2009: 255-265.

[7] 齊高璨, 張煥, 袁志好. 氧化鋅納米棒改性滌綸綢緞的超疏水與抑菌性能[J]. 無機鹽工業, 2010, 42 (4): 58-61.

[8] 鄭振容, 吳濤林. 超疏水棉織物的簡易制備技術[J]. 紡織學報, 2013, 34(9): 94-98.

[9] 薛朝華, 張平, 姬鵬婷, 等. TiO2/SiO2核殼結構微粒的合成及超疏水防紫外線功能織物的制備[J].陜西科技大學學報(自然科學版), 2013, 6(31): 45-52.

[10] 齊連懷, 楊清香, 湯凱, 等.超疏水硅橡膠涂層的制備[J].材料科學與工程學報, 2014, 32 (2): 272-275.

[11] 閻克路. 染整工藝與原理(上)[M]. 北京: 中國紡織出版社, 2009: 269-279.

(責任編輯: 楊 靜)

Hydrophobic and Oleophobic Treatment of Polyester Fabric Based on SiO2and DM-3668B

ZHANGLulu1,DONGJing1,JIANGJinfan2,GAOJiayong2,DUJinmei1

(a.Key Laboratory of Eco-textiles, Ministry of Education;b.Jiangsu Engineering Technology Research Center for Functional Textiles, 1.Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 2. Laimei Sci-Tech Inc., Changxing 313109, China)

Hydrophobic and oleophobic polyester fabric was prepared via the pretreatment of silica sol made in lab and the treatment of hydrophobic agent (DM-3668B). The influence of the ratio of silica sol in solution and the mass concentration of DM-3668B to the hydrophobicity of polyester fabric was studied. It was found that if polyester fabric was treated with silica sol which had not done any dilute during pretreatment before and with 40 g/L of DM-3668B, the treated fabric would be more hydrophobic than fabric which was only treated by DM-3668B. The treated fabric was oleophobic to olive oil. It was also found that silica sol could be evenly distributed on the fabric and the following DM-3668B had almost no influence on the distribution of silica. Fabric treated with silica sol and DM-3668B had good resistance to water spray and penetration of water under hydrostatic pressure. The breaking strength and whiteness of treated fabric were increased compared with the fabric treated only with DM-3668B. It was found that silica could help reduce the whiteness loss caused by high temperature treatment.

hydrophobic; oleophobic; polyester; silica sol; DM-3668B

1671-0444 (2017)03-0388-05

2016-05-13

國家自然科學基金資助項目(51203065); 江南大學自主科研計劃重點資助項目(JUSRP51622A)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

張璐璐(1992—)，女,山東東營人，碩士研究生，研究方向為紡織品功能整理.E-mail：zll2608@163.com 杜金梅(聯系人)，女，副教授，E-mail：jinmei_du@jiangnan.edu.cn

TS 195.6

A