王嘉欣,郝應超,蔣 學,王鴻博,高衛東
(1.江南大學 a.紡織服裝學院;b.生態紡織教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122;2.江蘇盛虹科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215228)
研究與技術
β-環糊精接枝改性聚酯纖維織物的親水性能
王嘉欣1,郝應超2,蔣 學1,王鴻博1,高衛東1
(1.江南大學 a.紡織服裝學院;b.生態紡織教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122;2.江蘇盛虹科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215228)
采用軋烘焙工藝引發β-環糊精對聚酯纖維織物進行接枝,探討以1,2,3,4-丁烷四羧酸為交聯劑、次亞磷酸鈉為催化劑的條件下接枝環糊精以期提高聚酯纖維織物親水性能的工藝條件。研究得出:β-環糊精處理聚酯纖維織物的最佳條件是β-環糊精質量濃度100 g/L,與丁烷四羧酸的摩爾比1:3;烘焙的最佳條件是低溫烘干6 min,高溫烘焙3 min。回潮率測試結果表明,改性聚酯纖維織物的回潮率隨接枝率的增加而逐漸增大,當接枝率達到最大值16.11%時,改性聚酯纖維織物的回潮率可達2.18%。聚酯纖維織物經30次洗滌后減重率控制在2%以內,說明接枝牢度優異。
聚酯纖維織物;β-環糊精;1,2,3,4-丁烷四羧酸;親水性能;軋烘焙
聚酯纖維(聚對苯二甲酸乙二醇酯),商品名稱滌綸,即中國在20世紀80、90年代俗稱的“的確良”。它不僅是所有合成纖維中的最大類屬,而且是目前為止在全世界范圍內產量最大的化學纖維。聚酯纖維憑借其結實耐用、不易變形、易洗快干等優異性能被廣泛地應用在服裝面料和工業制品的生產研發中。但是因為聚酯纖維本身的親水性能很差,分子中除了端醇羥基之外沒有其他的極性基團。纖維與纖維之間的結構比較致密,結晶度和取向度很高,這些結構特點決定了聚酯纖維的回潮率只有0.4%。極低的回潮率使得聚酯纖維織物的吸濕性能、染色性能均較差,且織物容易起靜電,穿著時不透氣。隨著現代生活水平的不斷提高,人們對于生活質量也有了更高的追求,對于服裝的要求已不僅是為了保暖避寒,更多地開始追求面料的舒適性和功能性。在這個現狀下,改善聚酯纖維織物的親水性勢在必行[1-8]。
目前,提高聚酯纖維吸濕性的方法主要有紡絲過程中的改性和后整理改性。在紡絲改性中,一般可以采用物理方法使纖維實現超細化、微孔化或異形化,制成相應的超細聚酯纖維、中空微孔纖維和異性纖維,從而使聚酯纖維具有親水性能。在后整理改性中,多采用化學改性,如接枝共聚或涂層處理的方式。在化學改性方法中,主要采用親水性基團接枝共聚,在聚酯大分子中引入羥基、羧基、磺酸基、醚鍵等親水性基團以提高纖維吸濕性,或者應用適應于聚酯的親水整理劑,如環氧類整理劑[9-13]。但是這些方法中采用的反應物部分有毒,會對環境造成污染,不利于綠色環保的理念。所以尋求無毒無害且能與聚酯發生反應的單體,成為改善聚酯纖維親水性能的研究方向與發展趨勢[14-16]。
環糊精是由淀粉在葡萄糖基轉移酶催化下得到的6個以上D-吡喃葡萄糖單元以1,4-糖苷鍵連接的具有“外親水、內疏水”特征的環狀低聚糖化合物。α-環糊精、β-環糊精、γ-環糊精是目前比較常見的三種環糊精,分別是由6、7、8個葡萄糖單元連接而成。其中β-環糊精的產率最高,應用也最為廣泛。目前環糊精已經發展成為超分子化學最主要的主體之一,各種環糊精及其衍生物在國內外食品、藥物、化工、生物技術、日用消費品等領域有著廣泛的應用[17-19]。
選擇環糊精作為改善聚酯纖維織物親水性的接枝單體,是因為環糊精的外層部分含有大量的羥基,具有較強的親水性,因此把環糊精接枝到聚酯纖維織物上可以達到提高織物吸濕性的目的。另外,環糊精能夠儲存多年不變質,且毒性很低。更重要的是,環糊精本身可生物降解,不會造成環境污染,這也符合當下綠色環保的理念。
本文以1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)為交聯劑、次亞磷酸鈉(SHP)為催化劑,采用軋烘焙工藝,將β-環糊精(β-CD)接枝到聚酯纖維織物上。經過改性后的聚酯纖維織物的親水性能明顯提高,且整個實驗過程環保無污染,實現了綠色永久地改善聚酯纖維織物親水性能的目的[21-24]。
1.1 材料與試劑
聚酯纖維織物(嘉興欣悅天絲印染有限公司);1,2,3,4-丁烷四羧酸(98%,北京百靈威科技有限公司);β-環糊精(β-CD)、次亞磷酸鈉、一水(98.0%~103.0%的)、丙酮(≥99.5%)、乙醇(≥99.7%的無水乙醇)、去離子水(國藥集團化學試劑有限公司)。
1.2 儀器與設備
EL303電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司),PUG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司),YMPO-30軋車(萊州元茂儀器有限公司),R-3定型烘干機(瑞比染色試機有限公司),恒溫恒濕箱(上海—恒科學儀器有限公司),KRUSS-DSA25全自動接觸角測量儀(大昌華嘉商業(中國)有限公司),SW-24E耐洗牢度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司),SU1510掃描電子顯微鏡(日本日立株式會社)。
1.3 方 法
實驗過程:將尺寸一定的聚酯纖維織物經丙酮、乙醇和去離子水洗凈烘干后稱重→置于反應溶液中攪拌2 h→軋烘焙(織物帶液率為100%)→充分清洗后烘干稱重→置于恒溫恒濕箱內24 h后稱重。
反應條件:β-環糊精(97~485 g/L)、1,2,3,4-丁烷四羧酸(100 g/L)、次亞磷酸鈉(19.4~100 g/L),烘焙溫度與時間(100 ℃時1~6 min,160 ℃時1~6 min)。
烘焙中的烘主要是指烘干聚酯纖維織物中水分,所以以此依據設定低溫烘干溫度為100 ℃。焙是指高溫烘焙,使環糊精與織物纖維分子產生交聯鍵合反應。通過查閱相關文獻[20,25],設定高溫焙烘的溫度為160 ℃。使用到的儀器有YMPO-30軋車和R-3定型烘干機。
1.4 性能測試
1.4.1 回潮率
回潮率指纖維所含水分質量與干燥纖維質量的百分比。將改性后的聚酯纖維織物在PUG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱內烘干后放入恒溫恒濕箱內平衡24 h,用EL303電子天平分別對平衡前后的織物進行稱重。本文中回潮率的測定參考GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》的方法進行,如下式所示:

(1)
式中:G為待測試樣在恒溫恒濕箱中(20 ℃,65%)穩定24 h后的質量;G0為待測試樣的干質量。
1.4.2 接枝率
使用電子天平分別準確稱量接枝前后織物的干質量,通過下式計算接枝后織物的接枝率:

(2)
式中:Gj為接枝后織物質量;Gi為接枝前織物質量。
1.4.3 接枝牢度
接枝牢度參照AATCC 61—2010《耐水洗色牢度》方法,使用SW-24E耐洗色牢度儀分別測試接枝率不同的10個樣品的接枝牢度。將10個樣品分別浸泡在150 mL的皂洗液中,其中含有0.15%皂片,50顆鋼珠。在49 ℃下洗滌,每45 min為一次,烘干稱重。
1.4.4 接觸角
使用KRUSS-DSA25全自動接觸角測量儀測接觸角,分別將未處理聚酯纖維織物和處理后聚酯纖維織物固定于載玻片上,放置于待測平臺,以2 μL的體積、0.16 mL/min的加液速度進行測試。分別記錄下液滴剛滴落、10 s、20 s和1 min時接觸角的大小,并進行對比分析。
2.1 影響接枝率的因素
2.1.1 接枝機理
在加熱的條件下,BTCA分子中相鄰的兩個羧酸在SHP的作用下會先脫水生成性質活潑的環酐,環酐很容易與纖維上的羥基發生酯化交聯反應。隨著體系溫度進一步升高,BTCA分子中的環酐又可以與β-CD上的羥基發生酯化反應,從而以BTCA為橋梁將β-CD固載到聚酯大分子上。
2.1.2 反應時間
2.1.2.1 低溫烘干時間對接枝率的影響
當β-CD質量濃度為100 g/L,BTCA質量濃度為100 g/L,SHP質量濃度為20 g/L,160 ℃下固化3 min時,接枝率隨100 ℃下反應時間的變化如圖1所示。

圖1 低溫烘干時間對接枝率的影響Fig.1 Effect of drying duration at low temperature on grafting ratio
由圖1可以看出,接枝率隨時間的變化呈現先增加后減小的趨勢。在1~6 min內,織物的接枝率呈現逐步增加的趨勢,這是因為隨著時間的增加,反應逐步進行,在6 min達到最大值15.53%。分析認為,這是因為BTCA上有很多可以與β-CD上的羥基反應的活性基團,即BTCA可以與β-CD在聚酯纖維織物表面生成一層可與聚酯纖維織物中的羥基和羧基進行反應的交聯的環糊精。
2.1.2.2 高溫烘焙時間對接枝率的影響
當β-CD質量濃度為100 g/L,BTCA質量濃度為100 g/L,次亞磷酸鈉質量濃度為20 g/L,100 ℃下干燥6 min時,接枝率隨160 ℃下反應時間的變化如圖2所示。

圖2 高溫烘焙時間對接枝率的影響Fig.2 Effect of drying duration at high temperature on grafting ratio
由圖2可知,隨著時間的增加,接枝率呈現先增加后減小的趨勢,在3 min時達到最大值17.83%。3 min之后接枝率逐漸減小可能是因為隨著反應時間的增加,BTCA分子內會發生內部蒸發,從而導致反應停止,接枝率下降。
2.1.3 β-CD與BTCA的摩爾比
配制50 mL含有β-CD、BTCA和NaH2PO2的水溶液。β-CD與BTCA摩爾比為1:1,1:2,1:3,1:4,1:5,其中BTCA的質量不變,為5 g,催化劑次亞磷酸鈉與β-CD的比例一定,為1:5。反應條件為100℃下反應6 min,160 ℃下反應3 min。
每個β-CD分子有七個羥基可以和BTCA分子中的羧基反應。β-CD與BTCA的摩爾比與該反應有著不可分割的關系,而且對聚酯纖維織物的親水性能有著重要的影響。β-CD與BTCA的摩爾比對織物接枝率的影響如圖3所示。

圖3 β-CD和BTCA摩爾比對接枝率的影響Fig.3 Effect of molar ratio of β-CD to BTCA agent on grafting ratio
由圖3可知,接枝率在摩爾比為1:1~1:2內,接枝率的大小呈現出較大波動性且無規律,在1:2~1:5內,接枝率呈現先大幅增加后小幅減小的趨勢。這是因為β-CD與BTCA之間的聚合反應發生在織物的烘焙過程中,但是這一聚合反應可能會因為一些BTCA分子內部的蒸發而停止。這會形成環酯并且導致織物的親水性下降。在摩爾比的范圍在1:2~1:3時,大部分的BTCA分子都和β-CD形成了共聚物。
2.2 表面形態分析
通過SU1510掃描電子顯微鏡觀察接枝β-CD前后聚酯纖維織物的表面形貌,可以進一步了解親水性能得到改善的原因。圖4為接枝前后聚酯纖維織物的表面形貌。由圖4(a)可看出,未接枝的聚酯纖維織物表面光滑,并且纖維排列較疏松,纖維之間彼此獨立。而接枝之后的聚酯纖維織物如圖4(b)(c)(d)所示,纖維之間明顯發生交聯現象,且隨著接枝率的增加,交聯度也隨之增加。
2.3 接觸角性能分析
通過分析織物在不同時間內接觸角大小(表1),可以看出未改性的聚酯纖維織物接觸角基本保持在122°左右,上下浮動不大。而改性后的聚酯纖維織物接觸角在10 s內由119.17°降為0,說明經過改性后的聚酯纖維織物親水性能明顯提高。

表1 聚酯纖維織物在不同時間內接觸角大小Tab.1 Contact angle of polyester fiber fabrics at different times
由圖5(a)(b)可以看出,未改性的聚酯纖維織物的接觸角在1 min內基本沒有什么變化,液滴也基本維持原狀。圖5(c)是接枝β-CD的聚酯纖維織物液滴剛滴下時的形狀,而圖5(d)則是1 min后的狀態,可以看到液滴完全滲透到織物內,說明改性后的聚酯纖維織物親水性能明顯提高。
2.4 改性后織物耐久性
配制含有0.225 g皂片的150 mL水溶液,分別將2.54 cm×5.08 cm的接枝織物和50粒不銹鋼鋼珠放入,在49 ℃下進行皂洗,每45 min相當于洗滌5次,洗滌后不同接枝率的改性聚酯纖維織物的質量變化如表2所示。由表2可知,10個樣品的質量在經過30次洗滌之后,質量變化均不大,說明接枝織物的接枝牢度是良好的。

圖5 聚酯纖維織物接觸角性能測試Fig.5 Test of contact angle of polyester fiber fabrics

表2 經不同洗滌次數后接枝織物的質量變化Tab.2 Mass change of grafted fabrics after being washed at different frequencies
將經過不同洗滌次數后的織物置于恒溫恒濕箱內一定時間,得到改性后織物的回潮率隨著洗滌次數的增加略有下降,但變化不大。接觸角隨著洗滌次數的增加略有增加,但液滴最終都完全被織物吸收。說明織物回潮率與接觸角是密切相關的,回潮率的減少意味著接觸角的增加。這些測試數據也說明改性后的織物親水性能的耐久性是良好的。
2.5 接枝率對織物親水性能的影響
接枝率對聚酯纖維織物回潮率的影響如圖6所示。由圖6可知,聚酯纖維織物的回潮率隨接枝率的增大而增大,在接枝率為16.11%時,聚酯纖維織物的回潮率可達2.18%。這是因為β-CD接枝到聚酯大分子鏈上,使得大分子鏈上含有了親水性基團羥基,提升了聚酯纖維織物的回潮率,即提高了聚酯纖維織物的親水性能。

圖6 接枝率對回潮率的影響Fig.6 Effect of grafting ratio on moisture regain
在以1,2,3,4-丁烷四羧酸為交聯劑、次亞磷酸鈉為催化劑的前提下,采用軋烘焙工藝可以將β-環糊精接枝到聚酯纖維織物上。改性后織物的接枝率,隨反應物之間的比例、反應時間的不同而變化。當β-環糊精的質量濃度為161.7 g/L,1,2,3,4-丁烷四羧酸質量濃度為100 g/L,次亞磷酸鈉質量濃度為32.34 g/L,低溫烘干時間為6 min,高溫烘焙時間為3 min時,織物的接枝率達到最大(16.11%)。經過改性后的聚酯纖維織物在最高接枝率時,回潮率達到2.18%。改性后織物的接觸角也在短時間內降為零,這充分說明織物的親水性能較未改性聚酯纖維織物明顯提高。改性后的聚酯纖維織物經30次洗滌后減重率約1.5%,回潮率、接觸角變化均不大,說明經1,2,3,4-丁烷四羧酸交聯接枝β-環糊精的聚酯纖維織物具有優良的接枝牢度,即其親水性能具有持久性。
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Hydrophilicpropertyofpolyesterfiberfabricssubjecttograftmodificationbyβ-cyclodextrin
WANG Jiaxin1,HAO Yingchao2,JIANG Xue1,WANG Hongbo1,GAO Weidong1
(1a.College of Textiles and Clothing;1b.Key Laboratory of Eco-textiles,Ministry of Education,Jiangnan University, Wuxi 214122,China; 2.Sheng Hong Group Holdings Limited,Suzhou 215228,China)
Graft modification of polyester fiber fabric with β-cyclodextrin was initiated with pad-dry-cure process,to discuss the technological conditions for improving the hydrophilic property of polyester fiber fabric with 1,2,3,4-butane tetra carboxylic acid as cross linking agent and sodium hypophosphite as catalyst. Research shows that the optimum conditions for processing polyester fiber fabric with β-cyclodextrin are:mass concentration of β-cyclodextrin:100 g/L,and molar ratio of β-cyclodextrin to butane tetra carboxylic acid:1:3; the optimum cure conditions are:drying at low temperature for 6 minutes,and drying at high temperature for 3 minutes. The test result of moisture regain suggests that the moisture regain of modified polymer fiber fabric gradually rises with the increase of grafting ratio,and can reach up to 2.18% as the grafting ratio reaches the maximum (16.11%). The weight-loss ratio of polymer fiber fabric remains within 2% after washing 30 times,indicating that it is of good grafting fastness.
polyester fiber fabric; β-cyclodextrin; 1,2,3,4-butane tetra carboxylic acid; hydrophilicity; pad-dry-cure
10.3969/j.issn.1001-7003.2017.08.003
2016-11-29;
:2017-06-12
中央高校基本科研業務費資助項目(JUS RP51622A、JUSRP51515);國家自然科學基金項目(31570578);江蘇高校優勢學科建設工程項目(JHB20蘇政辦發137號)

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