有機硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液對棉織物的抗皺整理

顏 東, 鄧繼勇， 汪南方， 王連軍

(湖南工程學院 生態紡織材料及染整新技術湖南省高校重點實驗室， 湖南 湘潭 411104)

純棉織物洗后晾干易縮水變皺，影響織物的懸垂性和美觀，對其進行抗皺整理可提高織物的服用功能和附加值[1]。目前染整行業常用醚化二羥甲基二羥基乙烯脲樹脂(2D樹脂)作為織物抗皺整理劑，但2D樹脂在使用過程中易釋放甲醛，造成壞境污染及對人體健康的危害；近年來開發的多羧酸類[2]、縮醛類[3]、環氧樹脂類[4]抗皺免燙整理劑雖然解決了2D樹脂釋放甲醛的問題，但整理效果不如2D樹酯，同時還伴有強力降低。

水性聚氨酯是一類無醛織物整理劑[5]，織物經其整理后可有效提高防縮防皺性[6-7]、斷裂強力[8]、防水透濕性能[9]和柔順性[10]，同時還可增加耐熱遷移性[11-12]、阻燃[13]和抗微生物治療[14]功能；但目前國內相關研發產品種類較少，抗皺整理性能還有待改善。基于此，本文采用具有低表面能的有機硅功能單體對聚氨酯/丙烯酸酯乳液進行改性，制備一類有機硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液，將其應用于棉織物抗皺整理，對織物的折皺回復角與力學性能等進行測試。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

材料：純棉織物，經緯紗線密度均為40 tex，經密、緯密分別為315、236根/10 cm。

試劑：異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、三羥甲基丙烷(TMP)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、甲乙酮肟(MEKO)、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、乙烯基三甲氧基硅烷、丙烯酸丁酯，均為分析純。

儀器：FTIR-1500型傅里葉變換紅外光譜儀(天津中世沃克科技發展有限公司)、YG026H型多功能電子織物強力機(寧波紡織儀器廠)、YG541E型自動激光織物抗皺彈性測試儀(寧波紡織儀器廠)、S-4700型冷電場掃描電子顯微鏡(日本日立公司)、OCA100型接觸角測量儀(德國KRUSS公司)、WSB-3 A型智能式數字白度計(溫州大榮紡織儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1聚氨酯單體的制備

在帶有恒壓滴液漏斗、機械攪拌、冷凝管和溫度計的250 mL四口燒瓶中加入10.0 g異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)、2.0 g三羥甲基丙烷(TMP)和20 mL乙酸乙酯，加熱升溫至75 ℃，反應1.5～2 h；然后滴加5 mL溶有1.952 g甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)的乙酸乙酯溶液，15 min內滴加完畢，反應1 h；最后滴加5 mL溶有2.613 g甲乙酮肟(MEKO)的乙酸乙酯溶液，20 min內滴加完畢，反應1～1.5 h；冷卻得目標單體，待用。聚氨酯單體的合成路線如圖1所示。

圖1 聚氨酯單體合成路線Fig.1 Synthetic route of polyurethane monomer

1.2.2小分子有機硅改性共聚物乳液的制備

將83 g的20%(質量分數)聚氨酯單體、15%甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、9%乙烯基三甲氧基硅烷，56%丙烯酸丁酯等單體溶于無水乙醇，在機械攪拌下緩慢升溫至78 ℃，滴加單體總量為1%的引發劑的乙醇溶液，控制在2 h內滴加完畢，反應2 h，加入與GMA等物質的量的二乙醇胺，開環反應1 h，降溫至50 ℃，滴加乙酸中和，反應完畢后，加蒸餾水，得到理論固含量為25%的乳液，過濾去不溶物，于50 ℃下真空旋出乙醇留待后用。

1.2.3棉織物的抗皺整理方法

根據乳液的固含量，用蒸餾水將其稀釋至質量分數為5%左右的整理液，在室溫下，將棉織物放入整理液中完全浸泡，在均勻軋車上浸軋整理液(二浸二軋，第1次浸漬4 min，第2次浸漬3 min，軋液率為75%)，在熱定型機中80 ℃預烘3 min，135 ℃烘焙5 min，然后水洗、烘干。

1.2.4棉織物的耐皂洗方法

將尺寸為40 mm×100 mm的棉織物經整理后放于皂液中，在常溫下經機械攪拌浸泡洗滌30 min。再經沖洗、干燥。

1.3 測試方法

1.3.1紅外吸收光譜表征

采用FTIR-1500型紅外光譜儀測定乳液的紅外吸收光譜。將乳液涂抹在KBr壓片上制樣，波數范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.2折皺回復角測試

采用YG541E型自動激光織物抗皺彈性測試儀按照GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復性的測定 回復角法》測定織物的折皺回復角。

1.3.3斷裂強力測試

采用YG026H型多功能電子織物強力機按照GB/T 3923.1—2013 《紡織品 織物拉伸性能測定方法》測試整理棉織物的斷裂強力，每次測3個數據取平均值。

1.3.4形貌觀察

采用S-4700型冷電場掃描電鏡進行掃描，室溫操作，放大倍數為2 000。

1.3.5薄膜接觸角測定

采用OCA100型接觸角測試儀測試整理后織物對水的接觸角。將1 μL去離子水滴于整理后的織物表面上進行測試，每個樣品選取3個點進行測試，取平均值。

1.3.6白度測試

采用WSB-3 A型智能式數字白度計按照GB/T 8424.2—2001《紡織品 色牢度試驗 相對白度的儀器評定方法》測試整理后棉織物的白度，每次測3個數據平均值。

2 結果與討論

2.1 紅外吸收光譜

圖2 乳液的紅外光譜Fig.2 FT-IR spectrum of emulsion

2.2 整理劑質量分數對棉織物性能的影響

固定其他整理參數不變，考察改性乳液整理劑用量對棉織物性能的影響，結果見表1。可以看出，隨著整理劑質量分數的增加，整理后棉織物的經緯向折皺回復角、斷裂強力和斷裂伸長率均增大。這是因為隨著整理劑質量分數的增大，整理劑與棉短纖維間的交聯增多，增強了纖維間的結合力，折皺回復角也隨之增大，但白度略有降低。當其質量分數達到5%時，繼續增大整理劑用量，折皺回復角、斷裂強力、斷裂伸長率和白度等變化均不太明顯，因此，聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液整理劑的質量分數以5%為宜。

表1 整理劑質量分數對棉織物性能的影響Tab.1 Influence of finishing agent dosage onproperties of cotton fabric

2.3 浸漬時間對棉織物性能的影響

固定其他整理參數不變，考察浸漬時間(二浸時間之和)對棉織物性能的影響，結果如表2所示。可以看出，隨著浸漬時間的延長，整理后棉織物的經緯向折皺回復角、斷裂強力和斷裂伸長率均增大。浸漬時間延長，整理劑與纖維間接觸量增多，交聯量也會增多，棉短纖維間的結合力增強，使織物強力、折皺回復角也增大，但白度略有降低。當浸漬時間達到7 min時，此時可保證棉織物上有充分的整理劑覆蓋在其上；繼續延長浸漬時間，折皺回復角、斷裂強力、斷裂伸長率和白度等變化均不很明顯：因此，浸漬時間以7 min為宜。

表2浸漬時間對棉織物性能的影響
Tab.2Influenceofimpregnationtimeonpropertiesofcottonfabric

浸漬時間/min白度/%折皺回復角/(°)經向緯向斷裂強力/N斷裂伸長率/%596.590.482.7313.921.8695.597.588.5318.522.9795.2103.393.1323.525.4895.0104.293.9323.825.9

2.4 焙烘溫度和時間對棉織物性能的影響

固定其他整理參數不變，分別考察焙烘溫度和時間對棉織物整理性能的影響，結果見表3、4。

表3 焙烘溫度對棉織物性能的影響Tab.3 Influence of baking temperature on properties of cotton fabric

表4 焙烘時間對棉織物性能的影響Tab.4 Influence of baking time on properties of cotton fabric

由表3可知，隨著焙烘溫度的升高，整理后棉織物經緯向的折皺回復角均增大，斷裂強力和斷裂伸長率先增后減，白度有降低。烘焙溫度直接影響到聚氨酯的解封，溫度在持續升高的過程中，解封的異氰酸酯鍵(—NCO)增多，與棉織物上羥基的反應也隨之增多，增強了棉短纖維間的結合力。當焙烘溫度達到135 ℃時，繼續升高焙烘溫度，折皺回復角、斷裂強力、斷裂伸長率等變化均不很明顯。當焙烘溫度升高到155 ℃時，2種乳液整理后棉織物的斷裂強力、斷裂伸長率均略有降低，這是因為高溫解封過劇，導致共聚物分子間交聯加劇，在棉織物表面沉積不均勻，使受力不均導致斷裂強力、斷裂伸長率略有降低。同時考慮到節能，焙烘溫度以135 ℃為宜。

由表4可知，隨著焙烘時間的延長，整理后織物的經緯向折皺回復角均增大，斷裂強力和斷裂伸長率先增后減，白度略有降低。當烘焙時間較短時，隨著烘焙時間的延長，解封的異氰酸酯鍵較多，與織物上羥基的交聯也增多，使其纖維間的結合力增強，織物折皺回復角和強力得以提升。當烘焙時間較長時，解封的異氰酸酯鍵越多，導致其分子間的交聯加劇，之后不均勻地沉積在棉織物上，導致受力不均，使得斷裂強力和斷裂伸長率有所降低。當焙烘時間達到5 min時，抗皺整理的綜合效果較佳，這表明單位體積棉布上的羥基基本已被整理劑反應完全，同時考慮到節能，最終確定焙烘時間為5 min。

2.5 皂洗次數對整理后棉織物性能的影響

通過上述單因素分析，得到改性共聚乳液對棉織物的最佳整理工藝條件：聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液質量分數為5%，浸漬總時間為7 min，80 ℃預烘3 min，135 ℃烘焙5 min。在此條件下，考察皂洗次數對棉織物性能的影響，結果如表5所示。

表5 皂洗次數對整理后棉織物性能的影響Tab.5 Influence of soap washing times on properties of finished cotton fabric

由表5可知，隨著皂洗次數的增多，整理后棉織物的經緯向折皺回復角、斷裂強力和斷裂伸長率均略微降低，但白度略有升高。這是因為在加熱整理中，以甲乙酮肟封端的異氰酸酯鍵被解封，其能夠與棉纖維上的游離羥基發生反應，形成不易洗去的網狀大分子。這可進一步驗證乳液在高溫整理中發生了解封反應，同時也說明改性乳液整理后的織物具有良好的耐皂洗性能。

2.6 整理前后棉織物的外觀形貌分析

改性乳液整理前后棉織物的外觀形貌照片如圖3所示。可以看出：未整理棉織物的表面比較粗糙，有許多裂紋；而經聚氨酯/丙烯酸酯乳液整理后棉織物的表面較為平滑，且纖維之間相互黏連，形成了一層薄膜，表明在棉纖維表面已附著改性的共聚物大分子，經過整理后棉織物的纖維損傷得到了修復，進而改善了棉織物的品質，其抗皺性能也得到了提高。

圖3 整理前后棉織物的掃描電鏡照片Fig.3 SEM images of cotton fabrics before and after finishing. (a) Unfinished cotton fabric; (b) Finished cotton fabric

2.7 整理后棉織物的接觸角分析

整理后棉織物的接觸角測試結果如圖4所示。可以看出，經共聚乳液整理后棉織物的接觸角高達134.5°，顯示了良好的拒水性。

圖4 整理后棉織物的接觸角分析Fig.4 Contact angle analysis of cotton fabrics after finishing

3 結 論

1)以有機硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液作為織物整理劑時，其最佳整理條件為：共聚乳液質量分數5%，浸漬總時間7 min，80 ℃預烘3 min，135 ℃烘焙5 min，此時整理棉織物的經緯向折皺回復角分別為103.3°和93.1°，斷裂強力為323.5 N，斷裂伸長率為25.4%。

2)有機硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液是一類新型高效織物抗皺整理劑，對棉織物具有良好的抗皺性能，并可使織物的強力增加；同時經共聚乳液整理后的棉織物具有良好的拒水性能，在多功能織物整理技術領域具有良好的應用前景。

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