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一體化聚氨酯丙烯酸酯的合成及其在光固化數碼印花中的應用

2018-03-12 00:43:41孟一丁邵建中王成龍孫廣東浙江理工大學生態染整教育部工程中心浙江杭州3008浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室浙江杭州3008
紡織學報 2018年2期

孟一丁, 邵建中,2, 黃 益,2, 王成龍, 孫廣東(.浙江理工大學 生態染整教育部工程中心, 浙江 杭州 3008; 2.浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 浙江 杭州 3008)

光固化技術是一種以光波為能量源,通過光激發分子的化學反應來實現聚合體系固化的加工技術。由于光固化反應無需加熱,不含溶劑,與常規熱固化相比具有很多獨特的優點,如:固化速率快、反應溫度低、聚合體系靈活可調、適用性廣等。目前光固化技術已在油墨、涂層、黏合劑、三維成型等領域得到應用[1-2]。低聚物作為光固化數碼噴墨印花墨水配方中的主體,決定了噴墨印花墨水的流變性能和固化后材料的理化性質。然而,現有的光固化低聚物主要應用于金屬、陶瓷和半導體等剛性基材上[3-4],固化膜的物理力學性能無法滿足柔性紡織品柔韌性、彈性和手感等的要求。同時,現有低聚物黏度高、流動性差,不能滿足數碼印花系統對其流變性能的要求,進一步限制了其在紡織、皮革等柔性基材上的應用。

聚氨酯作為一種低揮發性有機化合物(VOC)組分,是具有良好的耐磨性、耐候性和高附著力的低聚物,廣泛應用于紡織品涂料印花中[5-7]。而隨著脂肪族異氰酸酯的應用和含氮擴鏈劑的發展,氨基改性聚氨酯低聚物的抗黃變程度與加工條件日趨成熟[8]。含胺聚氨酯對水硬度與灰塵不敏感,適用于紡織品、皮革等大多數陰離子表面,且叔胺可伸入聚氨酯結晶區增強氫鍵與力學性能[9]的同時,共同引發Norrish II型光聚合[10]。而有機硅氧烷作為一種低表面能高柔順性物質,能有效減少纖維間的摩擦系數和增加織物的耐水耐油性能[11]。可見光引發劑樟腦醌(CQ)因其輻射安全和穿透深度的優勢,適合于在生態紡織品中應用[12]。

本文在前期研究基礎上,利用聚氨酯材料的“可裁剪”特性,以N-甲基二乙醇胺(MDEA)為叔胺擴鏈劑,丙烯酸羥乙酯(HEA)為光敏封端劑、聚四氫呋喃與聚硅氧烷(PTMG/PDMS)為軟段,設計合成了一系列有機硅氨基改性光敏聚氨酯丙烯酸酯低聚物。在驗證低聚物化學結構及測試研究其聚合體系流變性能、光聚合性能、物理力學性能和儲藏穩定性等的基礎上,探究了適用于柔性紡織品的光固化數碼噴墨印花墨水的開發及應用。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

4,4-二異氰酸酯二環己基甲烷(H12MDI,分析純,上海邁瑞爾化學技術有限公司);丙烯酸羥乙酯(HEA,分析純,上海阿拉丁生化科技有限公司);聚四氫呋喃醚二醇(PTMG,數均分子量為1 000,分析純,Sigma-Aldrich西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司);端羥基聚硅氧烷(PDMS,數均分子量為1 000,工業級,南京古田化工有限公司);N-甲基二乙醇胺(MDEA,分析純,上海阿拉丁生化科技有限公司);1,4-丁二醇(BDO,分析純,上海化學試劑有限公司);N-甲基吡咯烷酮(NMP,分析純,上海阿拉丁生化科技有限公司);阻聚劑對羥基苯甲醚(MEHQ,分析純,上海阿拉丁生化科技有限公司);催化劑三乙烯二胺(DABCO,分析純,上海阿拉丁生化科技有限公司);光引發劑樟腦醌(CQ,分析純,西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司);助引發劑4-二甲氨基苯甲酸乙酯(EDB,分析純,西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司);三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA,分析純,梯希愛(上海)化成工業發展有限公司);顏料藍60 (C.I. Pigment Blue 60,工業級,科萊恩化工(中國)有限公司)。

Vertex70傅里葉紅外光譜儀,德國Bruker公司;Omnicure S2000光量熱附件,加拿大EXFO公司;Q2000光差示量熱儀,美國TA公司;MCR52旋轉流變儀,奧地利Anton Parr公司;因斯特朗Instron 3367萬能材料試驗機,美國Instron公司;Lambda 35紫外-可將光分光光度計,美國Perkin Elmer公司;帶有EDS附件的ALTRA55場發射掃描電子顯微鏡,德國ZEISS公司;40 W自組裝可見光LED輻照光源(主波長465 nm,線密度為30 mW/cm2);TS-300B自控三維沉積系統,深圳騰盛設備有限公司;PhabroMeter3智能織物風格儀,美國Nucybertek公司。

1.2 聚氨酯丙烯酸酯預聚體的合成

氨基改性聚氨酯丙烯酸酯預聚體(PUA)的制備如下:所有的原料經過脫水干燥處理,在四口燒瓶中加入31.91 mmol的HMDI,將總共10 mmol的PTMG和PDMS滴加至燒瓶中,PDMS的質量分數占PUA預聚體的0~9%。首先,反應在N2氣氛下80 ℃攪拌反應2 h,然后降溫至65 ℃,采用饑餓投料法,先滴加經由NMP稀釋后的8.40 mmol MDEA,隨后滴加4.44 mmol BDO,反應2 h,最后,當NCO值降到理論值3.90%時,加入光敏活性封端劑18.36 mmol HEA,65 ℃反應1 h得到理論分子量約為2 400,投入體系中異氰酸根與羥基的量比R值為1.4的氨基改性光固化聚氨酯丙烯酸酯低聚物,合成反應步驟如圖1所示。

1.3 可見光固化復合膠膜的制備

在制備的聚氨酯丙烯酸酯預聚體中添加一定比例的共聚單體丙烯酸羥乙酯作為活性稀釋劑,添加質量分數為0.5%樟腦醌作為可見光引發劑,在沒有氨基改性的聚氨酯丙烯酸酯固化液中還需添加質量分數為0.5%的4-二甲氨基苯甲酸乙酯作為助引發劑,室溫避光超聲溶解30 min。隨后將復合光固化液置于模具中流平,在藍光LED光源下輻照3 min得到凝膠含量大于95%的丙烯酸酯-丙烯酸羥乙酯(PUA-HEA)共聚復合膠膜。

圖1 氨基改性聚氨酯丙烯酸酯(PUA)的合成反應機制Fig.1 Reaction mechanism of amino modified polyurethane acrylate

1.4 光固化數碼印花墨水的制備及應用

在1.3中制備的復合光固化液基礎上加入質量分數為1%的顏料藍60作為著色劑,適量流平劑、消泡劑等,避光超聲攪拌30 min,制得可見光固化數碼噴墨印花墨水待用。采用三維液體沉積系統對平紋棉機織物進行模擬數碼噴墨印花試驗,參數設置如下:針頭內徑0.15 mm(30 G),氣壓80 kPa,移動速度10 mm/s。最后將噴印完的織物在N2氣氛中置于藍光LED光源下輻照5 min,得到光固化數碼噴墨印花織物。

1.5 性能測試與表征

1.5.1化學結構測試

采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜表征氨基改性聚氨酯丙烯酸酯低聚物的特征官能團,測試分辨率為4 cm-1,掃描32次,測試范圍為4 000~400 cm-1。

1.5.2流變性能測試

采用旋轉流變儀對低聚物及固化液的流變性能進行測試分析。分別選用平板(CP-50)和同軸圓筒(CC-27)對合成低聚物樣品及固化液的靜態和動態流變性能進行測試。靜態流變性能測試參數:溫度為25 ℃,剪切速率為1~1 000 s-1;動態流變性能測試參數:溫度為30~60 ℃,剪切速率為200 s-1。

1.5.3光聚合性能測試

采用 Photo-DSC對樣品的光聚合性能進行測試分析。超純氮氣流速為50 mL/min,約為 20 mW/cm2的藍光光源有氙燈光源通過400~500 nm 濾光片、10%衰減濾光片和石英光纖傳導后導入恒溫(25 ℃)差示量熱儀樣品臺引發聚合。丙烯酸雙鍵的聚合速率(Rp)與熱流(dH/dT)的關系為

(1)

式中:Mnt為PUA與HEA單體混合的平均理論分子量;ΔH0為雙鍵基團的理論熱晗,對于典型的丙烯酸酯類雙鍵而言,ΔH0=86 kJ/mol[13]。

將熱流峰面積積分,根據式(2)計算丙烯酸酯基團的轉化率:

(2)

式中:ΔHt為反應熱隨時間t的演變。

1.5.4光學透明性測試

采用紫外-可見光分光光度計測試厚度約為0.3 mm固化膠膜的光學透明性。掃描范圍為380~800 nm,掃描波長間隔1 nm。

1.5.5固化膜拉伸力學性能測試

根據GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定 第3部分:塑料薄膜和薄片的試驗條件》,其中B型薄膜試樣的相關規定,使用標準模具沖壓,采用萬能材料試驗機對固化膜進行機械拉伸性能測試。測試參數為:溫度(20±2) ℃、相對濕度(65±3)%、夾具間距20 mm,拉伸速度10 mm/min,重復10次。

1.5.6印花織物表觀形貌分析

采用帶有X射線光電子能譜(EDS)的場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察不同放大倍數下復合光固化膜截面與印花織物的外觀形貌。測試樣品噴金處理30 s,工作電壓為1 kV,EDS工作電壓為10 kV。

1.5.7印花織物耐干濕摩擦色牢度測試

根據GB/T 3920—2008《紡織品 色單度試驗 耐摩擦色牢度》中的相關規定,采用摩擦牢度測試儀測試光固化數碼印花織物的干、濕摩擦色牢度,并對比標準灰色樣卡評級。

1.5.8手感風格分析

采用智能織物風格儀對印花織物的剛度、柔軟度和平滑度3個指標進行測試評價,研究光固化墨水對印花織物手感風格的影響。

2 結果與討論

2.1 一體化聚氨酯丙烯酸酯的結構

圖2 氨基改性聚氨酯丙烯酸酯預聚體的紅外光譜Fig.2 FT-IR spectrum of PUA oligomer

2.2 一體化聚氨酯丙烯酸酯的流變性能

聚氨酯丙烯酸酯預聚體在不同剪切速率和不同溫度下的黏度變化如圖3、4所示。聚氨酯丙烯酸酯預聚體的黏度隨剪切速率的增大與溫度的升高顯著降低,表現出典型的聚合物流體剪切變稀現象。這是由于在剪切初期,聚氨酯結構中大量的醚鍵、酯鍵和氨基甲酸酯基團形成了許多分子內或分子間氫鍵,因此體系黏度相對較高。在剪切作用下,上述分子內或分子間的氫鍵不斷發生斷裂,導致體系黏度不斷下降。此外由于聚氨酯丙烯酸酯預聚體的分子質量較低,分子鏈段柔軟,其在60 ℃的剪切黏度低于3 Pa·s。

圖3 30 ℃時剪切速率對聚氨酯丙烯酸酯預聚體剪切黏度的影響Fig.3 Effect of shear rate on viscosity of PUA oligomer at 30 ℃

圖4 200 rad/s溫度變化對時聚氨酯丙烯酸酯預聚體剪切黏度的影響Fig.4 Effect of temperature change on the viscosity of PUA

不同有機硅含量的聚氨酯在復配固化液中的黏度變化如圖5所示。結果顯示隨著有機硅含量的增加,有機硅和聚氨酯體系的相容性變差,體系黏度增加;而當分子量較大時,PUA表現出一定的剪切增稠現象。由于活性稀釋劑HEA與PUA具有良好的相容性,聚合物分子鏈充分伸展,當系統受到剪切時,伸展的聚合物鏈團相互碰撞,損失能量,導致黏度緩慢上升。

注:m(PUA)∶m(HEA)=1∶9。圖5 30 ℃時不同質量分數有機硅復合固化液的剪切黏度Fig.5 Shear rheologic properties of composite fluid with different PDMS at 30 ℃

常溫不避光放置3個月后的復配固化液的黏度變化如圖6所示。可看出,復合固化液放置3個月后的黏度略有上升,光聚合體系穩定,黏度低于20 mPa·s,流動性好,滿足數碼印花墨水對流動性能的要求。

2.3 一體化聚氨酯丙烯酸酯的光聚合性能

典型單體TMPTA在不同光引發劑條件的聚合反應速率與轉化率如圖7所示。結果表明,在沒有助引發劑時,CQ幾乎無法引發聚合反應。這是因為CQ是一種典型的Norrish II型光引發劑,在可見藍光輻照激活條件下,能發生α-β碳碳鍵斷裂,捕捉氫原子供體中的質子引發聚合反應,所以叔胺作為助引發劑和自由基活性中心常常被用于CQ光致聚合反應中。[16]而PUA作為助引發劑時的最大反應速率和最終轉化率高于小分子引發劑EDB,且TMPTA的最終轉化率超過70%。PUA與HEA共聚的最終轉化率更是達到了96%。這主要歸因于氨基改性低聚物分子內的供氫反應和聚合物分子鏈對自由基雙基終止的抑制作用。分子內供氫是指當聚合物分子鏈上存在許多較強的氫供體時,可通過有效的分子內供氫使得激發態的光活性基團捕捉更多的質子,產生更多的初級自由基[17]。聚合物分子鏈的抑制自由基雙基終止效應是指高分子鏈上的自由基的運動受分子鏈本身的影響抑制了活性種雙基耦合終止反應,因此雖然同是抑制了自由基活性種的運動性,但是大分子鏈上的自由基壽命大大增加[18]。與小分子胺體系相比,PUA低聚物結構中的叔胺基團能顯著提高聚合體系交聯密度和光固化產品的力學性能,同時有效避免小分子胺遷移帶來的安全與老化的問題。

注:m(PUA)∶m(HEA)=1∶9。圖6 不避光放置3個月后復合固化液的變剪切黏度Fig.6 Shear rheologic properties of composite fluid after 3 month and not protected from light

圖7 CQ與不同助引發劑引發三羥甲基丙烷三丙烯酸酯的聚合反應速率(a)與轉化率(b)Fig.7 Photopolymerization rate(a) and conversion(b) of TMPTA initiated by CQ and different co-initiator

2.4 聚氨酯丙烯酸酯共聚膜的拉伸力學性能

不同PUA與HEA質量比的復合光固化膜的力學性能如圖8所示。結果顯示,復合光固化膜的斷裂強力先隨著HEA的用量增加而提高,PUA與HEA質量比為1∶9時最大,HEA的質量分數超過90%后,隨著HEA含量的增加,膠膜斷裂強力下降。斷裂伸長率也反映出了相同的規律。此外,斷裂強度和斷裂伸長率的變化也反應了HEA聚合分子的動力學鏈長與高分離鏈的纏結程度。不同HEA含量的光固化膠膜的模量一致,這說明膠膜中PUA作為骨架材料而HEA作為填充材料產生了分子水平的均勻共混,可能有類似的交聯密度、相分離程度和分子內氫鍵水平,間接證明了復合膜存在半互穿聚合物網絡結構(IPN)。這種IPN結構同時保留了聚氨酯與聚丙烯酸酯的各自的優良性能,使其有機互補,提高聚合物的力學性能、黃變與耐候性。

圖8 不同比例HEA復合光固化膠膜的力學性能Fig.8 Mechanical property of visible light cured films with different HEA content

不同有機硅含量聚氨酯的復合光固化膜的力學性能如圖9所示。隨著有機硅質量分數的增加,復合膜的斷裂強力與斷裂伸長率都隨之下降;當有機硅質量分數超過5%時,力學性能下降顯著,100%伸長時的應力小于0.4 MPa。而100%伸長應力的變化說明隨著有機硅含量的增加,復合固化膜的模量下降,膜越柔軟。

圖9 不同有機硅含量聚氨酯的復合光固化膜的力學性能Fig.9 Mechanical property of the visible light cured films with different PDMS contens

2.5 共聚膜的光學性能與接觸角

復合固化膜的可見光透過率如圖10所示。該復合光固化膜在可見光區透過率大于95%,黃變程度低,不同聚合物相容性好,透明度相對高。盡管CQ能有效引發與“光漂白”,但在藍紫光區顯示,仍有一些光引發劑CQ殘留。

圖10 復合光固化膜的光學性能Fig.10 Optical properties of the visible light cured films

不同有機硅含量聚氨酯的復合光固化膜的接觸角如圖11所示。隨著有機硅質量分數的增加,復合固化膜的接觸角先增加,后趨于穩定,而1%質量分數有機硅含量復合光固化膜的接觸角小于未加入有機硅的復合光固化膜。

圖11 不同有機硅質量分數聚氨酯的復合光固化膜的接觸角Fig.11 Contact angle of visible light cured films with different PDMS contens

2.6 聚氨酯丙烯酸酯共聚膜的形態分析

有機硅改性聚氨酯的復合光固化膜表面和內部的X射線光電子能譜和Si元素的全掃描分析如圖12所示。由于有機硅鏈段與聚氨酯體系的相容性不同,復合膜中有機硅鏈段會在光固化過程中向表面能較低的表面遷移,產生類似“表面活性劑臨界膠束”效應,這也解釋了圖9與圖11中的現象。有機硅首先向膜表面遷移,當含量較少時,不足以覆蓋膜表面,反而會導致微相分離,破壞表面的一致性,使表面張力比不加有機硅的小。而當表面逐漸形成連續的有機硅相,超過了“臨界膠束濃度”后,有機硅會在聚氨酯丙烯酸酯體系內部形成膠束,顯著破壞膜的力學性能和完整性。而表面連續的有機硅相能有效降低模量,軟化膠膜手感。

圖12 光固儀膜的X射線能譜圖和Si元素全掃描分析圖Fig.12 EDS and mapping for silicon element of phote cured films. (a) Surface; (b)Insicde; (c) Mapping for silicon element

2.7 一體化墨水在數碼印花中的應用

在上述研究基礎上,選用質量分數為5%PDMS有機硅,PUA與HEA按質量比1∶9混合,加入0.5%光引發劑CQ和1%顏料藍60制備的光固化顏料印花墨水,通過模擬數碼印花系統施加到織物表面,氮氣氣氛中輻射固化5 min后的棉織物如圖13所示。可以觀察到線條平穩流暢,定位精確無滲化,色塊與圖案清晰連續無斷點。

圖13 光固化噴墨印花織物Fig.13 Photo-curable ink-jet printing fabric. (a) Whole printing pattern; (b) Circular line

光固化噴墨印花織物的掃描電鏡照片如圖14所示。由圖14(a)可知,纖維上包覆有連續的光固化膠膜,且在纖維間有少量的黏連圖14(b)。圖14(c)表明,墨水滲入織物組織中5~6根纖維厚度,既不過度交聯影響織物的蓬松結構,又實現了織物的有效顏色固著。

表1示出光固化噴墨印花織物的摩擦牢度測試和織物風格測試數據。可見,光固化噴墨印花墨水具有較好的摩擦牢度和柔軟的手感,這得益于光固化墨水優異的引發與聚合性能以及固化膠膜低模量高柔彈的力學性能。含硅墨水濕摩擦牢度略降低,是因為顏料顆粒的非極性性質促使固化過程中趨向于膠膜表面的有機硅層集中遷移,而有機硅鏈段表面能,低結合能小,機械強度較低,易在含水分摩擦中破碎脫落。

表1 光固化噴墨印花織物的摩擦牢度與風格測試Tab.1 Rubbing fastness and fabric style test of Fabric style test

注:硬挺度、柔軟度、光滑度按得分計,滿分為100分。

圖14 光固化噴墨印花織物的掃描電鏡照片Fig.14 SEM images of Photo-curable ink-jet printing fabric. (a) Cross section of single fiber (×10 000); (b) Surface (×10 000); (c) Cross section (×500)

3 結 論

1)設計合成了一系列有機硅氨基改性光敏聚氨酯丙烯酸酯低聚物,最終轉化率大于95%,可將光區透過率大于95%,拉伸應力為1.5 MPa,最大斷裂伸長率為530%,100%伸長應力低于0.4 MPa,在高轉化率、高透明度、高柔韌性的同時避免了小分子叔胺帶來的毒性和泛黃問題。測試結果表明,該聚氨酯丙烯酸酯在低黏度的同時具有低模量高柔彈和助引發一體化功能,可滿足柔性紡織品對光固化低聚物的基本要求。

2)有機硅表面能較低,在光固化過程中因類似“表面活性劑臨界膠束效應”運動遷移至復合光固化膜表面。有機硅質量分數在5%以內時,較少地影響固化膜的力學性能,并能賦予固化膜較好的柔韌性與耐水性。

3)有機硅質量分數為5%的改性聚氨酯丙烯酸酯10份,共聚單體丙烯酸羥乙酯90份,添加光引發劑樟腦醌0.5份和適量其他助劑,制備光固化噴墨印花墨水。光固化數模噴印墨水應用于織物后,該織物的手感柔軟,干摩擦牢度為4級,濕摩擦牢度為3~4級。

FZXB

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