面對自然災害防護用棉織物的防水整理

葉遠麗， 李飛， 馮志忠， 陸鋒， 張璐璐

(1.圣華盾防護科技股份有限公司，江蘇 江陰 214413；2.江南大學 江蘇省功能紡織品工程技術研究中心，江蘇 無錫 214122)

復雜的自然災害環境下，紡織品存在易被潤濕沾污、易燃、被細菌污染等問題，致使其應用過程中安全系數降低，使用受限，因此功能紡織品的研究越來越受人們的關注[1]。人們對紡織品的服用性能要求越來越高，要求其具有舒適性、拒水性、抗菌、抗靜電、阻燃性等功能。棉纖維作為人類使用時間最長的一種天然纖維，至今仍具有廣泛的應用空間，但棉纖維上有大量羥基，具有很強的親水性，易于吸附各種液體，影響其服用性能，因此改善棉織物表面疏水性能，具有很好的現實意義。

織物疏水性能的表征之一是水滴在其表面的靜態接觸角大于90°[2-3]。文中以具有長碳鏈的低表面能物質十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)降低棉織物的表面能量[4-6]，制備疏水棉織物[7]，并通過HDTMS整理工藝優化棉織物的靜態水接觸角[8]和滾動角。

1 實驗

1．1 原料和儀器

1.1.1織物 平紋純棉，規格：經緯紗線密度為14.58 tex，經緯密分別為133根/dm、72根/dm。

1.1.2藥品 鹽酸、無水乙醇、95%乙醇，均為分析純，國藥集團化學試劑公司提供；HDTMS，分析純，北京百靈威科技有限公司提供。

1.1.3儀器 SU1510掃描電子顯微鏡，日本日立公司制造；26700-300數字顯微鏡接觸角測試儀，美國盈愛iNEQ集團制造；ESP301旋轉角測試儀，美國Newport公司制造。

1.2 HDTMS整理棉織物

用一定量的HDTMS為低表面能改性劑，無水乙醇作溶劑，浴比為1∶30，濃度為0.1 mol/L 的HCl作催化劑，置于磁力攪拌器上，在室溫下水解一定時間，浸布后靜置一定時間，二浸二軋(軋余率90%～100%)后進行焙烘。

1．3 樣品的性能及表征

1.3.1掃描電鏡測試 取HDTMS整理后的棉織物，使用電子顯微鏡對其進行形貌表征，放大倍數為3 000倍，觀察棉織物的表面形態特征。

1.3.2靜態接觸角測量 接觸角是由接觸角測量儀測量獲得。蒸餾水體積為10 μL，至少選擇同一織物的5個不同位置，測量其接觸角，取平均值。表面接觸角越大，說明織物的疏水性能越好。

1.3.3滾動角測量 將樣品放置到旋轉角測試儀的載物臺上，用水平儀保證材料表面的水平。移液器針頭與樣品的垂直距離保持為1 cm，液滴滴加在樣品中心范圍內，每個樣品至少測量5次滾動角，取平均值[9-10]。液體運動時的傾斜角度越小，說明液體越易脫離材料表面。

1.3.4斷裂強力測試 織物斷裂強力的測定按照GB/T 3923—2013進行。原棉織物和HDTMS整理后的棉織物各取3塊剪成經向、緯向長為20 cm×5.5 cm條樣，扯去邊紗，使其寬邊的有效長度為5 cm，調節織物斷裂強力儀上下布夾間距離為10 cm，控制斷裂時間在(20±3) s內。按上述測試標準對布樣進行操作，記錄實驗結果，取平均值。

2 結果與討論

HDTMS是具有長碳鏈結構的硅氧烷化合物，烷烴鏈為疏水性基團。HDTMS可在酸的催化作用下水解形成烷基硅醇，烷基硅醇之間能發生縮聚反應，相互交聯覆蓋在織物表面，從而使織物的表面自由能因烷烴鏈的存在而降低,使其具有疏水效果。接觸角可以衡量織物的疏水效果，但水滴從織物上滾落時受到多種因素的影響，測量水滴滾落時的角度可以更好地表達織物的拒水性[11-12]。

2.1 HDTMS用量對棉織物疏水整理效果的影響

固定其他處理條件，只改變HDTMS的用量，通過測量處理后棉織物的接觸角和滾動角分析HDTMS用量對棉織物疏水效果的影響。實驗過程中發現，當HDTMS質量分數為0.1%時，處理后織物幾乎沒有拒水效果，水滴在3 s內滲透織物；當其質量分數為0.5%時，水滴在30 min之內會滲透織物，說明HDTMS濃度過低時，與纖維結合的程度難以達到預期的拒水效果；其質量分數為1%時會存在沾水現象，用量再增加后此現象逐漸消失。圖1為織物疏水整理效果與HDTMS用量(相對于無水乙醇)的關系曲線。

圖1 HDTMS用量與棉織物疏水整理效果關系Fig.1 Relationship of the amount of HDTMS with hydrophobicity of treated cotton fabric

由圖1(a)可知，在一定的范圍內，隨著HDTMS用量的增加，處理后棉織物的接觸角會增大，當其質量分數為3%時，接觸角達到133°，HDTMS濃度再增大，疏水性能變化不大，這可能是由于HDTMS在棉織物上達到吸附覆蓋有關。由圖1(b)水滴在處理后織物上的滾動效果曲線發現，HDTMS質量分數為1%時，40 μL的水滴在織物上難以滾落，接觸角滯后現象嚴重，隨著HDTMS用量的增加，40 μL的水滴可以滾落且接觸角滯后現象減弱，當其質量分數增加到3%以上時，40 μL水的滾動角控制在(32±2)°的范圍之內，不再發生明顯變化。綜合考慮各種因素，選用3%的HDTMS處理棉織物。

2.2 催化劑HCl用量對棉織物疏水整理效果的影響

HCl作為催化劑會促進HDTMS的水解反應程度，圖2顯示了HCl用量對HDTMS整理棉織物疏水效果的影響。由圖2(a)可知，當HCl質量分數為0.8%(相對于無水乙醇)時，整理后織物的接觸角達到133°，HCl用量再增加，接觸角不會發生明顯的增長。HCl濃度較低可能影響HDTMS的水解反應程度，導致水解形成的Si—OH濃度偏低，影響硅醇之間的縮聚及與棉織物的反應。根據圖2(b)中40 μL水滴在織物上的滾動效果，可以發現催化劑HCl質量分數為0.8%和1.0%對滾動角的影響不明顯，都在(32±2)°的范圍之內。因為纖維素纖維對酸的敏感性，氫離子濃度增加會催化苷鍵的降解，所以催化劑HCI質量分數選擇控制在0.8%(相對于無水乙醇)。

圖2 催化劑HCl用量與棉織物疏水整理效果關系Fig.2 Relationship of the amount of HCl with hydrophobicity of treated cotton fabric

2.3 HDTMS水解溫度對棉織物疏水整理效果的影響

HDTMS的水解程度和反應速率有可能受到水解溫度的影響。圖3為HDTMS水解溫度與織物疏水效果的關系曲線。圖3(a)中HDTMS水解溫度在20～30 ℃時，整理后織物的接觸角均達到133°，表明此反應可以在室溫下進行，且在20～30 ℃之間，溫度對反應的影響變化不大；水解溫度高于30 ℃時，接觸角下降。圖3(b)中隨著溫度的升高，40 μL水滴滾落時的角度增大，且接觸角滯后現象趨于嚴重。因此，HDTMS的水解反應控制在室溫下進行。

圖3 溫度與棉織物疏水整理效果關系Fig.3 Relationship of temperature with hydrophobicity of treated cotton fabric

2.4 HDTMS水解時間對棉織物疏水整理的影響

圖4為HDTMS的水解時間對其整理棉織物的疏水效果的影響規律。圖4(a)中隨著水解時間的增加，織物的接觸角變大，疏水效果變好，60 min時接觸角可以達到133°，但水解時間再增加，對織物的疏水影響不大。由圖4(b)可以看出，雖然水解時間為5,10 min時織物都具有疏水性，但水滴的滾動角很大，40 μL的水滴滾落時需要織物傾斜(45±5)°；而水解60 min及以上時，水滴滾落只需(32±2)°。綜上所述，在達到一定的接觸角的情況下，室溫下水解60 min，硅氧烷的水解縮聚反應程度會較好，所得織物水滴的滾動角較小，因此HDTMS的水解時間選擇為60 min。

圖4 水解時間與棉織物疏水整理效果關系Fig.4 Relationship of the hydrolysis time with hydrophobicity of treated cotton fabric

2.5 浸漬時間對棉織物疏水效果的影響

浸漬時間是指烷基硅氧烷水解60 min結束后，將織物浸到烷基硅氧烷水解液中的時間。室溫下水解形成的烷基硅醇與棉纖維上羥基的反應程度很低，浸漬是為了使烷基硅醇更好地吸附在織物上，圖5為了浸漬時間對HDTMS處理織物的影響規律。由圖5可以看出，整理后織物的接觸角隨織物浸漬HDTMS水解液的時間的增加變化不大。雖然浸漬5 min后整理的織物接觸角達到了131°，但是40 μL水滴滾落時需要傾斜(35±2)°。浸漬時間達到10 min以上時，水滴的滾動效果會變好，減小到(33±3)°的范圍內。因此選擇浸漬10 min，使水解HDTMS吸附更加均勻。

圖5 浸漬時間與棉織物疏水整理關系Fig.5 Relationship of the immersion time with hydrophobicity of treated cotton fabric

2.6 焙烘溫度對棉織物疏水整理效果的影響

水解的HDTMS需要能量發生縮聚反應。焙烘溫度對HDTMS在織物上的縮聚反應影響規律見表1。由表1可以看出，焙烘溫度低于120 ℃時，織物具有一定的疏水性，但40 μL水滴的滾動角較大；當溫度達到120 ℃時，接觸角和滾動角效果都比較好，溫度再升高，接觸角和滾動角都無明顯變化，因此焙烘溫度可選擇為120 ℃。

表1焙烘溫度對棉織物疏水整理效果的影響

Tab.1Effectofbakingtemperatureonhydrophobicityoftreatedcottonfabrics

焙烘溫度/℃接觸角/(°)滾動角/(°)10012341±211012637±212013332±213013431±2

2.7 焙烘時間對棉織物疏水整理效果的影響

焙烘時間可能會影響反應進行的程度，固定其他條件，改變焙烘時間，表2列出了焙烘時間對HDTMS整理棉織物的疏水效果影響規律。由表2可以看出，焙烘時間對水滴在織物上的接觸角和滾動角沒有明顯影響。焙烘5 min時，織物已經可以達到很好的拒水效果。

表2焙烘時間對棉織物疏水整理效果的影響

Tab.2Effectofbakingtimeonhydrophobicityoftreatedcottonfabrics

焙烘時間/min接觸角/(°)滾動角/(°)513134±23013136±26013235±29013334±2

2.8 斷裂強力測試

圖6為原棉與HDTMS整理棉布的SEM對比。未經整理的原棉織物的經向斷裂強度為885 N，緯向為410 N；HDTMS疏水整理棉織物后經向斷裂強度為763 N，緯向為342 N。由此可見，經過HDTMS處理后的棉織物強力會有一定程度的損失，經向為14%，緯向為17%。這是多種因素共同作用的結果：①由于使用HCl催化水解，溶液為酸性，會引起對纖維素苷鍵的水解，但酸的用量較少，氫離子的濃度相對來說較低，纖維未發生明顯斷裂；②HDTMS會在纖維表面相互交聯形成彈性膜覆蓋在纖維的表面，減少外力作用時應力集中導致纖維斷裂。

圖6 原棉與HDTMS整理棉布的SEM對比 Fig.6 SEM image of raw cotton and cotton treated by HDTMS

2.9 棉織物形貌表征

由圖6可以看出，原棉的表面相對比較光滑，而HDTMS整理的棉織物纖維表面有明顯的薄膜狀覆蓋物。這可能是由于水解HDTMS在纖維表面縮聚，形成相互交聯的膜及微小顆粒狀物質。

3 結語

經過對HDTMS疏水整理理棉織物工藝的探討，分析了HDTMS濃度、反應溫度和時間、焙烘溫度和時間對整理效果的影響。測試結果表明其最佳工藝為：浴比為1∶30，無水乙醇作溶劑，濃度為0.1 mol/L的HCl作催化劑，m(無水乙醇)∶m(HDTMS)∶m(HCl)=100∶3∶0.8,室溫下水解60 min；棉布放入處理液中浸漬10 min，二浸二軋(軋余率90%～100%)，120 ℃焙烘5 min。處理后棉織物的接觸角為133°，40 μL水滴滾落時的角度范圍在(32±2)°之間，并且棉織物強力損失不大。整理后棉織物防水等級達到4級以上，滿足自然環境下紡織品的防水性能，且織物透氣性好，具有一定的舒適性。

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