基于短鏈含氟丙烯酸酯細(xì)乳液的棉織物拒水拒油整理

錢(qián)海洪， 王鴻博， 杜金梅， 傅佳佳， 王文聰

(1. 江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著消費(fèi)升級(jí)時(shí)代的到來(lái)，消費(fèi)者對(duì)于紡織品附加功能的要求日益提升，具有特殊性能的綠色紡織品備受青睞，其中拒水拒油紡織品的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。含氟丙烯酸酯類(lèi)聚合物由于其優(yōu)異的拒水拒油性能而廣泛應(yīng)用于織物后整理領(lǐng)域[1]。含氟鏈段中的C—F鍵的鍵能大，穩(wěn)定性好，且—CF3基團(tuán)具有最低的表面張力，可顯著降低織物臨界表面張力和表面自由能[2]，使其不被各種液體潤(rùn)濕，從而達(dá)到拒水拒油的效果。

目前，人們認(rèn)識(shí)到含氟碳鏈數(shù)大于或等于8的丙烯酸酯聚合物氧化降解的最終產(chǎn)物為全氟辛基磺酰(PFOS)和全氟辛酸類(lèi)化合物(PFOA),這2類(lèi)化合物具有極強(qiáng)的生物積累性，難以降解，對(duì)環(huán)境造成危害，故已被全面禁止使用[3]。因此，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型短鏈含氟丙烯酸酯類(lèi)聚合物成為研究熱點(diǎn)。Barmentlo等[4]對(duì)含碳數(shù)分別為4、6的含氟化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，四碳化合物的危害更小且不易產(chǎn)生生物積累。Jiang等[5-6]以全氟丁基化合物為單體進(jìn)行乳液聚合，但是經(jīng)含氟乳液整理后棉織物表面含氟量較低，拒水拒油效果未能滿足市場(chǎng)要求，且對(duì)織物服用性能影響較大。

本文采用四碳含氟單體及非含氟丙烯酸酯類(lèi)功能單體進(jìn)行細(xì)乳液聚合，制備四元共聚物細(xì)乳液，并將其應(yīng)用于棉織物拒水拒油后整理，提高整理后棉織物的拒水拒油效果和耐洗牢度。另外，考察了棉織物預(yù)處理方式、后整理工藝對(duì)拒水拒油效果的影響，并通過(guò)單因素分析法對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行優(yōu)化。在最優(yōu)工藝條件下，表征了整理后棉織物的形貌結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

材料：純棉平紋織物，經(jīng)緯紗線密度均為14.5 tex，經(jīng)緯密分別為523、283根/(10 cm)，由華紡股份有限公司提供。本文實(shí)驗(yàn)所用織物均為退漿、煮練、絲光處理后的棉織物。

試劑：十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；十二硫醇(SH，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；丙烯酸丁酯(BA，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；2-(全氟丁基)乙基丙烯酸酯(C4F，96%，上海上氟科技有限公司)；丙烯酸十八酯(SA，化學(xué)純，百靈威科技有限公司)；甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA，化學(xué)純，百靈威科技有限公司)，2，2′-偶氮二(2-甲基丙基脒)二鹽酸鹽(AIBA，化學(xué)純，百靈威科技有限公司)；聚氧乙烯月桂醚(Brij L4，98%，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1短鏈含氟丙烯酸酯細(xì)乳液的制備

預(yù)乳化：分別稱(chēng)取適量的非離子乳化劑Brij L4和陽(yáng)離子乳化劑CTAB，將二者同時(shí)溶于一定量的去離子水中，隨后加入少量的助乳化劑SH，于50 ℃水浴環(huán)境中低速攪拌10 min。將4種單體C4F、SA、BA、GMA按照量比為2∶1∶0.1∶0.1的比例混合均勻后逐滴滴入上述制備的乳化劑水溶液中，并將其置于50 ℃水浴環(huán)境中勻速攪拌30 min，而后轉(zhuǎn)移至均質(zhì)機(jī)上以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌15 min，最終制得均勻的白色單體預(yù)乳液。

細(xì)乳液聚合：將預(yù)乳化過(guò)程中制備的單體預(yù)乳液轉(zhuǎn)移至帶有攪拌裝置、溫度計(jì)、冷凝管的四口燒瓶中，在氮?dú)夥諊碌退贁嚢瑁饾u加熱至70 ℃后，使用恒壓漏斗逐滴滴加AIBA水溶液，滴加時(shí)間為1.5 h，滴加結(jié)束保溫1.5 h。最后降溫、過(guò)濾，得到目標(biāo)細(xì)乳液。經(jīng)測(cè)試可知，制備的短鏈含氟丙烯酸酯細(xì)乳液固含量為29.5%，凝膠率為0.325%，平均粒徑為125 nm。圖1示出為細(xì)乳液聚合的具體合成路線。

圖1 細(xì)乳液聚合合成路線Fig.1 Synthetic route of miniemulsion polymerization

1.2.2棉織物預(yù)處理工藝

1.2.2.1等離子體預(yù)處理 利用SY-DT03S型低溫等離子體處理儀對(duì)棉織物進(jìn)行預(yù)處理，參數(shù)設(shè)置為：氣體流量80 Pa·m3/s，處理功率160 W，時(shí)間2 min。

1.2.2.2超聲波預(yù)處理 利用SK6210 HP型超聲波處理儀對(duì)棉織物進(jìn)行預(yù)處理，參數(shù)設(shè)置為：功率500 W，時(shí)間15 min，溫度50 ℃。

1.2.3棉織物拒水拒油整理工藝

利用去離子水將制備的共聚物細(xì)乳液稀釋至不同濃度，并將pH值調(diào)節(jié)至9.5，而后將經(jīng)等離子體預(yù)處理前的棉織物和原棉織物放置于稀釋后的乳液中浸漬30 min，浴比為1∶30，最后經(jīng)二浸二軋(軋余率為90%)—預(yù)烘—焙烘處理后用去離子水洗去織物表面殘留的試劑，并于低溫環(huán)境下烘干。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1乳膠膜結(jié)構(gòu)表征

采用NICOLET is10型傅里葉紅外變換光譜儀(FT-IR)，將細(xì)乳液乳膠膜在衰減全反射(ATR)模式下進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，測(cè)試范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.2表面形貌觀察

將原樣和經(jīng)不同條件處理的棉織物分別置于導(dǎo)電膠帶上，表面經(jīng)噴金處理后，通過(guò)SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察織物表面形貌變化情況，放大倍數(shù)為5 000，工作電壓為5 kV。

1.3.3表面元素表征

利用250XI型X射線光電子能譜儀(XPS)分別對(duì)聚合物乳膠膜和棉織物進(jìn)行分析，表征乳膠膜結(jié)構(gòu)及拒水拒油整理前后棉織物表面元素的變化及各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增減。采用AlKα射線作為激發(fā)源，工作電壓和燈絲電流分別為12.5 kV和6 mA。

1.3.4靜態(tài)接觸角測(cè)試

以棉織物對(duì)水、油(橄欖油、十六烷)的靜態(tài)接觸角大小來(lái)衡量拒水拒油效果。利用DSA25型接觸角測(cè)試儀對(duì)棉織物進(jìn)行靜態(tài)接觸角測(cè)試，先分別將5 μL測(cè)試液體滴于織物表面，30 s后開(kāi)始測(cè)試。同一樣品測(cè)試5次，結(jié)果取其平均值。

1.3.5耐洗牢度測(cè)試

參照GB/T 12490—2014《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐家庭和商業(yè)洗滌色牢度》，利用SW-24E型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)對(duì)棉織物分別洗滌5～30次后測(cè)試其耐水洗性能。

1.3.6服用性能測(cè)試

1.3.6.1斷裂強(qiáng)力測(cè)試 參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，將織物裁剪成長(zhǎng)為25 cm、寬為5 cm的試樣，拉伸隔距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min，經(jīng)緯向各測(cè)試5次，結(jié)果取其平均值。

1.3.6.2白度測(cè)試 參照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度試驗(yàn)方法》，采用Data color 650TM型電腦測(cè)色配色儀測(cè)試處理前后棉織物的白度變化，以白度值(CIE)大小進(jìn)行衡量。測(cè)試時(shí)窗口直徑為25 mm，將試樣折疊4層后在不同位置測(cè)試4次，結(jié)果取其平均值。

1.3.6.3折皺回復(fù)角測(cè)試 參照GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復(fù)性的測(cè)定 回復(fù)角法》，采用YG541E型自動(dòng)激光織物抗皺彈性測(cè)試儀測(cè)試織物的急彈性回復(fù)角和緩彈性回復(fù)角。

2 結(jié)果與討論

2.1 棉織物預(yù)處理方法優(yōu)化

在細(xì)乳液質(zhì)量濃度為20 g/L，浸漬時(shí)間為30 min，90 ℃預(yù)烘4 min，150 ℃焙烘3 min的拒水拒油整理工藝條件下對(duì)棉織物進(jìn)行處理，探討不同預(yù)處理方法對(duì)棉織物拒水拒油效果的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 預(yù)處理方法對(duì)棉織物接觸角的影響Tab.1 Influence of pretreatment method on contact angle of cotton fabric (°)

由表1可知：棉織物經(jīng)等離子體和超聲波預(yù)處理后，其對(duì)水、油的靜態(tài)接觸角都有不同程度的提高；其中，等離子體預(yù)處理后棉織物的效果更明顯，棉織物對(duì)十六烷的接觸角增加了6°，效果最好。經(jīng)分析可知，等離子體預(yù)處理過(guò)程會(huì)刻蝕棉織物表面，使其產(chǎn)生更多活性基團(tuán)，大大增加了與聚合物的反應(yīng)概率，從而進(jìn)一步改善了棉織物的拒水拒油效果；因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)所用棉織物均經(jīng)過(guò)等離子體預(yù)處理。

2.2 棉織物拒水拒油整理工藝優(yōu)化

2.2.1細(xì)乳液質(zhì)量濃度優(yōu)化

保持浸漬時(shí)間為30 min， 90 ℃預(yù)烘4 min，150 ℃焙烘3 min不變的條件下，探討細(xì)乳液質(zhì)量濃度對(duì)棉織物接觸角的影響，結(jié)果如圖2所示。可以看出：當(dāng)整理劑質(zhì)量濃度在0～60 g/L范圍時(shí)，棉織物對(duì)水、油的接觸角呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；當(dāng)整理劑質(zhì)量濃度超過(guò)60 g/L后，棉織物的拒水拒油效果接近極限。這主要是因?yàn)樵谡韯┵|(zhì)量濃度較低時(shí)，固含量低，形成的含氟丙烯酸酯薄膜易破損，織物表面存在未被薄膜包覆的區(qū)域，極易被水、油潤(rùn)濕；而當(dāng)濃度較高時(shí)，織物表面形成了部分多余的薄膜，且隨著質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，越來(lái)越多的親水性乳化劑富集于試樣表面，從而降低其拒水拒油效果[7]。當(dāng)整理劑質(zhì)量濃度為60 g/L時(shí)，拒水拒油效果最佳，該參數(shù)下棉織物對(duì)水的接觸角為157°，對(duì)橄欖油的接觸角為151°，對(duì)十六烷的接觸角為131°；因此選擇整理劑質(zhì)量濃度為60 g/L。

2.2.2預(yù)烘工藝優(yōu)化

保持整理工藝參數(shù)細(xì)乳液質(zhì)量濃度為60 g/L，浸漬時(shí)間為30 min，150 ℃焙烘3 min不變的條件下，分別探討預(yù)烘溫度和預(yù)烘時(shí)間對(duì)棉織物接觸角的影響，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 預(yù)烘溫度對(duì)棉織物接觸角的影響Fig.3 Influence of drying temperature on contact angle of cotton fabric

圖4 預(yù)烘時(shí)間對(duì)棉織物接觸角的影響Fig.4 Influence of drying time on contact angle of cotton fabric

由圖3、4可看出：隨著預(yù)烘溫度和時(shí)間的增加，棉織物對(duì)水、油的接觸角先增加而后無(wú)明顯變化；當(dāng)預(yù)烘溫度為80 ℃，時(shí)間為3 min時(shí)，棉織物對(duì)水、橄欖油和十六烷的接觸角值基本處于最高點(diǎn)，分別為156°、152°、130°。因此選擇預(yù)烘溫度為80 ℃，預(yù)烘時(shí)間為3 min。

2.2.3焙烘工藝優(yōu)化

保持整理工藝參數(shù)細(xì)乳液質(zhì)量濃度為60 g/L，浸漬時(shí)間為30 min，80 ℃預(yù)烘3 min不變的條件下，分別探究焙烘溫度和焙烘時(shí)間對(duì)棉織物接觸角的影響，結(jié)果如表2、3所示。

表2 焙烘溫度對(duì)棉織物接觸角的影響Tab.2 Influence of baking temperature on contact angle of cotton fabric

注：焙烘時(shí)間為4 min。

表3 焙烘時(shí)間對(duì)棉織物接觸角的影響Tab.3 Influence of baking time on contact angle of cotton fabric

注：焙烘溫度為160 ℃；棉織物原樣白度值為76.27%。

由表2、3可看出：隨著焙烘溫度從140 ℃升至180 ℃，焙烘時(shí)間從1 min延長(zhǎng)至5 min，棉織物的拒水拒油效果逐漸改善；當(dāng)焙烘溫度為160 ℃、焙烘時(shí)間為3 min時(shí)，棉織物對(duì)水、油的接觸角值最大；而當(dāng)繼續(xù)升高溫度和延長(zhǎng)時(shí)間，接觸角略有下降。這是因?yàn)殡S著焙烘溫度和焙烘時(shí)間的增加，含氟聚合物大分子鏈在棉纖維內(nèi)部逐漸擴(kuò)散并形成薄膜，在高溫環(huán)境下含氟鏈段在纖維表面有序排列，且取向朝外[8]，從而提高棉織物拒水拒油效果。但隨著焙烘溫度的升高和焙烘時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)棉織物的白度、手感均會(huì)產(chǎn)生較大影響，綜合考慮，選擇焙烘溫度為160 ℃，焙烘時(shí)間為3 min。

綜上所述，短鏈含氟丙烯酸酯細(xì)乳液的最佳拒水拒油整理工藝為：細(xì)乳液質(zhì)量濃度60 g/L，浸漬時(shí)間30 min，80 ℃預(yù)烘3 min，160 ℃焙烘3 min。在該工藝下，棉織物對(duì)水、橄欖油和十六烷的接觸角分別為160°、154°、135°。

2.3 結(jié)構(gòu)與形貌分析

2.3.1聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖5 含氟丙烯酸酯聚合物乳膠膜的紅外光譜Fig.5 FT-IR spectrum of fluorinated acrylate polymer latex film

2.3.2聚合物元素分析

圖6為含氟丙烯酸酯聚合物乳膠膜的X射線能譜圖。由圖6(a)可知，根據(jù)譜峰相對(duì)應(yīng)的位置可確定含氟聚合物乳膠膜表面存在C1s、O1s、F1s這3種元素，其結(jié)合能分別在284、532、688 eV處。將C譜進(jìn)行分峰處理見(jiàn)圖6(b)，并參照結(jié)合能可知C有6種不同的化學(xué)環(huán)境。

圖6 聚合物乳膠膜的XPS譜圖Fig.6 XPS spectra of fluorinated acrylate polymer latex film.(a) Survey scan; (b) C1s scan

2.3.3織物表面形貌分析

圖7示出經(jīng)最佳拒水拒油工藝整理前后棉織物的表面形貌。可以看出：原樣中纖維表面光滑，并呈現(xiàn)天然扭曲形態(tài)；經(jīng)含氟丙烯酸酯細(xì)乳液整理后的棉織物由于經(jīng)過(guò)等離子體預(yù)處理，纖維表面出現(xiàn)刻蝕現(xiàn)象，粗糙程度明顯增加。另外，由于纖維大分子與聚合物發(fā)生反應(yīng)，致使纖維表面覆蓋有一層致密的網(wǎng)狀薄膜，降低了纖維表面張力，從而達(dá)到拒水拒油的目的。

圖7 整理前后棉織物的SEM照片(×5 000)Fig.7 SEM images of raw fabric (a) and treated (b) cotton fabric (×5 000)

2.3.4織物中元素分析

圖8為經(jīng)最佳拒水拒油工藝整理前后棉織物表面的X射線能譜圖。表4示出織物表明元素含量。由圖8(a)和表4可知，經(jīng)含氟丙烯酸酯共聚物乳液整理后的棉織物表面除了在284、532 eV處出現(xiàn)C1s、O1s元素吸收峰外，在688 eV處還出現(xiàn)了F1s元素的吸收峰，且C1s與O1s的含量顯著降低，F(xiàn)1s的含量達(dá)到42.60%。由圖8(b)可知，整理后棉織物中C元素經(jīng)分峰后主要有6種不同的鏈接基團(tuán)。上述結(jié)果均說(shuō)明含氟聚合物成功反應(yīng)至棉纖維表面。

圖8 整理前后棉織物XPS譜圖Fig.8 XPS spectra of raw fabric and treated cotton fabric.(a) Survey scan of raw fabric and treated cotton fabric; (b) C1s scan of treated cotton fabric

試樣COF棉織物原樣 66.4933.51—整理后棉織物41.1516.2542.60

2.4 耐洗性能分析

對(duì)經(jīng)最佳工藝處理后的棉織物進(jìn)行0～30次水洗，考察水洗次數(shù)對(duì)棉織物接觸角的影響，結(jié)果如圖9、10所示。由圖可知，當(dāng)洗滌次數(shù)從0增加至30時(shí)，整理后棉織物的拒水拒油性能略有下降。經(jīng)過(guò)30次標(biāo)準(zhǔn)洗滌后，織物對(duì)水、橄欖油和十六烷的接觸角分別為145°、133°、113°，依然表現(xiàn)出良好的拒水拒油效果。這是由于棉織物在洗滌過(guò)程中受到了較為嚴(yán)重的機(jī)械外力作用，導(dǎo)致纖維表面部分含氟聚合物薄膜脫落，從而使拒水拒油效果降低。然而，在乳液聚合過(guò)程中引入了帶有活性基團(tuán)(環(huán)氧基團(tuán))的交聯(lián)單體GMA。在拒水拒油整理過(guò)程中，聚合物大分子鏈段上的環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)，與棉織物上—OH發(fā)生反應(yīng)，提高了聚合物薄膜與棉纖維的牢度[10]，經(jīng)多次洗滌后，依然具備良好的拒水拒油性能，表明整理后的棉織物耐水洗性能優(yōu)異。

圖9 洗滌次數(shù)對(duì)棉織物接觸角的影響Fig.9 Influence of washing times on contact angle of cotton fabric

圖10 不同洗滌次數(shù)下棉織物接觸角效果圖Fig.10 Contact angle photographs of cotton fabric to water (a),olive oil (b) and hexadecame (c) under different washing cycles

2.5 服用性能分析

對(duì)經(jīng)過(guò)等離子體預(yù)處理及最佳拒水拒油整理工藝處理后棉織物的強(qiáng)力及折皺回復(fù)角進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。可以看出，整理后棉織物的經(jīng)緯向強(qiáng)力均下降不明顯，且織物的折皺回復(fù)角有較大幅度的提高。這是因?yàn)楹┧狨ゴ蠓肿渔溑c棉纖維大分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，將相鄰的棉纖維大分子鏈段相互連接，在外力作用下大分子鏈間不易發(fā)生滑移，從而提高了棉織物的折皺回復(fù)性能。

表5 整理前后棉織物的服用性能Tab.5 Wearability of pristine and treated cotton fabric

3 結(jié) 論

1)以四碳含氟丙烯酸酯為聚合單體，采用細(xì)乳液聚合法成功制備拒水拒油短鏈含氟丙烯酸酯聚合物細(xì)乳液，通過(guò)形貌及結(jié)構(gòu)分析表征了聚合物細(xì)乳液的結(jié)構(gòu)特征，證明其與棉織物發(fā)生反應(yīng)。

2)等離子體預(yù)處理可對(duì)棉織物表面發(fā)生刻蝕作用，提高拒水拒油效果。

3)通過(guò)單因素分析法，得出含氟丙烯酸酯細(xì)乳液對(duì)棉織物進(jìn)行拒水拒油整理的最佳工藝：細(xì)乳液質(zhì)量濃度為60 g/L，浸漬時(shí)間為30 min，80 ℃預(yù)烘 3 min，160 ℃焙烘3 min。此時(shí)，棉織物對(duì)水的接觸角為160°，對(duì)橄欖油的接觸角為154°，對(duì)十六烷的接觸角為135°，拒水拒油效果優(yōu)異。

4)經(jīng)最佳工藝整理后的棉織物在30次洗滌后對(duì)水、橄欖油、十六烷的接觸角仍能達(dá)到145°、133°、113°，耐水洗性能優(yōu)異。同時(shí)，整理后棉織物強(qiáng)力損失不明顯，折皺回復(fù)性能顯著提高。

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