聚季銨鹽的抗靜電性能

蘇 耿，姜亞潔，鞠洪斌，王亞魁，於水新，駱曄媛，耿 濤

（1.中國日用化學(xué)工業(yè)研究院，山西太原 030001；2.上海艾肯化工科技有限公司，上海 200333）

聚季銨鹽是一種陽離子聚合物，電荷密度高、水溶性良好，在石油化工、造紙、水處理、日用化學(xué)品中具有較大的應(yīng)用價(jià)值［1-2］。纖維制品表面粗糙、電阻高，在生產(chǎn)或使用過程中表面摩擦易產(chǎn)生靜電，在易燃易爆場所會帶來安全隱患。聚季銨鹽的高電荷密度可以吸附、中和纖維制品中的負(fù)電荷，并且聚季銨鹽的線性長鏈結(jié)構(gòu)對纖維制品有較強(qiáng)的粘合作用，可以增強(qiáng)纖維制品的抗靜電能力［3-4］。本文以制備的聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PDMC）和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨/丙烯酰胺共聚物（CPAM）為抗靜電劑，研究聚季銨鹽的特性黏度、陽離子度等以及對3種不同纖維織物的抗靜電性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC，質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，工業(yè)品，山東萬多鑫化工有限公司），丙烯酰胺（AM，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，工業(yè)品，鑫甬生物化工股份有限公司），Na4EDTA、硝酸銀、鉻酸鉀（化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑上海有限公司），K2S2O8（化學(xué)純，天大化學(xué)實(shí)驗(yàn)廠），聚酯布、腈綸布、棉布（上海持盈化工儀器科技有限公司）。

1.2 儀器

GZX-9240 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），PC68 數(shù)字式高阻測試儀（上海宙特電氣科技有限公司）。

1.3 聚季銨鹽的制備

PDMC（DMC 均聚物）：通過自由基聚合反應(yīng)制備。在配有冷凝器，磁力攪拌器，氮?dú)馊肟凇⒊隹诘乃目跓恐校瑢⒁欢緿MC 制成水溶液，通入氮?dú)?.5 h除去燒瓶中的氧氣，加入0.12 g 4.4×10-4mol K2S2O8和0.05 g 2.0×10-5mol Na4EDTA，加熱至68 ℃；將混合物在流動的氮?dú)庀聰嚢? h，通過調(diào)整DMC 用量得到不同特性黏度的PDMC；將PDMC在丙酮、乙醇混合溶液中沉淀，50 ℃下真空干燥12 h，得白色固體PDMC，反應(yīng)式如下：

CPAM：通過自由基聚合反應(yīng)制備。為了研究陽離子度對聚季銨鹽抗靜電性能的重要性，以AM 與DMC共聚的方法調(diào)節(jié)聚季銨鹽的陽離子度，制備不同陽離子度的CPAM，制備方法與DMC 均聚物的制備相似，反應(yīng)式如下：

1.4 測試

特性黏度：按GB/T 12005.1—1989測定。

陽離子度：稱取適量提純干燥后的聚季銨鹽于250 mL 錐型瓶中溶解，加入5%的K2CrO4指示劑，用0.05 mol/L 的AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至磚紅色即為終點(diǎn)［5］。陽離子度計(jì)算公式如下：

式中，c為AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；V為試樣所消耗AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，L；m為試樣質(zhì)量，g；m1、m2分別為DMC、AM的分子質(zhì)量。

紅外光譜（FT-IR）：采用KBr壓片后進(jìn)行測試。

抗靜電性能：根據(jù)GB/T 16801—2013《織物調(diào)理劑抗靜電性能的測定》進(jìn)行評估。將纖維織物裁切成10 cm×10 cm 大小，用中性的干肥皂片洗滌并在烘箱中干燥。室溫下將纖維織物在聚季銨鹽水溶液中浸泡10 min，在空氣中干燥3 h，然后置于45 ℃烘箱中干燥4 h。用數(shù)字式高阻測試儀測試不同種聚季銨鹽水溶液處理的纖維織物樣品抗靜電性。織物表面電阻Rs由儀器測試；表面比電阻ρs=2πRslnd/D，式中，D為環(huán)形保護(hù)電極內(nèi)徑（cm），d為測量電極直徑（cm），π 取3.141 6。抗靜電劑性能好壞由處理后的織物表面比電阻（Δρs）或表面比電阻對數(shù)值（Δlgρs）表示，數(shù)值越大，抗靜電性能越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR

由圖1可看出，對于AM：3 500～3 180 cm-（1—NH2），1 674 cm-1（CO），1 605 cm-1（C—N）；對于DMC：3 017～2 956、1 470 cm-1（C—H），1 712 cm-1（CO），1 624 cm-（1C—N），954 cm-［1—N(CH3)3］；對于PDMC：3 017～2 970、1 470 cm-（1C—H）弱于DMC，1 618 cm-1（C—N），943 cm-1［—N(CH3)3］，1 712 cm-1（CO）；對于CPAM：3 602～3 256 cm-1（NH2），1 644 cm-（1CO），2 959～2 987 cm-（1長鏈—CH3，—CH2—），1 566 cm-（1C—N），944 cm-［1—N(CH3)3］。

圖1 AM（a）、DMC（b）、PDMC（c）、CPAM（d）的紅外光譜圖

2.2 聚季銨鹽的性能

2.2.1 陽離子度、特性黏度

由表1 可看出，隨著DMC 用量從15%增至35%，PDMC 特性黏度從0.45 dL/g 增至1.38 dL/g，表明DMC用量對特性黏度影響很大。這是因?yàn)槿芤褐蠨MC 量越多，線性大分子PDMC越容易聚合，PDMC分子質(zhì)量增加，此時(shí)聚合的PDMC陽離子度為100%。

由表2 的CPAM1～CPAM4 可以看出，單體質(zhì)量比為2∶1 時(shí)，CPAM 的特性黏度為2.09 dL/g，隨著單體質(zhì)量比降至1∶3，特性黏度降至0.79 dL/g。這是由于在相同條件下，DMC 的反應(yīng)性比AM 弱［5］，故隨著DMC 用量增加，聚合反應(yīng)活性降低。同時(shí)，隨著單體質(zhì)量比降低，CPAM中DMC的量增加，陽離子性提高。

表2 CPAM 的陽離子度、特性黏度

2.2.2 抗靜電性

由圖2可知，Δlgρs值隨著聚季銨鹽用量的增大先升高后趨于平緩，這主要是因?yàn)榫奂句@鹽用量增大，線性分子在聚酯布表面的吸附量逐漸增加，因此聚酯布的抗靜電效果變好。當(dāng)聚季銨鹽用量為2 g/L 時(shí)，線性分子被吸附在聚酯布表面的量基本達(dá)到最大化。

圖2 Δlg ρs值隨聚季銨鹽用量變化

2.3 聚季銨鹽性能對聚酯布抗靜電性的影響

2.3.1 特性黏度

由表3 可知，聚季銨鹽陽離子度相同時(shí)，特性黏度越高，Δlgρs值越大，抗靜電性越好。這是因?yàn)榫奂句@鹽的特性黏度越高，線性分子上攜帶的電荷越多，而陽離子基團(tuán)N+—(CH3)3可以中和聚酯布表面的負(fù)電荷，提高聚酯布的抗靜電能力。

表3 不同種類聚季銨鹽對聚酯布的抗靜電性

2.3.2 陽離子度

由表3 可知，聚季銨鹽特性黏度接近時(shí)，陽離子度越高，抗靜電性能越好。這是因?yàn)榫奂句@鹽的陽離子度越高，其鏈上的N+—(CH3)3基團(tuán)增加，可以很好地中和聚酯布上的負(fù)電荷，改善聚酯布的抗靜電性。

2.4 聚季銨鹽對其他織物的抗靜電性

由表4 可知，聚季銨鹽對腈綸布的抗靜電性明顯高于棉布。這主要是因?yàn)槔w維織物的材質(zhì)不同。相比聚酯和腈綸，棉的吸濕性較高，很容易將產(chǎn)生的靜電荷通過水分子導(dǎo)走，故其表面電阻比其他纖維織物小。

表4 CPAM5 對不同織物的抗靜電性

3 結(jié)論

通過自由基聚合制備聚季銨鹽，聚季銨鹽對纖維織物的抗靜電性與其特性黏度和陽離子度有關(guān)，二者指數(shù)越高，抗靜電效果越好。