溶膠-凝膠技術及其在紡織品多功能整理中的運用

張 超

（國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300300）

1 溶膠-凝膠的制備原理以及改性

1.1 影響溶膠-凝膠反應的因素

1.1.1 前驅體性質

金屬甲基醇鹽在水解溶劑過程中的化學性質可能會對金屬醇離子水解半徑、配體電位數以及離子電負性產生很大的影響。其中，水解和離子產生縮聚的化學反應運動能力與構成金屬醇鹽原子的部分正負電荷的電位數量隨著金屬醇鹽原子的增加不斷提高，與部分配體電位數量有著至關重要的聯系。金屬配體原子的部分正離子電荷系數越大，增加的金屬配體電位數的反應能力越強，其化學反應速度也越快。元素周期表的排序按照從上到下，隨著原子的運動半徑逐漸增大，電負性逐漸降低，正電荷逐漸增加，最高配位數也隨之增加，反應能力也逐漸增強[1]。

1.1.2 反應溫度與時間

在制備溶膠-凝膠的過程中，提升反應溫度可以提高醇鹽的水解速率。因此，人們會在水解活性比較低的醇鹽中進行加溫操作，達到縮短反應時間的目的。但是，反應溫度越高，溶膠的顆粒也會越大。

1.1.3 溶劑

將醇酸鹽作為化學溶劑的分子時，醇硅酸鹽中的離子可能與將醇作為溶劑分子時的離子相互交換，造成醇鹽發生熱水解，活性也隨之發生變化。因此，同一種乙二醇鹽可能由于其選擇的溶劑不同，水解的速率、膠凝時間都發生了非常大的變化[2]。

由于醇鹽水解反應是可逆的，且反應產物是醇，醇溶劑的劑量應適當。如果甲醛加入的劑量過多，可能會對水解反應部分造成不可抑制的化學作用，導致甲醇水解和甲醛膠凝的時間大大延長，進而直接導致甲醛濃度大大降低，使已經經過水解的乙烯醇鹽和水分子之間相互碰撞的概率大大降低，不利于縮聚反應。如果直接加入乙醇鹽類溶劑或劑量過少，可能直接導致乙醇鹽酸的濃度相對較高，進而直接引起化學粒子的大量聚集甚至離子沉淀[3]。

1.1.4 催化劑的性質與濃度

在硅醇鹽發生水解的過程中沒有使用催化劑，但是仍然可以發生水解反應，一旦加入催化劑，硅醇鹽水解速率就會提高。催化劑含有可以改變體系的酸堿性物質，一般包括鹽酸、氨水、醋酸、氟化鉀、氟化氫以及氫氧化鉀等，其中，鹽酸和水是非常常見的催化劑[4]。

1.1.5 水與金屬醇鹽的量比

金屬醇鹽具備非常強的反應活性，可以與眾多試劑發生化學反應。水的加入量通常是以水與前驅體的量比計量，使用符號A表示。加水量越少，醇鹽產物分子被快速水解的各種烷氧離子基團可能越少，即其水解后形成的各種羥基基團分子數量較少，該部分與被水解的各種醇鹽產物分子之間，又在發生縮聚反應后形成了交聯度較低的溶膠產物。相反，比較容易水解產生交聯度較高的溶膠產物，加水量也和溶膠制備的各種溶膠膠凝黏度以及持續時間有著緊密的聯系。當溶膠加水量逐漸低于水解黏度的指標時，要考慮各種化學分子劑量因素，隨著溶膠的膠凝黏度逐漸增強，膠凝黏度持續時間逐漸縮短，縮水凝聚物的各種交聯度和聚合度都對其加水量有很大的影響，黏度逐漸增強。另外，加水量對橡膠后續的干燥處理也有非常重要的直接影響，加水量如果過多，可能會直接造成凝結橡膠的干燥過程收縮以及干燥時的應力逐漸增強，導致干燥時間延長。

1.2 溶膠薄膜的改性

1.2.1 化學改性

共價金屬中的氧化物和有機體之間產生的金屬共聚反應與化學添加劑形成共價金屬鍵，在此過程中，可以對各種金屬薄膜實現化學改性。首先，可以通過不同分子前驅體之間的水解和縮聚反應，達到生物化學改性的主要目的，例如TEOS與其他金屬醇鹽之間的反應。其次，可以使用帶有不同有機基團的三烷氧基硅烷[如R—Si(OC2H5)2]來達到將溶膠進行化學改性的目的。帶有有機基團的三烷氧基硅烷通過水解以及縮聚反應，和二氧化硅基體之間形成共價鍵結合，然后促使有機基團R結合到二氧化硅基體上。通過在溶膠薄膜上結合不同的有機基團，促使紡織品實現多功能整理的作用。

1.2.2 物理改性

通過在制造溶膠彈性薄膜的過程中，將一些作為添加劑的原料進行固定，實現對這種溶膠彈性薄膜的物理固定改性，是用于制造多功能彈性紡織品的另外一種常見的加工方式。可以自由選擇水、氧化物、顏料、香精染料、有機聚合物或者生物分子等，在生物水解后或者在生物前驅體水解前將其他添加物再次加入，這種加入方式不會對縮聚復合物的化學結構性能產生較大的不良影響。主要原因可能是添加物的固定通常不會發生在縮聚反應的初始階段。多項科學研究成果證明，在無機和有機體中加入化學添加物是一種非常有效的控制方式，同時也比較容易被人操控。

2 溶膠-凝膠技術在紡織品上的應用

2.1 自清潔紡織品的制備

自清潔紡織品的主要制備方式有兩種：一是對織物進行三防整理，防止水漬、油污等吸附在織物表面，確保織物保持清潔狀態；二是使用某些方式促使沾染的植物油脂等有機物自行降解。溶膠-凝膠技術為自清潔紡織品的制備提供了非常有利的條件。

2.2 染色織物的固色處理

直接分子染料、酸性分子染料的一些分子結構中也含有容易溶于油和水的染料基團，主要原因是這些染料分子結構中的一些親水基團和溶于水的基團對水的親和力比其他染料與紡織品強。因此，使用這類染料進行直接染色的紡織品，在遇到水之后，染料非常容易從紡織品上直接轉移到水中，因此，這類印染紡織品在潮濕環境下的色牢度比較差。但是，使用溶膠-凝膠技術進行染色處理之后，可以在印染紡織品表面直接形成一層比較連續的彩色薄膜，如果這層薄膜比較密實，可以有效防止一些染色織物上的彩色染料分子脫離的異常情況，提高彩色染料的濕牢度。此外，在深色溶膠中添加一些深色染料，可以對一些織物面料進行深層著色[5]。

3 結語

本研究主要闡述了溶膠-凝膠技術及其在整理紡織品多功能整理中的實際運用，基于溶膠-凝膠技術原理以及功能改性，從自清潔紡織品的制備和染色織物的固色處理兩個方面進行分析。溶膠-凝膠技術較傳統的溶膠整理制備工藝，能夠更加高效、多功能地整理紡織品，方法簡單且高效，已經受到人們的廣泛關注。隨著研究的不斷深入和延伸，未來會有更多的應用，技術前景廣闊，為國家紡織品的發展提供了非常大的幫助。