磷酸二氫銨與硅烷偶聯劑在紡織漿料中的應用與研究

李 格

奧美醫療用品股份有限公司,湖北 枝江 443200

0 引言

0.1 國內外紡織漿料使用概況

針對織造過程中經紗強力較小而易斷裂,進而影響生產的問題,通常采取上漿的方式以改善經紗強力。目前,經紗上漿用漿料主要有3大類——淀粉類、聚乙烯醇(PVA)類和丙烯酸類。據報道,美國每年消耗漿料約20萬t,其中淀粉漿料約占該國漿料消耗總量的70%,且使用的淀粉幾乎是變性淀粉,這與天然淀粉漿料不能滿足現代紡織需求而被逐漸淘汰有關。我國作為人口大國,對織物需求量較大,漿料年消耗量與美國相比略高,為20萬～25萬t,其中淀粉漿料約占70%,PVA漿料約占20%,丙烯酸類漿料及其他漿料約占10%。西歐各國生產純棉紗線一般采用馬鈴薯變性淀粉作為主體漿料,滌棉混紡紗則采用以變性淀粉為主體的丙烯酸類混合漿料。在日本和美國,滌棉混紡紗線上漿以PVA漿料為主體,同時加入少量變性淀粉和丙烯酸類漿料改善漿液性能[1];純棉紗線上漿以淀粉漿料為主,同時混入PVA漿料改善和提高漿液性能,其中PVA用量根據織物緊度的不同而有所不同。我國在生產中使用的漿料結構相對較復雜,純棉紗線大多采用以淀粉作為主體的漿料上漿[2-5]。

0.2 硅烷偶聯劑與磷酸二氫銨在漿紗過程中的復合作用機制

硅烷偶聯劑是應用較廣且性能較活潑的一種表面活性劑,其擁有較豐富的羥基,易與其他試劑以官能團的形式結合。本研究中,硅烷偶聯劑將作為連接無機界面與有機淀粉間的橋梁,其中的X官能團與無機物結合,Y官能團與淀粉表面的羥基結合,作用機制如圖1所示。硅烷偶聯劑與磷酸二氫銨共同作用,會更大程度地改善漿液性能[7-8]。

圖1 硅烷偶聯劑耦合機制Fig.1 Coupling mechanism of silane coupling agent

本文將研究由磷酸酯淀粉與丙烯酸酯組成的共混漿料經磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑KH580處理后,所得漿膜的強力、成分和結晶度,探討磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑KH580對紗線上漿后斷裂強力的影響[9-13]。

1 試驗部分

1.1 試驗材料、化學藥品及儀器

1.1.1 材料

純棉粗紗,線密度400 tex,捻系數115,安徽華茂集團。

脫脂漂白后的純棉機織物,棉紗線密度14.6 tex,經緯紗密度分別為108根/(10 cm)和84根/(10 cm),取樣尺寸5 cm×5 cm。

1.1.2 化學藥品

試驗用化學藥品見表1。

表1 試驗用化學藥品Tab.1 Chemicals for testing

1.1.3 儀器

試驗用儀器見表2。

表2 試驗用儀器Tab.2 Instruments for testing

1.2 測試方法

1.2.1 力學性能測試

將經恒溫恒濕處理的純棉粗紗置于INSTRON萬能強力儀夾板內夾緊,設置夾板間距為5 cm,拉伸速度為500 mm/min,選擇“紗線/纖維測試”模式。每種試樣測9次,結果取平均值。

1.2.2 紅外光譜測試

利用傅里葉變換紅外光譜儀對干燥的漿膜樣品進行紅外光譜測試。設置掃描范圍為4 500～600 cm-1。

1.2.3 X射線衍射測試

利用X射線衍射儀對干燥的漿膜樣品進行X射線衍射測試。測試條件:CuKα輻射,管壓40 kV,管流40 mA,連續掃描,掃描范圍5°～80°。

2 試驗結果與討論

2.1 磷酸二氫銨加入時機的確定

為考察漿料糊化前后加入磷酸二氫銨對純棉粗紗強力的影響,設計了6種漿液配方(表3),并對純棉粗紗進行上漿。具體操作分為2類:

表3 6種漿液配方及其編號Tab.3 Six kinds of sizing formulas and their numbers

(1)稱取相應質量的漿料和磷酸二氫銨一起加入1 000 mL的燒杯中,分別標記為A1、B1和C1,加水至總質量1 000 g;用玻璃棒將溶液攪拌均勻后置于100 ℃的水浴中加熱,同時使用電子攪拌器以400 r/min的轉速攪拌燒杯中的溶液,待漿液完全糊化后停止攪拌;用薄膜密封燒杯,并繼續置于95～100 ℃的水浴鍋中煮漿40 min;將繞好的純棉粗紗浸漿5 min,取出后烘干待用,粗紗編號同相應的漿料配方編號。

(2)稱取相應質量的漿料分別加入燒杯中配成1 000 g的溶液,分別標記為A2、B2和C2;用玻璃棒將溶液攪拌均勻后置于100 ℃的水浴中加熱,同時使用電子攪拌器以400 r/min轉速攪拌燒杯中的溶液,待漿液糊化后加入對應質量的磷酸二氫銨,混合均勻后停止攪拌;用薄膜密封燒杯,并繼續置于95～100 ℃的水浴鍋中煮漿40 min;將繞好的純棉粗紗浸漿5 min,取出烘干后待用,粗紗編號同相應的漿料配方編號。

將浸漿后烘干待用的純棉粗紗置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的環境中平衡24 h,再使用INSTRON萬能強力儀對其進行力學性能測試,結果見表4。

表4 不同配方的漿液上漿后的純棉粗紗強力

由表4可以看出:A1與A2,B1與B2,各自的強力相近,表明磷酸酯淀粉或丙烯酸酯各自糊化前后加入磷酸二氫銨,對純棉粗紗強力影響不明顯;C1的強力明顯高于C2的強力,表明由磷酸酯淀粉與丙烯酸酯組成的共混漿料糊化前加入磷酸二氫銨,對純棉粗紗強力的提高更明顯。由此可見,磷酸二氫銨在漿料糊化前加入,更有利于紗線強力的提高。

故下文均選擇在糊化前加入磷酸二氫銨。

2.2 磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑對漿膜結構的影響

2.2.1 漿膜的成分變化

圖2是由磷酸酯淀粉與丙烯酸酯組成的共混漿料加入磷酸二氫銨前后,所形成漿膜(即原樣和1#樣品)的紅外光譜圖。其中,為便于觀察和比較,1#樣品譜圖的縱坐標增加了相等的數值。從圖2可以看出:1#樣品在2 300 cm-1附近存在明顯的振動峰,對應P—OH和P—H官能團的振動;在小于2 200 cm-1和大于2 600 cm-1的區域,原樣和1#樣品的譜圖趨勢基本保持一致。這表明,加入的磷酸二氫銨沒有與共混漿料發生反應生成新的物質,只是自身發生了水解和電離,其與共混漿料是以穩定的物理形態融合的[14]。

圖2 共混漿料中加入磷酸二氫銨前后的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate into the blend sizing agent

圖3是共混漿料中加入硅烷偶聯劑前后,所形成漿膜(即原樣和2#樣品)的紅外光譜圖。其中,為了便于觀察和比較,2#樣品譜圖的縱坐標也增加了相等的數值。從圖3可以看出:2#樣品在2 300 cm-1附近出現了明顯的伸縮振動,其為Si—O鍵的伸縮振動峰;在小于2 200 cm-1和大于2 600 cm-1的區域,原樣和2#樣品的譜圖趨勢基本一致。這些都表明,加入的硅烷偶聯劑沒有與共混漿料發生反應生成新的物質,只是自身發生了水解。

圖3 共混漿料中加入硅烷偶聯劑前后的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra before and after adding silane coupling agent into the blend sizing agent

圖4 共混漿料中加入磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑前后的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate and silane coupling agent into the blend sizing agent

綜上分析可知:糊化前,磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑分別加入由磷酸酯淀粉和丙烯酸酯組成的共混漿料中時,對漿料性能無明顯影響;但同時加入時,它們會與共混漿料發生反應,生成新的化學鍵[15]。

2.2.2 漿膜結晶度

圖5是共混漿料中加入磷酸二氫銨前后,所形成漿膜(原樣和1#樣品)的XRD譜圖。從圖5可以看出,原樣漿膜在2θ為20°～40°的范圍內出現了較多的波峰,其中2θ為22°時波峰最明顯,對應的強度最大;加入磷酸二氫銨后,1#樣品漿膜的結晶度較原樣漿膜的明顯下降,這可能與加入磷酸二氫銨后共混漿液呈酸性有關。淀粉分子中苷鍵對酸的穩定性很差,其會發生水解降解,這便限制了磷酸酯淀粉分子鏈的活動能力,分子鏈的規整性被破壞,分子間作用力和氫鍵明顯減弱,晶相被破壞,結晶度較原樣漿膜下降[16]。

圖5 共混漿料中加入磷酸二氫銨前后的XRD譜圖Fig.5 XRD spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate into the blend sizing agent

圖6是共混漿料中加入硅烷偶聯劑前后,所形成漿膜(原樣和2#樣品)的XRD譜圖。從圖6可以看出:加入硅烷偶聯劑后,2#樣品漿膜的衍射峰較原樣漿膜的明顯增多,其在2θ為21°～35°的范圍內出現了多個較大峰值的波峰,并以2θ為22°和31°時最為明顯?？梢?加入硅烷偶聯劑后,共混漿料的結晶度增長,這可能與硅烷偶聯劑水解后和磷酸酯淀粉大分子結合,吸附在磷酸酯淀粉大分子表面有關。

圖6 共混漿料中加入硅烷偶聯劑前后的XRD譜圖Fig.6 XRD spectra before and after adding silane coupling agent into the blend sizing agent

圖7是共混漿料中加入硅烷偶聯劑和磷酸二氫銨前后,所形成的漿膜(原樣和3#樣品)的XRD譜圖。從圖7可以看出:加入硅烷偶聯劑和磷酸二氫銨后,3#樣品漿膜的衍射峰較原樣漿膜的明顯增多,波峰也較明顯,強度值也較大,說明加入硅烷偶聯劑和磷酸二氫銨后,共混漿料的結晶度增大,這可能是硅烷偶聯劑水解后與磷酸酯淀粉大分子、無機分子結合,吸附在磷酸酯淀粉大分子表面所致。

圖7 共混漿料中加入磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑前后的XRD譜圖Fig.7 XRD spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate and silane coupling agent into the blend sizing agent

綜合本小節分析可知:糊化前,硅烷偶聯劑和磷酸二氫銨分別加入共混漿料,會對漿膜的結晶度有一定影響,當兩者同時加入還會形成一定的促進作用。

2.3 磷酸二氫銨和硅烷偶聯劑對織物上漿率的影響

將脫脂漂白后的純棉機織物試樣分別編號1～20,稱取織物初始質量后分別放入表5相應配方的漿液中上漿,漿液總質量皆為1 000 g,織物編號同漿液配方編號;經軋車二浸二軋后,試樣置于60 ℃的烘箱中烘干30 min,取出后再放入溫度為20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒溫室中24 h,稱取織物上漿后質量;最后對試樣進行退漿處理,燒杯內熱水煮洗3～4次,烘干后再置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕室中24 h,稱取退漿后質量。不同配方漿液上漿與退漿結果如表6所示。

表5 純棉機織物漿液配方Tab.5 Pure cotton woven fabrics sizing formula

表6 純棉機織物不同配方漿液上漿和退漿結果Tab.6 Results of sizing and desizing of pure cotton woven fabrics with different formulations

從表6可以看出:隨著磷酸二氫銨加入量的增加,2～5號純棉機織物的上漿率增加,退漿率也整體呈增加趨勢,且當磷酸二氫銨加入量大于2%(質量分數)時,織物的上漿率都高于未加入磷酸二氫銨的1號織物的上漿率;隨著硅烷偶聯劑加入量的增加,織物的上漿率及退漿率變化規律不明顯;綜合分析9～20號織物發現,9～11、12～14、15～17號這3組的上漿率整體偏低,只有18～20號這組的上漿率較高,即磷酸二氫銨加入量為4%(質量分數)時上漿率較高。

可見,改變硅烷偶聯劑的加入量對上漿率的影響不明顯,但增加磷酸二氫銨的加入量,織物上漿率增加。

3 結論

(1)磷酸二氫銨在由磷酸酯淀粉與丙烯酸酯組成的共混漿料糊化前加入,對共混漿料性能的提升效果較糊化后加入的好。

(2)在共混漿料糊化前加入磷酸二氫銨,漿膜的強力增加,漿料的滲透性改善;硅烷偶聯劑對漿膜強力有所增強;兩者共同作用時對漿膜性能改善情況較好。

(3)改變硅烷偶聯劑的加入量對上漿率的影響不明顯,但增加磷酸二氫銨的加入量,織物上漿率增加。

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