錦綸聚氨酯涂層對聚乙烯膜可遷移組分的吸附

摘要：為了闡明低密度聚乙烯（LDPE）膜包裝聚氨酯（PU）涂層錦綸衣物時，在衣物表面產生視覺可見油性污漬的吸附機理，采用試驗測試與分子動力學模擬相結合的方法，鑒定出油性污漬的主要化學成分為油酸酰胺和芥酸酰胺，這與LDPE膜中脂肪酰胺類開口劑組分一致；并從分子尺度模擬LDPE中脂肪酰胺開口劑與錦綸織物PU層之間的吸附過程，以闡明兩者之間的吸附的機理。微觀結構分析表明：可遷移組分與錦綸織物表面形成了緊密的菜花狀結構，PU錦綸織物表面表現出明顯的親油疏水特性。分子動力學模擬結果表明：LDPE膜中的可遷移組分與PU錦綸織物表面主要是以H鍵和范德華力的作用形成強烈的物理吸附，其中PU中的OH、NH2和CO與脂肪酰胺類的極性基團（NCO）產生主要的結合位點。該研究揭示了LDPE膜中脂肪酰胺類開口劑與涂層PU錦綸織物的吸附機理，為服裝包裝材料上常用的開口劑的篩選提供了理論支持。

關鍵詞：聚乙烯膜；可遷移組分；錦綸織物；聚氨酯涂層；吸附；分子動力模擬

中圖分類號：TS151.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）02-0121-09

聚乙烯包裝袋是包裝行業中常見的一種包裝材料，由聚乙烯薄膜制成，具有輕便、透明、柔軟、耐用等特點，被廣泛用于服裝包裝和食品包裝等領域［1］。然而，聚乙烯包裝袋中存在可遷移組分，如開口劑、增塑劑和其他不穩定聚合物等，長時間與包裝內的錦綸織物接觸，導致織物表面產生污漬，造成織物質量下降和視覺上的不美觀［2］。因此，研究聚乙烯包裝袋中可遷移組分與錦綸織物表面的吸附機理，對于減少錦綸織物表面污漬的產生具有重要意義。

聚乙烯膜中添加油酸酰胺或者芥酸酰胺等脂肪酰胺類開口劑，可以調整薄膜中的摩擦系數，使聚乙烯膜達到產品要求。然而添加這類開口劑會發生遷移行為，隨著時間的變化這類物質會從薄膜內部遷移到表面并可能與其他物質發生相互作用［3］。聚乙烯包裝袋中可遷移組分的含量會受到多種因素的影響，如原材料的質量、生產工藝、儲存條件以及開口劑的添加量、環境溫度以及薄膜厚度等［4］。Bhunia等［5］發現，不同條件下的溫度時間等因素對化學物質的遷移有重要的影響，且化學物質的遷移與加工和儲存條件、包裝材料的性質等因素密切相關。錦綸織物由于其輕便、耐用和透氣性好的特點，常被用作羽絨服等服裝制品的面料。為了增加防水、防風和耐磨性等功能性，錦綸織物具有表面通常會涂有一層聚氨酯（PU）。然而這種涂層具有高度親油性和疏水性，也意味著它容易吸附LDPE膜中的油酸酰胺和芥酸酰胺的脂肪酰胺類開口劑，從而會導致錦綸織物表面留有可見性污漬［6］。聚乙烯包裝袋中的可遷移組分與錦綸織物PU層之間的相互作用，受到多種因素的影響。因此，需要運用色譜-質譜、紅外光譜和分子動力模擬等技術來深入研究可遷移組分與PU層之間的相互作用機理，探究它們之間的吸附行為。利用色譜分析技術研究不同類型的可遷移組分在聚乙烯膜表面的吸附行為，發現脂肪酰胺類開口劑易從LDPE中遷移到表面［7］。除此之外，以丙酮為提取劑利用GCMS標準曲線法測定了聚乙烯包裝材料中添加劑和開口劑的遷移量［8-9］。利用紅外光譜分析技術，研究了聚乙烯膜表面與可遷移組分之間的相互作用機理，發現可遷移組分與聚乙烯膜表面的吸附行為與其極性基團有關［10］。

本文研究LDPE膜與PU錦綸織物長時間接觸污漬產生的理論，深入研究污漬的微觀結構特性，系統性分析PU錦綸纖維材料對LDPE膜中油酸酰胺和芥酸酰胺的吸附機理。為避免LDPE膜中可遷移物質污染錦綸衣物提供理論依據，同時也為LDPE包裝材料開口劑的篩選提供技術支持。

1實驗

1.1原料

實驗材料：消光錦綸面料，吳江市嘉耀紡織有限公司；聚乙烯膜（厚度0.03 mm、密度0.923 g/L），江陰市三馬塑業有限公司；油酸酰胺、芥酸酰胺、丙酮、十二烷基硫酸鈉、三乙胺（TEA）、丙烯酸羥乙酯、2，2-二羥甲基丙酸（DMPA）、聚乙二醇400（PEG 400），均為AR，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇、異氟爾酮二異氰酸酯（IPDI），均為AR，上海泰坦科技股份有限公司；鍍鋅鐵塊（尺寸10 cm×10 cm、重量2.5 kg），山東觀方金屬制品有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1不同開口劑的LDPE膜制備

將LDPE膜和錦綸織物裁剪成5 cm×5 cm大?。粸槟MLDPE膜中不同添加劑的遷移情況，移取少量LDPE膜放入容量為20 mL的丙酮溶液中，浸泡7 min，去除LDPE膜中原有的開口劑成分；用無水乙醇配置油酸酰胺和芥酸酰胺質量分數為1%的溶液。取0.16 g油酸酰胺，后用無水乙醇定容至100 mL；同理取0.12 g芥酸酰胺，定容至100 mL。將油酸酰胺溶液與芥酸酰胺溶液加熱至55 ℃，然后將清洗后的LDPE膜在溶液中浸泡24 h。

1.2.2PU和涂有PU層錦綸織物的制備

在三口燒瓶中，分別添加24.9 g IPDI和20 g的PEG 400。然后加入2 mL催化劑二丁基二月桂酸錫，并在60 ℃下反應1.5 h。接著加入3.4 g DMPA，并使用適量的丙酮來調節黏度。在80 ℃下繼續反應2 h，得到異氰酸酯基封端的聚氨酯。最后，加入5.7 g HEA和0.2 g的阻聚劑對苯二酚，在60 ℃反應一段時間，然后降溫至40 ℃。在中和度100%的條件下，將2.5 g的TEA中和成鹽，并加入73 g的去離子水，制得質量分數為45%水性聚氨酯丙烯酸酯。在涂覆之前，錦綸面料用防水劑處理液一浸一軋，80 ℃焙烘5 min。將制備好的水性聚氨酯乳液在攪拌器上攪拌均勻，待消泡后，均勻涂覆在錦綸織物表面，80 ℃烘干5 min，得到涂層厚度為100 μm的錦綸涂層織物。

1.2.3定型處理

將上述制備的不同開口劑LDPE膜與涂有PU層的錦綸織物，在溫度45 ℃、濕度50%Rh下，用兩塊鐵塊壓覆，然后在恒溫恒濕箱中放置10 d。

1.3表征技術

1.3.1傅里葉變換紅外光譜分析

使用美國Nicolet公司的衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀（ATR-FTIR）測試樣品，波數測試范圍為400～4000 cm-1，掃描頻率為64次。每次測量后樣品區域和ATR裝置的尖端都用純乙醇擦拭。

1.3.2GCMS參數設置

使用美國安捷倫科技有限公司型號為Agilent 8860-5977B的氣質聯用色譜儀，對可遷移組分進行組分鑒定。色譜條件：所用毛細管柱為HP-5MS （30 mm×0.25 μm），0.25 mm；氣相程序：50 ℃ 保持2 min，10 ℃/min升溫到150 ℃，保持1 min；20 ℃/min升溫到310 ℃，保持5 min，分流比40∶1。質譜條件：EI 源；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃；四極桿150 ℃。定性分析：對檢測出的成分采用MS數據庫NIST 20、保留時間、保留指數進行定性；數據庫篩選結果中要扣除掉柱流失峰等。

1.3.3場發射掃描電子顯微鏡分析

取0.5 cm×0.5 cm的錦綸樣品直接粘到導電膠上，并使用Oxford Quorum SC 7620濺射鍍膜儀噴金45 s，噴金電流為10 mA；隨后使用日立SU8100（Regulus8100）場發射掃描電子顯微鏡拍攝樣品形貌、能譜mapping等測試；形貌拍攝時加速電壓為10 kV，能譜mapping拍攝時加速電壓為10 kV，探測器為Si3N4新型探測器，得到的錦綸PU層的污漬形貌圖。

1.3.4接觸角測試和表面能計算

將錦綸織物裁剪成5 cm×5 cm的試樣，采用CA200全自動接觸角測量儀分別測試錦綸織物與水性物質（以純水為試劑）和油性物質（以十六烷為試劑）的接觸角，每個樣品重復10次，取平均值［11］。并通過Owens二液法計算錦綸織物的表面能，計算方法如式（1）和（2）［12］所示：

γS=γDS+γPS

γL=γDL+γPL（1）

式中：γS為固體表面能，γDS為色散力，γPS為極性力；γL為液體表面能，γDL為色散力，γPL為極性力。通過式（2）計算液體表面能：

γL（1+cosθ）=2γDS·γDL+2γPS·γPL（2）

式中：液體的表面能γL和其分項γDL、γPL，并測出液體在固體表面上的接觸角θ，則式中還有兩個未知數γDS和γPS。為了求得這兩個未知數采用兩種測試液體，獲得方程（1）：

γL1（1+cosθ）=2（γDSγDL1）1/2+2（γPS·γPL1）1/2·γL2（1+cosθ2）

=2（γDSγDL2）1/2+2（γPS·γPL2）1/2（1）

由該方程組可以求出γDS和γPS，進而求出固體表面能。常用的測試液體的表面能如表1所示。

1.4模型建立

1.4.1開口劑模型

本文采用Materials Studio 2019中的Forcite模塊和Dmol 3模塊，研究錦綸織物PU層和LDPE中油酸酰胺和芥酸酰胺之間的吸附［13］。建立LDPE膜-油酸酰胺-PU層和LDPE膜-芥酸酰胺-PU層盒子，從分子動力微觀層面研究開口劑吸附到錦綸PU層表面的行為，以便分析脂肪酰胺開口劑與PU之間的吸附機理。各個體系構建過程以及幾何優化后的體系盒子模型如圖1所示。

構建LDPE-油酸酰胺-PU體系，其中密度為091 g/cm3的聚乙烯烴分子鏈選取33條，密度為0874 g/cm3的油酸酰胺建立51個分子鏈，密度為1 g/cm3PU層建立19個分子鏈。注意每個分子鏈由10個重復單元組成，形成尺寸為32 ×32 ×170 的盒子，并且在LDPE上方留出50 的真空層，防止在分子動力模擬過程中產生能量波動。同理，取57條密度為0.97 g/cm3的芥酸酰胺。

1.4.2分子動力模擬參數

所有分子動力（Molecular Dynamic）模擬都是在周期性邊界條件和結構中所有原子的顯式處理下進行的。靜電和vdW選項的截斷距離均為12.5 ，施加在系統上的所有電荷均基于來自COMPASS Ⅱ力場的原子參數［14］。使用共軛梯度程序進行最小化，收斂標準小化0.05 kcal/mol，分子動力模擬均使用NVT系綜（恒定的原子數、體積和溫度），應用標準Verlet算法來迭代系統中的運動方程；溫度由Nose Hoover恒溫器控制，弛豫時間為0.1 ps，使用1 fs時間步長，模擬過程中保持298 K，模擬總共運行2 ns［15］。

脂肪酰胺類開口劑吸附在PU表面的相互作用能計算使用式（3）計算［16］。

Eint=Etotal－Eopener－EPU（3）

式中：Etotal為LDPE膜-開口劑-PU層體系的總能量，Eopener為開口劑的能量，EPU為PU層的能量。

2結果與討論

2.1ATR-FTIR分析

添加油酸酰胺和芥酸酰胺開口劑的LDPE膜以及錦綸織物表面留有可遷移組分的紅外光譜圖如圖2所示。從圖2（a）中所示除低密度聚乙烯膜中2960 cm-1與2850 cm-1的CH2和CH3的對稱拉伸振動，1465 cm-1處的CH2彎曲振動和720～750 cm-1處的CC和CH彎曲振動外，在芥酸酰胺/油酸酰胺LDPE膜中分別在3390 cm-1和3356 cm-1處出現明顯的CH2基團，以及在1643 cm-1和1630 cm-1處出現酰胺基團中的CO，表明芥酸酰胺和油酸酰胺已經附在LDPE膜上［17］。芥酸酰胺中的CO鍵的峰位率高于油酸酰胺主要是因為芥酸酰胺和油酸酰胺的分子結構不同，導致它們的化學鍵鍵長不同，振動頻率也不同。因此從圖2（b）中的錦綸織物表面的可遷移組分的紅外光譜所示，除去涂有PU層錦綸織物在3320～3340 cm-1的含有酰胺基團（CON）的特征峰。在3358、3298 cm-1和3184 cm-1處出現明顯的CH2基團的伸縮振動，由此表明油酸酰胺與芥酸酰胺已經附著在PU錦綸織物表面。

2.2GCMS分析

對于含有油酸酰胺和芥酸酰胺的脂肪酰胺類開口劑LDPE膜與PU錦綸織物表面污漬部分進行丙酮淋洗表面物質并萃取。兩者淋洗后，發現LDPE膜表面光潔無油感，同時錦綸織物表面污漬消失。對兩者的丙酮淋洗液進行GCMS檢測，鑒定LDPE膜中可遷移組分與PU錦綸織物表面污漬組分一致。其中，LDPE膜與PU錦綸織物表面污漬丙酮淋洗液的總離子流圖（TIC）對應質譜匹配圖，如圖3（a）所示。圖3（a）―（c）表面在

19.17 min處出現一樣的化學物質，主要的化學物質為油酸酰胺和芥酸酰胺，驗證了PU錦綸上污漬為LDPE包裝袋上脂肪酰胺類開口劑。

2.3表面形貌和能譜

為深入了解LDPE中油酸酰胺和芥酸酰胺對錦綸織物遷移性能影響，錦綸PU層污漬形貌如圖4所示。在錦綸織物與LDPE膜進行直接接觸后，油酸酰胺與芥酸酰胺明顯地遷移到錦綸織物表面并形成菜花狀結構的油性污漬。

采用EDS測定了錦綸織物表面污漬的元素組成，如表2所示。無論LDPE中添加哪種脂肪酰胺類開口劑都使得錦綸織物表面的元素發生明顯變化。油酸酰胺和芥酸酰胺含有較高的N元素，使得錦綸織物中的N峰值明顯增加。其中油酸酰胺中的C、N和O元素明顯高于芥酸酰胺，說明在相同情況下油酸酰胺比芥酸酰胺遷移量大，更容易造成錦綸織物表面污漬的產生。

2.4接觸角與表面能

為了解涂有PU錦綸織物表面的親疏水/油性，進行接觸角測試，接觸角如圖5所示。

其中，接觸角測量儀測試的錦綸織物界面與水的接觸角為129.5°，與十六烷的接觸角為61.6°，使用式（1）計算錦綸織物表面能為41.88 mJ/m2，其中固體色散力和固體極性力分別為155.35 mJ/m2和26.53 mJ/m2。因此，錦綸織物表層界面更容易與油性物質（十六烷烴）親和，表現出易與含烷烴長鏈油性組分相結合的特性。

根據理論分析，接觸角很低接近0°，表明液體很容易在錦綸織物表面擴散，表面能更高，潤濕性更好，反之則相反［18］。由接觸角數據可知，錦綸織物表面屬于典型的親油性界面，更容易與油性物質結合，因此從這一方面也說明了LDPE膜中的脂肪酰胺類開口劑容易吸附在PU錦綸織物表面。

2.5分子動力模擬

構建有機類開口劑LDPE-油酸酰胺/芥酸酰胺-PU體系模型，從理論計算的層面上預測開口劑與PU中的基團的吸附位點。

圖6顯示了LDPE-開口劑-PU體系的初始和吸附平衡構型圖。整個體系一開始處于不平衡不穩定狀態經模擬后整個吸附體系達到平衡。平衡狀態構型圖顯示出油酸酰胺和芥酸酰胺分子中的極性酰胺基團向PU層傾斜呈現出整體向下運動的狀態，這是由于PU中含有較多的含氧官能團，因此容易與脂肪酰胺類開口劑中的極性基團在范德華力和H鍵的作用下形成強烈的物理吸附，緊緊結合在一起。為進一步闡明脂肪酰胺類開口劑與PU層之間的吸附機理，從微觀角度探究油酸酰胺和芥酸酰胺中極性酰胺基團與PU的吸附，其中結合位點如圖7所示。

從圖7（a）―（b）中的油酸酰胺和芥酸酰胺在LDPE膜中的排列方式來看，部分極性酰胺類基團暴露在外面，很容易與PU層中的OH、NH2和CO基團在H鍵的作用下結合在一起［19］。從圖7（c）―（d）中的PU、油酸酰胺和芥酸酰胺的靜電勢圖看出，紅色區域代表強烈的正電區域藍色代表負電區域，例如酰胺基團中帶有正電的NH2基團與PU中帶有負電的CO、酰胺基團中帶有負電的CO基團與PU中帶有正電的OH基團，以及PU這種帶有正電的NH2基團與酰胺基團中的帶有負電的CO之間一正一負產生相互吸引，從而也說明了他們之間存在明顯

的范德華力作用，具體的結合位點如表3所示。表3總結了在1.0～4.0 在H鍵作用下以及在0.2～1.1 范德華力作用下兩者之間基團的結合位點。從表3中得知，大部分的結合位點都與油酸酰胺/芥酸酰胺中的極性酰胺基團密切相關，特別是酰胺基團與PU中的異氰酸基之間的相互作用。

在所構建體系的基礎上，計算相互作用能。Einter的值表示開口劑與PU層之間的吸引力。因此，較大的負值表示分子之間相互作用力越強，有著較強的吸引力，結構越穩定；反之亦然［20］。3個模型相互作用能的計算結果如表4所示。

由表4得知，油酸酰胺和芥酸酰胺的有著較大的負值代表LDPE膜中為脂肪酰胺類開口劑極易吸附在錦綸織物表面，是造成PU錦綸表面產生污漬的主要原因。由上述得知，兩者之間的吸附以H鍵和范德華力的物理吸附為主。

3結論

為了減少低密度聚乙烯膜的可遷移組分遷移到PU錦綸織物表面，本文研究PU錦綸織物表面吸附油酸酰胺和芥酸酰胺脂肪酰胺類開口劑的吸附行為，闡明了兩者之間的吸附機理，為服裝包裝材料上常用開口劑的篩選提供了技術支持。主要結論如下：

a） GC-MS檢測殘留在錦綸PU層的油性污漬，確定了油性污漬來源于LDPE膜上的油酸酰胺和芥酸酰胺。

b） 涂有PU層的錦綸織物表面呈現出親油疏水的特性，有助于油酸酰胺和芥酸酰胺與織物表面相結合。

c） 油酸酰胺和芥酸酰胺與錦綸PU層表面之間的吸附是以H鍵和范德華力的物理吸附為主，其中極性酰胺基團與PU中的CO、NH和OH基團為主要的結合位點。

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Adsorption of migratory components from polyethylene film by nylon polyurethane coating

ZHANG Chaoyu1， HU Zhubing2， ZHENG Siting2， ZHU Bo1， LIU Jianli1

（1.College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;

2.Wuxi Little Swan Electric Co.， Ltd.， Wuxi 214035， China）

Abstract：

Polyethylene bags， crafted from polyethylene film， are prevalent in the packaging industry， valued for their lightweight， transparent， soft， and durable properties. These bags are extensively used across various sectors， including garment and food packaging. However， these bags contain migratable components such as openers， plasticizers， and other unstable polymers. These components can migrate， causing adverse effects， such as surface stains on nylon fabrics， and impacting the quality and visual appeal of the fabrics. Therefore， investigating the adsorption mechanism between the migratable components in LDPE film and the surface of PU nylon fabrics is crucial to mitigate the impact of retained stains on PU nylon fabrics.

To elucidate the mechanism behind the visually visible oily stains on the surface of polyurethane （PU）-coated nylon garments wrapped in low-density polyethylene （LDPE） film， this study employed a combination of experimental testing and molecular dynamics simulation. Initially， the composition of the oily stains on the surface of the PU-coated nylon fabrics and the migratory components of the LDPE film were identified. Subsequently， a comparative analysis of the compositions was conducted. This comparison identified two chemicals： oleic acid amide and erucic acid amide， which are fatty amide slip agents in LDPE. Therefore， this research， via a blend of experimental testing and molecular dynamics simulation， determined that the main contributors to the oily stains appearing on the surface of PU nylon fabrics are the fatty amide slip agents present in LDPE films. Further microstructural analysis illustrated that the migratable components interact closely with the surface of the nylon fabric， forming a cauliflower-like structure. The PU-coated surface of the nylon fabric demonstrated notable oleophilic and hydrophobic properties. Molecular dynamics simulation results revealed that the migratory components in the polyethylene film and the nylon fabric surface primarily adhered through H-bonds and van der Waals forces， with OH，NH2， and CO in the PU producing the principal bonding sites with the polar groups （NCO） of fatty amides.

Through this multifaceted approach， the research clarified the microscopic adsorption mechanism between the fatty amide slip agents—oleamide and erucamide—and PU in LDPE films. These insights can guide the development of strategies to understand and prevent the occurrence of oily stains during the garment packaging process， offering technical support for the selection of suitable slip agents in garment packaging materials.

Keywords：

polyethylene film; migratory component; nylon fabric; polyurethane coating; adsorption; molecular dynamic simulation

收稿日期：20230712

網絡出版日期：20231019

基金項目：江南大學產學研合作項目（20230918）

作者簡介：張超宇（1995-），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事分子動力計算模擬與功能高分子材料方面的研究。

通信作者：劉建立，E-mail：jian-li.liu@hotmail.com