涤纶织物阳离子抗静电剂整理研究及性能评价

王艺霈,李 俊,2,劳继红

(1.东华大学服装学院;2.现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海200051;3.东华大学 纺织学院,上海 201620)

涤纶织物阳离子抗静电剂整理研究及性能评价

王艺霈1,李 俊1,2,劳继红3

(1.东华大学服装学院;2.现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海200051;3.东华大学 纺织学院,上海 201620)

采用阳离子型抗静电剂DM 3726与非离子型抗静电剂 TN,将织物的感应静电压和半衰期作为衡量织物抗静电性能的主要指标,对这2种抗静电剂进行对比研究,得到前者抗静电性能优于后者.针对阳离子型抗静电剂DM 3726的3个工艺参数——整理剂浓度、焙烘温度和焙烘时间进行单因子和正交试验,得出其最佳工艺条件为整理剂浓度10 g/L、焙烘温度190℃、焙烘时间30 s.并在最佳工艺条件下对整理前后涤纶织物的综合性能进行了评价.

抗静电整理;涤纶;阳离子抗静电剂;静电压

涤纶纤维织物以其强度高、抗皱、耐磨、尺寸稳定、易洗快干、免熨烫等优良性能成为人们最青睐的产品之一,广泛应用于服装、装饰及产业用纺织品[1].但涤纶是疏水性纤维,缺少吸湿基团,属不良导体;吸湿率低,即使在 100%相对湿度下的吸湿率也仅为0.6%～0.8%[2];比表面电阻超过1014Ω·cm[3],其中一般抗静电纤维的电阻率为108～1010Ω·cm[4].因此,其自身或当其与其他物体摩擦时易产生静电,如果这些静电荷不能通过各种途径迅速散失,就会在材料和加工机械上逐渐积累、增加,引发各种障碍和危害.从生产和消费的角度来看,涤纶织物的抗静电性能已成为急待研究和解决的问题.

传统的抗静电整理在纤维或织物表面进行.良好的抗静电剂在使用量合理的情况下,纤维表面可以生成连续的湿膜,离子能在此表面上移动,从而降低了纤维的表面电阻,加快了静电荷的逸散,达到抗静电的效果[5].同时,抗静电剂朝向纤维中心的疏水基团多是碳氢链,而碳氢链在高分子链中最柔软,因而能使化学纤维表面柔软平滑,降低纤维表面的摩擦系数,减少静电的产生[6].

阳离子型抗静电剂应用最广泛,对纤维吸着力强,在低湿度时仍显示优良的抗静电效果.阳离子型抗静电剂一般以季铵盐使用最多[7],这类表面活性剂除了良好的抗静电作用外,还具有一定的耐洗能力,处理后的纤维或织物具有平滑、手感性好的优点,其缺点是对设备表面附着力较大,影响连续性生产.非离子型抗静电剂如高级醇、酸的聚氧乙烯衍生物等,虽然需要大附着量才能达到好的效果,在热处理时有向纤维内部扩散等缺点,但由于吸湿性强、手感好、容易洗净等优点,也常用于非耐久性抗静电性的加工油剂.鉴于2种抗静电剂的不同特性,在涤纶织物的抗静电整理中,如何选取合适的抗静电剂,并确定其最佳工艺参数,是本文研究解决的问题.

因此,本文首先选取了阳离子抗静电整理剂DM 3726和非离子抗静电剂 TN,将织物感应静电压与半衰期作为衡量其抗静电性能的主要指标,对这2种抗静电剂进行对比研究,以选取性能较优的抗静电剂.而后就影响织物抗静电性能的3个参数进行单因子与正交实验,从而优化抗静电整理剂的整理工艺参数,使其更有效地改善涤纶织物的抗静电性能.

1 实 验

1.1 实验材料和仪器

实验材料:100%涤纶(平纹,经纬密335×265根/10 cm,厚度 0.207 cm,克重 0.7881 g/m2);抗静电剂DM-3726(德美化工);抗静电剂 TN(德美化工);渗透剂 TF-107A;氨水.

仪器设备:YG342D型感应式静电测试仪(常州第一纺织设备有限公司);连续烘干定型机(中国台湾瑞比公司);无色轧车(中国台湾瑞比公司);LL Y-01型电子硬挺度仪(莱州市电子仪器有限公司);YG141N数字式厚度仪;YG461E型电脑式透气性测试仪;FA 2004A型电子分析天平;HD026N电子织物强力仪.

1.2 整理工艺

整理液浓度:抗静电剂DM-3726 2～10 g/L;抗静电剂 TN 2～16 g/L.

工艺条件:预烘温度 80℃;焙烘温度 160～210℃;焙烘时间30～150 s.

工艺流程:织物浸渍整理液(2 min)→二浸二轧(轧余率100%)→预烘(80℃×1 min)→焙烘((160～210)℃×(30～150)s)→测试性能.

1.3 性能测试

1.3.1 抗静电性能

参照标准FZ/T10142-1996,外加电压为10 kV,预设放电时间为30 s,利用电晕放电机理使试样带电,记录稳定后试样上的静电电压值(V)及该电压衰减到一半时所需的时间(s).1.3.2 织物基本性能

(1)织物透气性.参照国家标准 GB5453-85,采用YG461型电脑式织物透气仪,得到透气量(L/m2·s)和透气率(m/s).试样面积为20 cm2,同一样品的不同部位至少测试10次,并算出平均值.

(2)织物柔软性.参照 GB/T 18318-2001,测得伸出长度 L,计算得出抗弯长度(cm)和抗弯刚度(mN·cm)2个力学指标.试样面积为(25±1)×(250±2)mm,测量6次,取平均值.

(3)织物拉伸性能.根据 GB/T 3923.1-1997标准,采用电子织物强力试验仪测定试样的强力(N)与断裂伸长率(%).试样面积为30 cm×5 cm,经纬向各取5块测量取平均值.

2 结果与讨论

2.1 单因子实验

2.1.1 抗静电整理剂浓度

DM 3726整理剂浓度对织物半衰期的影响如图1所示,对织物静电压的影响如图2所示.

由图1和图2可知,在其他工艺条件不变的情况下,随着DM-3726整理剂浓度的增大,织物的抗静电性能得到逐渐改善.未经抗静电剂处理的涤纶织物峰值电压高达1 068 V,半衰期为11.3 s,而当采用整理剂DM 3726浓度为6 g/L时,织物的静电压和半衰期分别下降至667 V和0.736 s.继续增加整理剂浓度,整理后织物静电压和半衰期下降趋势不大,抗静电效果提高并不显著.出现这种现象的原因是,随着整理剂质量浓度增加,整理剂与纤维表面接触得越多,越易形成连续的湿膜,使离子能在此表面上移动,织物表面电荷向内部和表面的逸散速率也就越快,从而降低了纤维的表面电阻,达到抗静电效果.但当整理剂浓度达到一定程度后,纤维表面已经达到饱和,即纤维表面不能再与整理剂结合,若继续增加整理剂浓度,也不会使织物抗静电效果显著改善.结合织物抗静电效果,以及产品加工的经济性等方面,选取整理剂浓度在6～10 g/L范围内.

TN整理剂浓度对织物半衰期的影响如图3所示,对织物静电压的影响如图4所示.

由图3和图4可知,织物在经过抗静电剂 TN整理后,最佳效果为静电压和半衰期分别下降至733 V和0.74 s,整理效果不如DM-3726.又考虑它含有APEO(烷基酚聚氧乙烯醚类化合物的简称),APEO有较大的生物毒性、极差的生物降解性和降解代谢产物的毒性,欧盟已经出台关于限制或禁止使用APEO纺织品的命令,且抗静电剂 TN对织物染色牢度又存在较大影响,因此,综合考虑各项因素,接下来的实验采用DM-3726阳离子型抗静电剂作为主要试剂.

2.1.2 焙烘温度

焙烘温度对整理织物半衰期的影响如图5所示,对织物静电压的影响如图6所示.

图5 焙烘温度对整理织物半衰期的影响

图6 焙烘温度对织物静电压的影响

由图5和图6可知,在其他工艺条件不变的情况下,随着焙烘温度的提高,织物静电压先随着温度的升高而减小,焙烘温度在达到190℃后又开始增大,焙烘温度为190℃时,织物的静电压下降至最低值;而温度的升高对半衰期影响不大,其值一直保持在0.77 s左右.出现这种现象的原因是,当焙烘温度较低时,晶核生长速度较慢,整理剂与涤纶纤维的结合力较弱,不能形成均匀的导电膜.而随着焙烘温度的升高,晶核形成速率增加,结晶速率增加,整理剂与涤纶之间的作用力增大,形成均匀连续的导电膜,因而具有较好的抗静电效果.但焙烘温度过高,造成抗静电剂大分子降解,亲水能力下降,降低了抗静电效果.因此,在工艺整理过程中,焙烘温度不宜过高.

2.1.3 焙烘时间

熔烘时间对织物半衰期的影响如图7所示,对织物静电压的影响如图8所示.

由图7和图8可知,随着焙烘时间的增加,涤纶织物静电压随之增大,抗静电效果降低;织物半衰期也基本呈现这种趋势.焙烘时间为30 s时,峰值静电压和半衰期为最小值771 V和0.70 s.这是由于整理剂与纤维发生作用是一个过程,需要一定的时间,所需时间包括加热时间、热渗透时间和整理成膜时间.焙烘时间短,整理剂在纤维表面渗透不够深入,因而导电效果差.因此,只有当焙烘时间达到一定值,才能达到良好的抗静电效果.但在高温条件下,长时间的焙烘则会破坏抗静电剂的大分子结构甚至造成热氧化分解和热裂解,或破坏织物表面形成的导电膜.

2.2 DM-3726整理涤纶织物的正交实验

DM-3726整理涤沦织物的正交实验[L9(34)]结果如表1所示,结果分析如表2所示.

表1 DM-3726整理涤纶织物的正交实验[L 9(34)]结果

表2 正交实验结果分析表

由表1和表2可知,影响涤纶织物静电压的因素主次顺序为 A＞C＞B,优选方案为 A3B2C1,;影响涤纶织物半衰期的因素主次顺序为 C＞A＞B,优选方案为A3B1C1.同时也可得到整理参数的改变对静电压的影响远大于半衰期,在一定范围内,半衰期下降至一稳定值后变化不大.在影响静电压和半衰期的因素中,B(焙烘温度)这个因素都属于次要因素,而在优选方案为A3B2C1,即整理剂浓度为10 g/L、焙烘温度为190℃、焙烘时间为30 s时,涤纶织物静电压和半衰期分别下降至700 V和0.61 s,已经达到优良的抗静电效果.

为了进一步确定整理剂浓度、焙烘温度、焙烘时间对织物抗静电性能有无显著影响,进行了正交实验的方差分析,利用统计学原理来确定3个因素对织物静电压和半衰期的影响差异性.

表3 静电压-正交实验方差分析表

备注:＊的数量表示显著性的等级,数目越多,显著性越强.

由表3可知,因素 A(整理剂浓度)的影响性比较显著,其次为因素 C(焙烘时间),最后是因素 B(焙烘温度).这与表2的分析结论基本一致,即确定最佳实验方案为整理剂浓度10 g/L、焙烘温度190℃、焙烘时间30 s.

2.3 整理前后织物其他性能的对比

在正交实验得出最佳工艺条件下,对涤纶织物进行后整理加工,而后对其进行基本性能测试,比较其整理前后织物服用性能的变化,如表4所示.

表4 整理前后织物基本性能对比

表4中实验数据显示,整理后涤纶织物的断裂强力有所下降,而断裂伸长率有所上升.其原因是由于织物在经过抗静电剂化学作用后,产生化学变形,加之在整理过程需要190℃的高温,可能对部分纤维造成损失,导致织物的强力下降;同时,因为高温可能致使大分子链解开,分子和分子间作用力减少,从而使拉伸时分子链移动能力加强,织物的拉伸断裂伸长率增大.

整理后织物的抗弯长度有所下降,即织物的柔软性略有增加,织物在服用方面性能得到提高,原因在于抗静电剂朝向纤维中心的疏水基团多是碳氢键,而碳氢键在高分子链中最柔软,因而能使化学纤维表面柔软平滑,减低了纤维表面摩擦,使其织物在服用时穿着更舒适.整理后织物的透气量略有下降,原因在于抗静电剂经过轧压后仅形成一层薄膜包覆在纤维的表面,使织物纤维之间的空隙略有减小.

3 结 语

通过阳离子抗静电剂DM 3726和非离子抗静电剂TN对比研究得知,经阳离子型抗静电剂 CM-3726处理过的织物抗静电性能相对较好.

在阳离子型抗静电剂DM 3726的3因素3水平正交实验研究中发现,整理剂浓度对织物静电压影响最为显著,焙烘时间对其影响次之,焙烘温度影响程度最小.焙烘时间对织物半衰期影响最为显著,整理剂浓度对其影响程度次之,焙烘温度影响程度最小.

实验数据分析显示,在改善织物抗静电性能的目标前提下,整理剂浓度10 g/L、焙烘温度190、焙烘时间30 s为最佳的实验方案.

经最佳整理工艺条件整理后,涤纶织物的抗静电性能得到有效的改善,同时织物的手感柔软性也有所改善.尽管其他基本性能如织物强力和透气率略有所下降,但是由于变化幅度不大,基本不影响整理后织物的应用.

[1] 黄丽鹃.涤纶织物阻燃抗静电双功能整理[J].北京化纤,1994(3):19.

[2] 王菊生,孙恺.染整工艺原理(第一册)[M].北京:纺织工业出版社,1984:198-200.

[3] 黄毅,李志飞,罗国华,等.聚酯/碳纳米管导电纤维结构与性能的研究[J].合成纤维工业,2004,27(6):1-3.[4] 施楣梧.纺织品用抗静电纤维、导电纤维的回顾和展望[J].毛纺科技,2000(6):5-10.

[5] 吕家华,陈水林,华载文.合成纤维织物的抗静电整理[J].纺织学报,1995,16(6):59-61.

[6] 赵耀明.涤纶织物抗静电整理的研究[J].广东化纤,1995,6(2):1-5.

[7] 杨志敏,赵耀明.合成纤维永久性抗静电剂[J].合成纤维工业,1991,14(5):4.

Study on Cationic Antistatic Finishing and Performance Evaluation of Polyester Fabric

WANG Yi-pei1,L IJun1,2,LAO Ji-hong3
(1.Fashion Institute,Donghua University;2.Key Laboratory of Clothing Design and Technology,M inistry of Education,Shanghai 200051;3.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)

U sing static voltage and half-life as themain index fo r evaluating the fabric’s antistatic p roperty,compares study on the antistatic finish effectof DM-3726 and TN.The resultof the experiments show s that the cationic antistatic agent DM-3726 has the better effect on imp roving the antistatic p roperty.And then making the single factor experiments and orthogonal experiments on three elements of the cationic antistatic agent DM 3726 such as concentration of finishing agent,baking temperature,baking time,the o rthogonal experiments show that antistatic agent concentration of 10g/L,baking temperature of 190℃,baking time of 30s is the best of pilot p rogramme.Finally,compare the basic perfo rmance of the fabric between befo re and after finishing.

antistatic finishing;polyester;cationic antistatic agent;static voltage

TS195.6

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.011

1671-6906(2010)04-0041-05

2010-06-23

王艺霈(1987-),女,河南许昌人,硕士生.