抗起毛起球整理用热反应型WPU的合成及应用

2013-04-29白慧英赵振河刘宗旭

粘接 2013年11期

关键词：应用

白慧英赵振河刘宗旭

收稿日期：2013-06-30

作者简介：白慧英（1988-），女，在读研究生。研究方向：染整助剂的合成与研发。E-mail：baihuiying0808@126.com。

指导老师：赵振河，男，教授。

摘要：以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚多元醇为主要原料，以异丙醇为溶剂，合成了反应型水性聚氨酯整理剂，既保持了聚氨酯的弹性，又具有极好的反应活性，可以赋予织物各种功能，提高纺织品的附加价值。介绍了该类整理剂在纯棉针织物抗起毛起球整理中的应用。

关键词：水性聚氨酯（WPU）；抗起毛起球；应用

中图分类号：TQ433.4+32 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2013）11-0053-04

水性聚氨酯（WPU）是以水为介质乳化分散而成的[1]，可用于纺织品整理。反应型WPU在织物后整理上的应用国内大多处于科研阶段[2]。德美公司率先实现工业化生产的反应型WPU整理剂是通过控制聚氨酯主链的分子质量，并引入各种官能团，使其能够均匀稳定地溶于水中，以便对纺织品进行加工处理。这种WPU不但可以渗透到纱线内部，而且可以释放活性基团与纤维分子及其他整理剂发生交联反应，同时聚氨酯分子间也进行反应，以化学键的形式交联，形成立体网状结构，赋予织物许多功能性，如防缩、防皱、抗静电、抗起毛起球等[3～5]。将该类整理剂用于棉、粘胶等纤维的整理，可有效地解决天然纤维织物易起毛起球的难题。由于它不含甲醛，属于环保型织物整理剂[6]。

1 实验部分

1.1 实验试剂及药品

异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），工业级，德国拜耳；聚醚三元醇、聚酯二元醇，工业级，杭州久灵化工；2，2-二羟甲基丙酸（DMPA），工业级，江苏海安石化有限公司；亚硫酸氢钠，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；异丙醇，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；二正丁胺、甲苯，化学纯，陕西华星实验科技有限公司；溴甲酚绿、浓盐酸，分析纯，陕西华星实验科技有限公司；三乙胺，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；蒸馏水。

1.2 主要仪器

热定型机LA-205，日本株式会社；起毛起球测试仪YG502N，南通宏大实验仪器有限公司；轧车MU505T，北京纺织机械器材研究所；数字白度仪DSBD-1，南通宏大实验仪器有限公司。

1.3 试样规格

纯棉针织布15 cm×15 cm。

1.4 WPU的合成方法

1.4.1 聚醚型WPU的合成

在三口烧瓶中，按计量投入聚醚三元醇，在真空度103 Pa条件下缓慢升温到130～140 ℃，恒温1.5 h，停止抽真空；缓慢降温至30 ℃左右，按计量滴加IPDI，再缓慢升温至70～75 ℃，反应2 h，降温至0～10 ℃加入封端剂及适量异丙醇溶剂，高速搅拌30 min，加蒸馏水分散、乳化1 h，制得聚醚型WPU。

1.4.2 聚酯型WPU的合成

在三口烧瓶中，按计量投入聚酯二元醇，在真空度103 Pa条件下缓慢升温到130～140 ℃，恒温1.5 h，停止抽真空；缓慢降温至35 ℃左右，按计量滴加IPDI，缓慢升温至75～80 ℃，反应2 h。降温至75 ℃左右加入扩链剂DMPA，扩链温度80～85 ℃，扩链1.5 h。加入三乙胺中和10 min，加蒸馏水分散、乳化1 h，制得聚酯型WPU。

1.5 织物整理

纯棉针织白布浸轧（自制水性聚氨酯80～120 g/L，JFC 10 g/L，二浸二轧，轧余率75%）→预烘（80 ℃/3 min）→焙烘（170 ℃/（1～2）min）→热水洗（50 ℃/5 min）→冷水洗、烘干。

1.6 分析测试方法

1）外观

肉眼观察预聚体或乳液的色泽、透明度、外部状态等。

2）贮存稳定性

参考GB 6753.4—86[7]，将一定量的乳液装入暗色瓶中，加盖密封，置于阴凉处，室温保存。定期观察乳液的状态，若有分层现象，上层清液体积越大，其贮存稳定性越差。

3）离心稳定性

用800型高速离心机，在转速3 000 r/min、时间30 min的条件下测试乳液的稳定性，观察溶液是否分层。

4）固含量

按照GB/T 2793—1995进行。

5）游离异氰酸酯基含量[8]

用二正丁胺/甲苯法进行测定。

6）手感评定

整理后织物手感评定：需至少4人触摸评定织物，评定结果（相对于原样）可分为柔软、较软、不变、较硬和硬等5个级别。

2 结果与讨论

2.1 乳液性能的影响因素

2.1.1 n（-NCO）/n（-OH）（R值）对乳液性能的影响

IPDI和三元醇是合成预聚体的主要原料：IPDI构成产物的硬段，提供了强度、耐磨性等性质，对产物的力学性能贡献最大；三元醇构成软段部分，提供了柔顺性、弹性等性质。R值是影响乳液性能的重要因素之一。在其他工艺条件不变的情况下，通过改变R值来研究乳液性能的变化，结果见表1。

由表1发现，当R值为2时，预聚体产生凝胶，这是因为-OH含量过多，导致交联度过大，无法继续反应；当R值≥3时，预聚体的外观正常，反应也顺利进行。当R值达3～5时，预聚体的外观均比乳液的外观透明，这是乳化阶段聚合物发生相反转的结果，且在此范围内，随着R值的增加，交联成分含量相应减少，乳液的外观经历了从微透明到半透明的过程。当R值大于5时，乳液的外观为白色石灰水状，这是因为IPDI的含量过多，致使残余的-NCO基团较多，在乳化阶段与水剧烈反应，所得乳液粒径较大，外观不透明且稳定性差。

2.1.2 预聚温度对乳液性能的影响

若反应温度过高，反应速率过快，引起暴聚或产生凝胶，进而导致反应失败；若温度过低，反应速率较慢，不利于反应的进行，反应时间长导致能耗的增加。

由图1可以看出，在反应初期，随着反应时间的增加，各曲线都呈现明显下降趋势，且最后趋于平稳。这是因为在初始阶段，-NCO和-OH的含量较高，碰撞机会较多使得反应速率较快，迅速聚合为二聚体、三聚体、四聚体等。随后，低聚物间继续反应，分子质量缓慢增加，-NCO含量降低。温度高反应速率快，剩余的-NCO越少。随着时间的推移，-NCO含量降低，反应速率也逐渐减慢，最终反应达到或接近理论终点。以R值取4.0为例，其-NCO含量理论初始值为13.13%，终点值为6.89%。温度70 ℃、反应150 min时的剩余-NCO含量为6.94%，接近理论终点值。而反应温度75 ℃、80 ℃时反应速度过快，导致副反应增加，-NCO含量均低于理论值，故反应温度以70 ℃为宜。

2.2 应用性能的影响因素

2.2.1 聚醚/聚酯质量比对抗起毛起球性能的影响

纯棉针织物经过煮、漂等前处理工序的加工，其表面会产生许多绒毛，经过一段时间的穿着和静电作用，织物表面会起毛起球，影响美观和舒适感。封闭型的聚醚型聚氨酯在高温下会释放-NCO基团，与纤维的-OH发生交联反应，避免纤维间的迁移；而聚酯型聚氨酯能在织物表面形成强韧的薄膜，耐摩擦、拉伸强度高、弹性好，并有一定的亲水性。用2种WPU混合整理织物可改善纤维间的粘接力，减少纱线毛羽，减少静电，有利于抗起毛起球。

从表2可见，随着聚醚质量比下降，抗起毛起球性能提高，当质量比为5/5时，各项指标均较好。但是随着聚酯质量比增加，手感会有一定下降，这可能由于聚酯成膜，从而影响到手感质量。而白度几乎没有下降。

2.2.2 WPU织物整理SEM 表征

对空白织物和经过整理剂整理的织物进行喷金处理，透过扫描电镜在电子扫描点下观察纤维相结构，见图2。

由图2可以看出，织物经浸轧整理后，织物表面附有一层薄膜，说明整理剂与织物发生了交联。

3 结论

（1）以IPDI和聚醚/聚酯多元醇为主要原料，n（-NCO）/n（-OH）为4.0合成了WPU。

（2）在70 ℃预聚150 min，游离-NCO达到理论值。

（3）聚醚/聚酯质量比为5∶5时，抗起毛起球效果达到最佳。

参考文献

[1]徐培林，张淑琴.聚氨酯材料手册[M].北京：化学工业出版社，2002：708-713.

[2]康平，宋文生，李雪娟，等.水性聚氨酯的发展、分类、合成及应用[J].材料导报，2007，16（3）：377-380.

[3]易翔，何德良.水性聚氨酯化学改性研究进展[J].上海涂料，2009，47（2）：28-31.