UV光固化树脂用于PET无纺布的亲水改性研究

周雪蕾 沈锦玉 李玖明 朱海霖 郭玉海

摘 要：为了在不破坏PET无纺布结构的前提下对其进行亲水改性，本文采用丙烯酸树脂为预聚物，甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）为亲水单体，1-羟基环己基苯甲酮（184）为光引发剂，乙酸乙酯为溶剂，通过UV光引发自由基聚合法进行涤纶（PET）无纺布的亲水改性。结果表明，当丙烯酸树脂与HEMA固含量为总量的10%，丙烯酸树脂与HEMA的质量比为1∶1，184质量分数为2%，PET无纺布的纯水通量为37 928 kg/m2/h，接触角为58.26°时为UV固化亲水改性最优配比。扫描电镜（SEM）显示亲水改性剂牢固地包覆在PET纤维表面，改性后PET无纺布的孔隙率降低。经丙烯酸树脂和HEMA改性后的PET无纺布亲水持久性和对沙土混合废水的过滤性能较好。

关键词：涤纶无纺布；紫外光固化；亲水改性

中图分类号：TQ637.83

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）03-0040-05

Hydrophilic Modification of PET Non-woven Fabrics by UV Light-cured Epoxy

ZHOU Xuelei1， SHEN Jinyu2， LI Jiuming3， ZHU Hailin1， GUO Yuhai1

（1.Key Laboratory of Fiber Materials and Processing Technology， Zhejiang Sci-Tech University，

Hangzhou， 310018； 2.National Textiles and Garment Quality Supervision

Inspection Center （Zhejiang Tongxiang）， Zhejiang， Tongxiang， 314500；

3.Hangzhou Tianshan Precision Filter Material Co.，Ltd，310018）

Abstract：In order to carry out hydrophilic modification of PET non-woven fabric without the damage to the structure of PET non-woven fabric， hydrophilic modification of PET non-woven fabric was implemented with UV light-initiated free radical polymerization by using acrylic resin as the prepolymer， HEMA as the hydrophilic monomer， Irgacure184 as the light initiation agent and ethyl acetate as the solvent. The results show that the optimal process conditions are as follows： mass fraction of acrylic resin and HEMA 10%， mass ratio of acrylic resin and HEMA 1∶1， mass fraction of Irgacure184 2%， pure water flux of the PET non-woven fabric 37 928 kg/m2/h， and contact angle 58.26°. SEM image shows that the hydrophilic modifier is firmly coated on the surface of PET fiber； the porosity rate of PET non-woven fabric decreases after the modification； PET non-woven fabric modified by acrylic resin and HEMA has good hydrophilic persistence and filtering property for mixed sand and soil wastewater.

Key words：PET non-woven fabric； UV light curing； hydrophilic modification

滌纶（PET）无纺布具有成本低、重量轻、耐腐蚀、力学性能及化学稳定性好等优点，作为一种分离材料和基布材料，已得到广泛的应用[1]。然而由于PET纤维的疏水性强，表面张力较低，限制了其在水处理方面的应用，因此需对其进行亲水改性。PET无纺布常用的改性方法有原丝改性[2-3]、化学接枝改性[4-5]、化学形态结构改性[6-7]、吸水整理剂的物理吸附[8-9]等，但这些方法存在破坏PET无纺布结构和亲水持久性差等缺点。

根据PET无纺布的高孔隙率的结构特点，本文提出采用UV光引发丙烯酸树脂和亲水型单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）进行自由基聚合并交联，在PET无纺布纤维表面包覆一层亲水性良好的聚合物涂层，在不破坏PET无纺布结构的前提下，对其进行亲水改性，原理示意图如图1所示。本文研究了丙烯酸树脂、HEMA和1-羟基环己基苯甲酮（184）对PET无纺布亲水性能和结构的影响。

1 实验部分

1.1 材 料

PET无纺布（厚度6 mm，平方米质量80 g/m2，佳联达无纺布有限公司），丙烯酸树脂和Irgacure184（南京嘉中化工科技有限公司），HEMA（上海光易化工有限公司），乙酸乙酯和无水乙醇（分析纯，杭州高晶精细化工有限公司）。

1.2 亲水PET无纺布的制备

将PET无纺布浸渍于无水乙醇去除杂质，在60 ℃下烘干冷却备用。将丙烯酸树脂、HEMA、光引发剂184和乙酸乙酯按常规配比混合，丙烯酸树脂质量分数10%，HEMA质量分数40%，光引发剂184质量分数3%，乙酸乙酯质量分数47%。在转速为800 r/min条件下搅拌1 min，形成亲水改性溶液。将PET无纺布浸渍于此亲水改性溶液中5 min，取出，60 ℃下烘干，在UV灯（波长200～450 nm，功率4 kW）下反应交联固化，反应时间为20 s，制得亲水改性的PET无纺布。

1.3 测试及表征

采用场发射扫描电镜（FESEM，EVO MA 25，德国卡尔蔡司公司）观察PET无纺布的表面微观形貌；采用傅里叶红外光谱仪（FTIR，NICOLE5700，美国Thermo公司）测试PET无纺布改性前后的官能团信息；采用AutoPore9500型压汞仪（麦克默瑞提克上海仪器有限公司）测试PET无纺布的孔隙率；采用K100全自动表面张力仪（德国克吕氏公司）测试PET无纺布的静态水接触角，平行测定3次，取平均值。

1.4 纯水通量和亲水持久性测试

采用自制的错流微滤装置（图2）测试PET无纺布的纯水通量。将无纺布置于错流装置中，控制压差尽量小，按式（1）计算纯水通量。将PET无纺布在错流微滤装置中连续冲洗10 h，每间隔2 h后放入烘箱烘干，测试纯水通量，用于评价无纺布的亲水持久性。

Jw=VA·t（1）

式中：Jw为渗透通量，kg/m2/h；V为透过液体积，L；A为复合膜有效面积，m2；t为过滤时间，h。

1.5 过滤性能测试

利用错流微滤装置（图2）测试膜的过滤性能。将改性无纺布置于装置上，过滤沙土混和废水，控制压差为10 kPa。利用浊度仪（WGZ-4000，上海昕瑞仪器仪表有限公司）测定过滤前后的浊度。浊度去除率的计算如式（2）所示：

浊度去除率/%=T-T0T×100（2）

式中：T0為滤液浊度，NTU；T为废水浊度，NTU。

2 结果与讨论

2.1 PET无纺布亲水改性条件优化

2.1.1 丙烯酸树脂和HEMA的固含量对PET

无纺布表面接触角和纯水通量的影响

丙烯酸树脂和HEMA的固含量对PET无纺布表面接触角和纯水通量的影响如图3所示，对孔隙率的影响如表1所示。由图3可知，恒定丙烯酸树脂与HEMA的质量比为1∶4，光引发剂质量分数为3%，随着丙烯酸树脂和HEMA质量分数的增加，无纺布表面接触角减小；当固含量为10%时，表面接触角下降至61.38°，之后趋于稳定。纯水通量则随着丙烯酸树脂和HEMA固含量的增加先增大后减小。这是因为丙烯酸树脂和HEMA聚合交联形成亲水膜，包覆在PET纤维表面，形成亲水层，导致无纺布的表面接触角降低，纯水通量增大，但当质量分数大于10%时，亲水包覆层较厚，堵塞PET无纺布的孔隙，使得孔隙率下降（表1），因此纯水通量有所降低。根据上述实验结果，本实验中丙烯酸树脂和HEMA最佳总固含量为10%。

2.1.2 丙烯酸树脂和HEMA的比例对PET无纺

布表面接触角和纯水通量的影响

图4为丙烯酸树脂和HEMA的比例对PET无纺布的表面接触角和纯水通量的影响。如图4所示，恒定丙烯酸树脂和HEMA的固含量为10%，光引发剂的质量分数是3%，随着HEMA的比例增大，无纺布表面接触角减小；当树脂和单体的质量比为1∶1时，表面接触角趋于稳定，纯水通量则一直增大。这是因为纯丙烯酸树脂亲水性较差，而HEMA分子中有羟基，亲水性好，因此随着HEMA比例的增大，表面接触角降低，纯水通量增大。

图5为丙烯酸树脂和HEMA的比例对无纺布亲水持久性的影响。由图5可知，当采用丙烯酸树脂和HEMA的质量比为1∶4和1∶8的改性体系和纯HEMA改性体系时，PET无纺布的纯水通量随着冲洗时间的增加而明显下降。这是因为HEMA是单官能团单体，聚合后形成的线性分子与PET纤维结合牢度差，连续长时间冲洗，附着在PET纤维表面的HEMA聚合物脱落导致纯水通量减小。而丙烯酸树脂是三官能团预聚体，与HEMA聚合形成三维体型交联产物，牢固地包覆在PET纤维表面，不易脱落。因此当丙烯酸树脂和HEMA的质量比是1∶1时，聚合后的亲水剂与PET纤维结合牢固，亲水持久稳定。

2.1.3 光引发剂184质量分数对PET无纺布表面

接触角和纯水通量的影响

图6是光引发剂184的质量分数对PET无纺布表面接触角和纯水通量的影响。如图6可知，恒定丙烯酸树脂与HEMA固含量为10%，质量比为1∶1时，随着184质量分数的增加，无纺布纯水通量先增大后减小，表面接触角先减小后增大。这是 因为当184质量分数增大时，溶液中自由基密度增大，引发聚合的链增多，从而使改性无纺布表面引入大量亲水基团，表面接触角降低，纯水通量增大；但当184的质量分数继续升高时，由于溶液中的自由基过多，易发生链终止，亲水基团减少而导致无纺布亲水性变差，纯水通量降低。

2.2 UV固化亲水改性对PET无纺布结构的影响

图7为PET无纺布亲水改性前后的SEM图。由图7可知，未改性的PET无纺布图7（a）是原纤粘结的多孔结构，表面纤维排列松散，孔隙率高；亲水改性后的无纺布图7（b）纤维变粗，结点变大，涂膜牢固地附着在无纺布表层图7（c）。图8为PET无纺布亲水改性前后的ATR-IR图。HEMA（图8c）在1 638 cm-1处出现CC键的伸缩振动峰，但在改性无纺布上（图8b）未发现明显的CC键伸缩振动峰，说明HEMA已聚合固定在PET无纺布表面[10]，提高了无纺布的亲水性。

2.3 沙土混合废水的过滤测试

图9为沙土混合废水的过滤通量和浊度去除率。由图9可知，随着过滤时间的增加，PET无纺布对沙土混合废水的过滤通量和浊度去除率始终保持稳定，说明UV固化亲水改性使PET无纺布能保持良好的亲水性和过滤性能。

3 结 论

采用丙烯酸树脂为预聚物，HEMA为亲水单体，184为光引发剂，乙酸乙酯为溶剂，通过UV光引发自由基聚合法进行涤纶（PET）无纺布的亲水改性，得出UV固化亲水改性最优配方：丙烯酸树脂与HEMA固含量为10%，丙烯酸树脂与HEMA的质量比为1∶1，184质量分数为2%时，PET无纺布的纯水通量为37 928 kg/m2/h，接触角为58.26°。SEM照片显示，丙烯酸树脂和HEMA聚合形成的涂层牢固地附着在PET无纺布表面，无纺布的孔隙率有所减小。改性无纺布的亲水持久性和对沙土混合废水的过滤性能较好，连续过滤12 h后，过滤通量和浊度去除率基本保持稳定。

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