烷基咪唑类双子型离子液体对涤纶织物的碱减量处理

曹机良， 孟春丽， 曹 毅， 闫 凯， 吴宁杰， 王潮霞

(1. 江南大学 纺织服装学院， 江苏 无锡 214122； 2. 河南工程学院 材料与化学工程学院， 河南 郑州 450007)

碱减量加工是提高涤纶织物性能的重要工艺之一，经碱减量处理后，涤纶织物的手感、光泽、悬垂性和吸湿性等均得到较大的改善，从而获得蚕丝般的优良性能[1-2]。由于涤纶纤维分子链共平面性较好，结晶度和取向度均较高，且具有热塑性，因此，常规涤纶碱减量工艺存在碱剂利用率低，消耗量大，废水中残碱含量高等问题[3-5]。碱减量促进剂逐渐应用于涤纶织物的碱减量工艺过程，它的使用可增强碱剂与涤纶纤维分子链的酯解反应，提高碱剂的利用率，降低碱减量工艺过程中碱剂的消耗量[5]。目前，阳离子型表面活性剂可作为涤纶纤维的碱减量促进剂，其中季铵盐类表面活性剂的使用最为广泛，但常规碱减量促进剂如十六烷基三甲基溴化铵(1631)、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)等存在环境污染大，产生鱼腥味等问题[6-8]。烷基咪唑类双子型(Gemini)离子液体属于阳离子类表面活性剂，分子内含有2个咪唑亲水基团。由于烷基咪唑类Gemini离子液体特殊的分子结构，与常规离子表面活性剂相比，具有更加优良的物化性能，其反应活性及所带电荷量均较高[9-10]；因此，它也可用于涤纶纤维的碱减量加工，且可解决当前碱减量促进剂的环保问题。

本文选用阳离子促进剂1227，以及3种不同长度烷烃链的烷基咪唑类Gemini离子液体用于涤纶织物的碱减量工艺研究，探究了4种促进剂对涤纶碱减量的促进效果，分析了实验工艺对减量织物性能的影响，以期为烷基咪唑类Gemini离子液体在涤纶织物碱减量工艺中的应用研究提供理论借鉴。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

织物：市售涤塔夫(210T)。

试剂：氢氧化钠(分析纯)，十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227，分析纯)，2-溴-1-(1-亚正丁基-3正己基咪唑)-3正己基咪唑(简写为6-4-6)，2-溴-1-(1-亚正丁基-3正辛基咪唑)-3正辛基咪唑(简写为8-4-8)，2-溴-1-(1-亚正丁基-3正癸基咪唑)-3正癸基咪唑(简写为10-4-10)。6-4-6、8-4-8、10-4-10均为实验室自制。图1示出促进剂的化学结构式。

图1 实验所用促进剂结构Fig.1 Structure of accelerant

仪器：RC-Z 2400型常温振荡水浴锅(上海一派印染技术有限公司)；Quanta 250型扫描电子显微镜(FEI香港有限公司)；HD026H型织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)。

1.2 实验工艺

将一定量的NaOH和阳离子促进剂1227或离子液体促进剂，在室温条件下投入织物，以1 ℃/min升温至一定温度，保温处理，然后降温、水洗、烘干、称量。

1.3 测试方法

1.3.1减量率测定

将碱减量处理前后的织物于105 ℃烘干至绝对干质量，称量，按下式计算涤纶的减量率：

式中：m1为碱减量前织物处理的绝对干质量，g；m2为碱减量处理后织物的绝对干质量，g。

1.3.2强力测定

采用织物强力机分别测试碱减量处理前后涤纶织物的强力，由下式计算强力损失率：

式中：F1为碱减量处理前织物的断裂强力，MPa；F2为碱减量处理后织物的断裂强力，MPa。

1.3.3形貌观察

将粘有干燥涤纶织物试样的样品台放置于离子溅射仪中镀金，于抽真空状态下，采用扫描电子显微镜观察纤维的形貌特征，测试电压为15.00 kV。

2 结果与分析

2.1 促进剂浓度对减量率的影响

按照1.2实验工艺，在NaOH质量浓度为10 g/L，98 ℃保温60 min条件下，研究促进剂浓度对涤纶碱减量的影响，结果如图2所示。可以看出：在NaOH质量浓度一定的条件下，随着促进剂质量浓度的增加，4种促进剂处理涤纶织物的减量率均呈现增加趋势，且碱减量促进程度依次为10-4-10>1227>8-4-8>6-4-6，10-4-10的增加趋势最为明显，而6-4-6浓度对涤纶减量率影响较小。这是由于促进剂中疏水碳链的影响，在不考虑阳离子促进剂1227的条件下，对比其他3种结构相同的促进剂及其促进效果可发现，10-4-10、8-4-8和6-4-6三者的烷烃链长度依次降低，且与对应的碱减量促进效果影响趋势相同，由Traube规则可知，促进剂分子碳链越长，其亲油性增加，就越有利于促进剂分子吸附于涤纶纤维表面，同时溶液中OH-富集于纤维表层，促进了涤纶纤维酯键的水解反应[11]。此外，还可看出：在促进剂10-4-10浓度小于0.03 mmol/L时，随着其浓度增加，涤纶织物减量率快速增大；而当浓度大于0.03 mmol/L时，涤纶减量率增大趋势随促进剂浓度的增加而减缓。这是因为当促进剂浓度增加时，会有较多的促进剂分子吸附于纤维表面；但进一步增加促进剂10-4-10的浓度，其在涤纶表面吸附量的增速减慢，故涤纶减量率的增速降低，且当促进剂10-4-10浓度大于0.03 mmol/L时，涤纶减量率超过30%：因此，在涤纶碱减量工艺加工过程中，可根据实际生产需求加入适量促进剂。

图2 促进剂浓度对涤纶减量率的影响Fig.2 Influence of dosage of accelerant on deweighgting ratio of polyester

2.2 氢氧化钠质量浓度对减量率的影响

按照1.2实验工艺，在促进剂浓度为0.1 mmol/L，98 ℃保温60 min条件下，研究NaOH质量浓度对涤纶碱减量处理效果的影响，结果如图3所示。可以看出，随着NaOH质量浓度的逐渐增加，在4种碱减量促进剂作用下的涤纶织物减量率均呈现增加趋势，且增加趋势大小顺序依然是10-4-10>1227>8-4-8>6-4-6。结合2.1分析结果可知，在促进剂浓度相同的条件下，分子碳链越长，促进剂在涤纶纤维上的有效吸附量就越多，则越有利于OH-到达纤维表面并被促进剂分子捕获，以促进涤纶纤维的碱减量。此外，增加NaOH质量浓度，可使溶液中碱剂电离的OH-浓度增加，在相同条件下就会有更多的OH-与涤纶纤维酯键接触，并发生水解反应。由图3还可知，涤纶减量率与促进剂种类和NaOH质量浓度有很大的关系，故本文实验中疏水性强的促进剂可选择较低的NaOH质量浓度。综合考虑，在使用促进剂的条件下，选用NaOH质量浓度为5～10 g/L。

图3 氢氧化钠质量浓度对涤纶减量率的影响Fig.3 Influence of dosage of sodium hydroxide on deweighting ratio of polyester

2.3 温度对减量率的影响

按照1.2实验工艺，在NaOH质量浓度为10 g/L，促进剂浓度为0.1 mmol/L，保温60 min条件下，碱减量处理温度对涤纶减量率的影响如图4所示。可以看出，随着温度的升高，处理后涤纶织物的减量率逐渐增大，当温度高于80 ℃时，涤纶减量率的增大速率明显提高，这是由于涤纶纤维具有热塑性，当碱减量处理温度超过涤纶纤维的玻璃化温度时，纤维分子链运动程度加剧，促使涤纶纤维分子链间空隙增大，有利于溶液中OH-与涤纶纤维分子链的酯键发生水解反应。此外，提高碱减量处理温度，溶液中促进剂分子和OH-在溶液中的动能增加，OH-与涤纶纤维的接触概率增大，促进了涤纶纤维的水解；因此，当碱减量处理温度较高时，涤纶纤维的碱减量更容易进行，而当温度较低时，酯键水解反应程度较低。低温条件纤维分子链的运动程度降低，且由于聚酯大分子链的共平面性较好，使得纤维结构紧密，故涤纶纤维在低温条件下的减量率提高较慢。综合考虑，碱减量温度依据促进剂促进效果的不同可选择90～98 ℃。

图4 温度对涤纶减量率的影响Fig.4 Influence of temperature on deweighting ratio of polyester

2.4 时间对减量率的影响

按照1.2实验工艺，在NaOH质量浓度为10 g/L，促进剂浓度为0.1 mmol/L，于98 ℃保温条件下，研究碱减量处理时间对涤纶减量率的影响，如图5所示。可以看出：随着碱减量处理时间的延长，涤纶纤维减量率逐渐增大；且促进剂10-4-10对涤纶织物的促进效果要明显优于其他3种促进剂。从工艺曲线可看出，4种促进剂的促进效果依然符合Traube规则。在保温时间为60 min时，促进剂10-4-10处理涤纶织物的减量率达到了40%左右，促进剂1227、8-4-8处理涤纶织物的减量率也达到了10%左右，而促进剂6-4-6对涤纶纤维的促进效果并不明显，在保温120 min后其减量率依然未达到10%，且其减量率略高于不加促进剂的涤纶织物。此外，在涤纶纤维碱减量过程中，随着碱减量处理时间的延长，后期溶液中涤纶纤维的水解产物增加，导致溶液黏度增大，反而使得促进剂分子和OH-在溶液中的扩散速率下降，即使得涤纶酯键的水解反应速率有所下降；因此，在涤纶碱减量工艺确定的条件下，可通过适当延长保温时间来增加涤纶纤维的减量率。综合考虑各种影响因素，在氢氧化钠和促进剂用量确定的条件下，促进剂10-4-10可选择98 ℃保温20～40 min，促进剂8-4-8、1227可选择98 ℃保温90～180 min。

图5 时间对涤纶减量率的影响Fig.5 Influence of time on deweighting ratio of polyester

2.5 织物强力分析

选择涤纶原样和涤纶碱减量处理样品(NaOH为12.5 g/L，8-4-8为0.1 mmol/L，升温至98 ℃，保温处理60 min)进行强力测试。测得在该工艺条件下碱减量加工处理后织物的减量率为23.9%，强力损失率为23.5%。

2.6 织物形貌分析

图6示出涤纶碱减量处理前后的SEM照片。可以看出，涤纶原样的表面较为光滑，且覆盖一些杂质，经碱减量处理后涤纶织物的表面更加光滑；但出现明显的凹槽，说明经碱减量处理后涤纶被“剥皮”，且纤维表面出现凹槽，使涤纶纤维变细、比表面积增大，改善了织物手感。

图6 涤纶织物的SEM照片(×5 000)Fig.6 SEM images of polyester fabric. (a) Original polyester; (b) Deweighted polyester

3 结 论

1)烷基咪唑类Gemini离子液体促进剂可用于涤纶织物的碱减量加工，且促进剂对涤纶碱减量的促进效果与分子中烷烃链的长短相关，其促进规律符合Traube规则，烷烃链越长，则促进剂分子对涤纶纤维的吸附作用越好，对OH-的富集作用越好。

2)涤纶碱减量工艺加工过程中加入烷基咪唑类Gemini离子液体促进剂，可明显降低氢氧化钠用量，提高减量率。

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