嵌段聚醚氨基硅油改性聚氨酯的合成及应用

2018-11-08苏小桦邢建伟徐成书

西安工程大学学报 2018年5期

苏小桦,邢建伟,徐成书

(西安工程大学纺织科学与工程学院,陕西西安 710048)

0 引言

山羊绒制品是高档纺织服装面料,相较于其他纺织品而言,具有柔、轻、软、滑等独特风格[1-2],但在日常服用及水洗过程中,织物不断经受摩擦,易产生起毛起球和毡缩现象[3-4],严重影响织物的品质.因此需要对羊绒织物进行易护理整理.

目前市场上多采用水性聚氨酯[5-8]类整理剂整理羊绒针织物,虽然在一定程度上改善了羊绒织物的起毛起球和毡缩现象,但同时会使织物柔软性下降,手感恶化[9],影响羊绒织物的商业价值.针对这一问题,学者们尝试将聚氨酯整理剂与有机硅交联,利用有机硅链段的柔软特性,保持羊绒织物的手感[10-11].安恩来等[12]采用聚碳酸亚丙酯二元醇(PPC)和IPDI等为基本原料,接入三元嵌段硅油,制备了3种不同有机硅共聚水性聚氨抗起毛起球整理剂,并用于羊绒织物整理,获得了良好的起毛起球效果且手感较传统整理剂有所改善;徐炜等[13]以甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)、聚酯二元醇(PDHA)、端氨基聚硅氧烷为原料合成有机硅改性聚氨酯抗起毛起球整理剂,用于织物的抗起毛起球整理,使整理后的织物具有较好的抗起毛起球效果,同时改善了织物的柔软性能.

文中采用PTMG、DMPA等原料合成WPU预聚体,在WPU预聚体上接入嵌段聚醚氨基硅油,乳化分散,制备氨基硅油改性阴离子WPU乳液及膜,并对羊绒针织物进行整理,以期在不影响羊绒织物手感的前提下改善其抗起毛起球性和抗毡缩性.

1 实验

1.1 材料、试剂及仪器

(1) 材料纯羊绒针织物(30 tex×2,宁夏中银绒业股份有限公司).

(2) 试剂聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)(工业级,杭州三隆新材料有限公司);异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)(工业级,广州茵诺威化工有限公司);二羟甲基丙酸(DMPA)(工业级,临海市亿达贸易有限公司);二月桂酸二丁基锡(BDTDL)(分析纯,广东时盛化工有限公司);嵌段聚醚氨基硅油(市购);1,4-丁二醇(BDO)、三乙醇胺(TEA)(分析纯,成都市科龙化工试剂厂).

(3) 仪器 CMT-8S真空泵(上海精密科学仪器有限公司),DHG-9076A电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司),TDL-40B离心分离机(上海安亭科学仪器厂),傅立叶变换红外光谱仪(美国Nicolet-Thermo),马尔文激光粒度仪(Mastersizer-s v2.15),JC2000D接触角测量仪(上海中晨数字技术设备有限公司),JSM6335F扫描电镜(日本JEOL公司),YG511N+箱式起球仪(南通宏大实验仪器有限公司),X-Rite Colori7爱色丽分光测色仪(上海嘉恩科技有限公司),JA3003电子分析天平(上海越平科学仪器有限公司),JJ-1增力电动搅拌器(江苏金坛市金城国胜实验仪器厂).

1.2 水性聚氨酯的制备

1.2.1 聚氨酯乳液的制备向500 mL四口烧瓶中加入一定计量的PTMG,升温至110 ℃～120 ℃抽滤60 min,脱除水和小分子物,降至室温加入催化剂BDTDL,搅拌均匀后加入IPDI并升温至80 ℃反应90 min.加入扩链剂DMPA,升温至90 ℃反应90 min;降温至50 ℃左右加入BDO(用异丙醇溶解),再升温至80 ℃搅拌反应60 min;采用冰浴将预聚体体系降温至0～5 ℃,并在降温过程中加入丙酮调节体系粘度,在高速搅拌下滴加嵌段聚醚氨基硅油对WPU预聚体进行改性,加料完毕后继续保温反应120 min,随后加入计量的三乙胺中和30 min,最后加入计量的去离子水高速搅拌乳化分散50 min,制得嵌段聚醚氨基硅油改性WPU乳液.

根据硅油在预聚体中含量的不同制备了4种改性水性聚氨酯样品,硅油体积分数0%,4%,8%和12%分别记为WPU-0，WPU-4，WPU-8，WPU-12.

1.2.2 改性水性聚氨酯膜的制备将制备好的改性水性聚氨酯乳液均匀涂于聚四氟乙烯板上,室温下48 h自然成膜.

1.3 测试与表征

1.3.1 稳定性 10 mL WPU乳液置于15 mL离心试管中,以转速为4 000 r/min离心10 min后观察乳液情况.

1.3.2 粒径采用英国马尔文公司纳米激光粒度仪Mastersizer-s v2.15测定乳液粒径及分布,测试温度为25 ℃.

1.3.3 红外光谱美国Nicolet公司傅立叶变换红外光谱仪测试水性聚氨酯胶膜,使用KBr压片,分析样品结构.

1.3.4 吸水率将膜剪成一定大小,测定质量M1,然后室温下于蒸馏水中浸泡24 h后取出,并用滤纸快速吸干膜表面的水,测定浸泡后膜质量M2,计算膜的吸水率

1.3.5 水接触角使用接触角测试仪对膜进行水接触角测试,每个样品选取3个点进行测试,其平均值为测量结果.

1.3.6 扫描电镜样品经喷金处理后,采用Quanta-450-FEG型扫描电子显微镜(SEM)进行电镜扫描,观察羊绒纤维表面形貌的变化.

1.3.7 色差测试使用COLORE i7电脑测色仪测试样品色差值.标样为未进行改性聚氨酯整理的羊绒织物.

1.3.8 抗起毛起球性将羊绒织物浸渍于制备的改性WPU整理液(浴比20∶1,整理液用量为2%(owf))中,40 ℃处理30 min.按GB/T 4802.3—2008《纺织品织物起毛起球性能的测定第3部分:起球箱法》进行羊绒织物的起毛起球性测试.

1.3.9 抗毡缩率性根据国际羊毛局试验法IWS TM NO.31测试标准及方法,在5 cm×5 cm针织物试样的纵横方向上缝制标记原始尺寸,采用ISO 6330标准洗衣机对羊绒织物进行3次洗涤,洗涤结束后自然烘干,测定相应标记尺寸并计算毡缩率,计算公式为

其中：S1为洗涤后羊绒织物面积；S0为洗涤前羊绒织物面积.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图 1 WPU-0和WPU-8的红外光谱图图 2 嵌段聚醚氨基硅油改性聚氨酯分子结构式 Fig.1 The infrared spectra of WPU-0 and WPU-8 Fig.2 The molecular structure of polyurethane modified with block polyether amino silicone oil

2.2 嵌段聚醚氨基硅油用量分析

表1为硅油用量对乳液及膜性能的影响.由表可得，随着嵌段聚醚氨基硅油用量增加,乳液外观由淡蓝色透明状逐渐转变成乳白色;大多乳液均表现出较好的稳定性,WPU-12在离心后略微出现沉淀物．随着嵌段聚醚氨基硅油含量增加,乳液粒径从129.6 nm逐渐增大至1 048.5 nm.这是因为嵌段聚醚氨基硅油含量低的聚氨酯分子量较小、亲水性好、易乳化、乳液体系均匀稳定;嵌段聚醚氨基硅油含量高的聚氨酯引入的疏水性聚硅氧烷链段较大,增大了聚氨酯分子量且乳化时聚氨酯分子不易分散,因此乳液粒径逐渐增大,离心稳定性下降.

2.3 吸水率和水接触角分析

表2为WPU膜的吸水率和水接触角测试结果.由表2可知,随着嵌段聚醚氨基硅油含量增大,改性WPU膜的吸水率明显降低,从33.52%降低至16.90%．水接触角从71.88°提升至85.93°.表明嵌段聚醚氨基硅油改性水性聚氨酯可显著提高WPU膜的疏水性,降低膜的吸水率.这是由于嵌段聚醚氨基硅油的接枝改性在WPU中引入疏水性的聚硅氧烷链段,在改性水性聚氨酯膜的形成过程中,有机硅富集于水性聚氨酯膜表面,有效降低表面张力[14],使得膜的吸水率降低.且随着嵌段聚醚氨基硅油含量的增加,水接触角增大,疏水性得到提高.

表 1 硅油用量对乳液及膜性能的影响

表 2 聚氨酯膜的吸水率和水接触角

2.4 扫描电镜分析

将制备的WPU-8整理液对羊绒针织物进行整理,使用电镜观察整理前后纤维表面的微观效果，如图3所示.

图3(a)为未整理的羊绒纤维，可以看出纤维表面有明显的鳞片层,图3(b)为整理后的羊绒纤维，可以看出，经整理的羊绒纤维鳞片边缘模糊,纤维表面较为平整.这是因为整理剂在羊绒纤维表面形成一层交联膜,提高纤维表面光洁度,抑制摩擦造成的短纤维游离,同时降低定向摩擦效应,阻止羊绒纤维间的滑移变形[15],对织物起毛起球和毡缩现象有一定改善.

(a) 未整理样品 (b) 整理后样品图 3 羊绒纤维扫描电镜图片(10 000倍)Fig.3 Scanning electron microscope image of cashmere fabric (10 000 times)

2.5 织物整理效果分析

表3为不同硅油含量的水性聚氨酯整理液整理羊绒针织物的测试结果.由表可知,嵌段聚醚氨基硅油改性聚氨酯整理织物与未整理织物间的色差较小,未整理的羊绒织物起毛起球和毡缩现象较严重.WPU-0整理织物与未整理羊绒织物相比,其抗毡缩性能有明显改善,但织物手感较差.随着整理剂中硅油含量的增加,织物抗毡缩性能变化不明显、抗起毛起球性能及手感均有所改善,这是因为嵌段聚醚氨基硅油改性WPU整理液在纤维表面吸附成膜,包覆在纤维表面,减少了因摩擦造成的短纤维游离,从而阻止纤维卷曲成球,达到改善羊绒织物抗起毛起球性能的效果.同时WPU在纤维表面成膜时,嵌段聚醚硅油链段的引入在膜表面富集,提高纤维表面的平滑性,使纤维在外力作用下滑移顺畅,织物的柔软性得到提高,达到手感改善的效果[11,16].