溶胶-凝胶技术及其在纺织品多功能整理中的运用

张 超

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300300）

1 溶胶-凝胶的制备原理以及改性

1.1 影响溶胶-凝胶反应的因素

1.1.1 前驱体性质

金属甲基醇盐在水解溶剂过程中的化学性质可能会对金属醇离子水解半径、配体电位数以及离子电负性产生很大的影响。其中，水解和离子产生缩聚的化学反应运动能力与构成金属醇盐原子的部分正负电荷的电位数量随着金属醇盐原子的增加不断提高，与部分配体电位数量有着至关重要的联系。金属配体原子的部分正离子电荷系数越大，增加的金属配体电位数的反应能力越强，其化学反应速度也越快。元素周期表的排序按照从上到下，随着原子的运动半径逐渐增大，电负性逐渐降低，正电荷逐渐增加，最高配位数也随之增加，反应能力也逐渐增强[1]。

1.1.2 反应温度与时间

在制备溶胶-凝胶的过程中，提升反应温度可以提高醇盐的水解速率。因此，人们会在水解活性比较低的醇盐中进行加温操作，达到缩短反应时间的目的。但是，反应温度越高，溶胶的颗粒也会越大。

1.1.3 溶剂

将醇酸盐作为化学溶剂的分子时，醇硅酸盐中的离子可能与将醇作为溶剂分子时的离子相互交换，造成醇盐发生热水解，活性也随之发生变化。因此，同一种乙二醇盐可能由于其选择的溶剂不同，水解的速率、胶凝时间都发生了非常大的变化[2]。

由于醇盐水解反应是可逆的，且反应产物是醇，醇溶剂的剂量应适当。如果甲醛加入的剂量过多，可能会对水解反应部分造成不可抑制的化学作用，导致甲醇水解和甲醛胶凝的时间大大延长，进而直接导致甲醛浓度大大降低，使已经经过水解的乙烯醇盐和水分子之间相互碰撞的概率大大降低，不利于缩聚反应。如果直接加入乙醇盐类溶剂或剂量过少，可能直接导致乙醇盐酸的浓度相对较高，进而直接引起化学粒子的大量聚集甚至离子沉淀[3]。

1.1.4 催化剂的性质与浓度

在硅醇盐发生水解的过程中没有使用催化剂，但是仍然可以发生水解反应，一旦加入催化剂，硅醇盐水解速率就会提高。催化剂含有可以改变体系的酸碱性物质，一般包括盐酸、氨水、醋酸、氟化钾、氟化氢以及氢氧化钾等，其中，盐酸和水是非常常见的催化剂[4]。

1.1.5 水与金属醇盐的量比

金属醇盐具备非常强的反应活性，可以与众多试剂发生化学反应。水的加入量通常是以水与前驱体的量比计量，使用符号A表示。加水量越少，醇盐产物分子被快速水解的各种烷氧离子基团可能越少，即其水解后形成的各种羟基基团分子数量较少，该部分与被水解的各种醇盐产物分子之间，又在发生缩聚反应后形成了交联度较低的溶胶产物。相反，比较容易水解产生交联度较高的溶胶产物，加水量也和溶胶制备的各种溶胶胶凝黏度以及持续时间有着紧密的联系。当溶胶加水量逐渐低于水解黏度的指标时，要考虑各种化学分子剂量因素，随着溶胶的胶凝黏度逐渐增强，胶凝黏度持续时间逐渐缩短，缩水凝聚物的各种交联度和聚合度都对其加水量有很大的影响，黏度逐渐增强。另外，加水量对橡胶后续的干燥处理也有非常重要的直接影响，加水量如果过多，可能会直接造成凝结橡胶的干燥过程收缩以及干燥时的应力逐渐增强，导致干燥时间延长。

1.2 溶胶薄膜的改性

1.2.1 化学改性

共价金属中的氧化物和有机体之间产生的金属共聚反应与化学添加剂形成共价金属键，在此过程中，可以对各种金属薄膜实现化学改性。首先，可以通过不同分子前驱体之间的水解和缩聚反应，达到生物化学改性的主要目的，例如TEOS与其他金属醇盐之间的反应。其次，可以使用带有不同有机基团的三烷氧基硅烷[如R—Si(OC2H5)2]来达到将溶胶进行化学改性的目的。带有有机基团的三烷氧基硅烷通过水解以及缩聚反应，和二氧化硅基体之间形成共价键结合，然后促使有机基团R结合到二氧化硅基体上。通过在溶胶薄膜上结合不同的有机基团，促使纺织品实现多功能整理的作用。

1.2.2 物理改性

通过在制造溶胶弹性薄膜的过程中，将一些作为添加剂的原料进行固定，实现对这种溶胶弹性薄膜的物理固定改性，是用于制造多功能弹性纺织品的另外一种常见的加工方式。可以自由选择水、氧化物、颜料、香精染料、有机聚合物或者生物分子等，在生物水解后或者在生物前驱体水解前将其他添加物再次加入，这种加入方式不会对缩聚复合物的化学结构性能产生较大的不良影响。主要原因可能是添加物的固定通常不会发生在缩聚反应的初始阶段。多项科学研究成果证明，在无机和有机体中加入化学添加物是一种非常有效的控制方式，同时也比较容易被人操控。

2 溶胶-凝胶技术在纺织品上的应用

2.1 自清洁纺织品的制备

自清洁纺织品的主要制备方式有两种：一是对织物进行三防整理，防止水渍、油污等吸附在织物表面，确保织物保持清洁状态；二是使用某些方式促使沾染的植物油脂等有机物自行降解。溶胶-凝胶技术为自清洁纺织品的制备提供了非常有利的条件。

2.2 染色织物的固色处理

直接分子染料、酸性分子染料的一些分子结构中也含有容易溶于油和水的染料基团，主要原因是这些染料分子结构中的一些亲水基团和溶于水的基团对水的亲和力比其他染料与纺织品强。因此，使用这类染料进行直接染色的纺织品，在遇到水之后，染料非常容易从纺织品上直接转移到水中，因此，这类印染纺织品在潮湿环境下的色牢度比较差。但是，使用溶胶-凝胶技术进行染色处理之后，可以在印染纺织品表面直接形成一层比较连续的彩色薄膜，如果这层薄膜比较密实，可以有效防止一些染色织物上的彩色染料分子脱离的异常情况，提高彩色染料的湿牢度。此外，在深色溶胶中添加一些深色染料，可以对一些织物面料进行深层着色[5]。

3 结语

本研究主要阐述了溶胶-凝胶技术及其在整理纺织品多功能整理中的实际运用，基于溶胶-凝胶技术原理以及功能改性，从自清洁纺织品的制备和染色织物的固色处理两个方面进行分析。溶胶-凝胶技术较传统的溶胶整理制备工艺，能够更加高效、多功能地整理纺织品，方法简单且高效，已经受到人们的广泛关注。随着研究的不断深入和延伸，未来会有更多的应用，技术前景广阔，为国家纺织品的发展提供了非常大的帮助。