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涤纶织物无氟溶胶-凝胶法拒水整理

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2008年第5期 纺织科技进展 ・ 1 ・ 涤纶织物无氟溶胶一凝胶法拒水整理 高琴文,刘元关,朱泉,郭玉良 (东华大学生态纺织教育部重点实验室,上海201620) 摘要:通过溶腮凝胶法对涤纶织物进行鹤水整理,采用先浸轧二氧化硅溶胶、再浸渍烷烃硅氧烷的方式赋予织物 拒水性能。考察了二氧化硅溶胶粒径、烷烃硅氧烷结构和浓度及皂洗次数对接触角的影响,并利用扫描电子显微镜,对二 氧化硅溶胶整理前后涤纶织物的表面形态进行比较。性能测试表明整理前后涤纶织物的物理机械性能变化较小。 关键词:涤纶;溶胶一凝胶法;无氟;拒水;整理 中图分类号:TS195.57 0648.16 文献标识码:A 文章编号:1673--0356(2008)O5一。。O1一O3 随着社会的发展和科技的进步,人们对纺织品提出了舒适 性、功能性等更高的要求。拒水纺织品即是纺织产品不断向高 性能、多功能方向发展的功能织物之一。 织物拒水整理的历史悠久,已研究或使用过的拒水剂种类 1.4烷烃硅氧烷的水解及自组装过程 将不同碳长的烷烃硅氧烷加入一定量的乙醇中,再加入适 量的冰醋酸和去离子水,在室温下搅拌60 min。将经二氧化硅 溶胶整理后的布样浸入该水解液中60 min,取出室温晾干后,放 人预热至120℃的烘箱中烘60 min。 1.5测试方法 繁多,目前常用的拒水剂主要是有机硅和含氟化合物。其中含 氟拒水剂既具有拒水性,又具有拒油性,添加少量即可获得显著 的拒水效果,且不损害纤维原有的风格,因而得到了迅速普及和 推广,成为拒水剂的主流_1]。然而含氟类化合物价格昂贵且存 在环境影响问题_2 ]。因此,采用新型的无氟整理技术已成为 当今拒水整理的研究热点之一。 将溶胶一凝胶技术应用于纺织品拒水整理是当前国内外研 究的热点 j,但应用于涤纶织物拒水整理的报道不多。本文 以正硅酸四乙酯为前驱体,氨水作为催化剂制备了二氧化硅溶 胶,并将其整理到涤纶机织物上,然后将水解后的长链烷烃硅氧 烷通过自组装方式赋予织物拒水性能。 (1)接触角测试:使用OCA 40型视频接触角测量仪进行接 触角测试,水量为6 l,当水滴与织物接触60 S后读数。在同一 样品的不同位置测量5次,取平均值。 (2)耐洗性能测试:按AATCC测试方法61~2003{洗涤不 褪色,家用和商用:加速》测试。 (3)织物断裂强力测试:根据GB/T3932—1997《纺织品织 物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长的测定——条样法》 测试。 (4)白度:将试样叠成8层,在WSB-1I白度计上按GB8425 —1试验 1 1材料与试剂 1987标准方法进行测试。 (5)透气性:根据GB/T5453—1997{纺织品织物透气性的 测试》标准测试。 材料:涤纶机织布(646,/478根,/10咖) 试剂:正硅酸四乙酯、冰醋酸、氨水、无水乙醇(均为分析 纯);辛基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲 氧基硅烷(均为工业品)。 1.2仪器与设备 2结果与讨论 2.1 氨水用量对二氧化硅溶胶粒径的影响 表1 氨水用量对二氧化硅溶胶粒径的影响 Nano—ZS型纳米粒度与电位分析仪(英国马尔文仪器公 司)、OCA 40型视频接触角测量仪(德国Dataphysics公司)、 JSM-5600LV型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)、Roaches Washwheel皂洗牢度试验仪(Roaches Engineering LTD.)、 H10K-S型双臂万能材料试验机(美国Tinius Olsen公司)、 WSB-II型白度计(温州仪器仪表有限公司)、YG461E型电脑式 透气性测试仪(宁波纺织仪器厂)。 \ 1.3二氧化硅溶胶的制备及其对织物的整理 ; 向圆底烧瓶中加入乙醇、氨水,~定温度下搅拌30 min。然 后滴加一定量的正硅酸四乙酯,搅拌90 min。取出陈化 60 mln  后,测试粒径,并对织物进行整理。 织物整理工艺:一浸--¥L(带液率7O ~8O )一8O℃烘3 mln 收稿日期:2008—07—31;修回日期:2008—09—25 基金项目:长江学者与创新团队发展计划资助项目(IRT0526) 作者简介:高琴文(1984-),女,江西井冈山人,在读硕士研究生,主要从事 纺织品功能后整理助剂的研究与开发。 图1粒径分布图 采用氨水作为催化剂制备二氧化硅溶胶,固定正硅酸四乙 ・ 2 ・ 纺织科技进展 2008年第5 酯(TEOS)用量6 ml和乙醇用量100,ml,考察氨水用量对二氧 化硅溶胶粒径的影响,结果见表1和图1。 纶织物与水的接触角为143。,达到较好的拒水效果。 侣。 由表1和图1可以看出,随着氨水用量的增加,二氧化硅溶 胶的平均粒径逐渐增大,这是因为氨水浓度的增加会加速正硅 酸四乙酯水解及缩合。因而,通过改变氨水的用量可以方便快 捷地控制二氧化硅溶胶的粒径。 2.2二氧化硅溶胶粒径对接触角的影响 分别将经二氧化硅溶胶Sol l ̄Sol 5整理的织物(试样1~  =羹 辎 130 120 11。 试样5)和空白涤纶织物(试样6)浸渍在2 的辛基三甲氧基硅 烷的水解液中,通过自组装方式_7 赋予织物拒水效果,其接触 角变化见表2。 表2二氧化硅溶胶粒径对接触角的影响 试样 试样1 试样2 100 90 C8 C12 C16 图2硅氧烷结构与接触角的关系 接触角/(。) 134.3 133.4 136.7 试样3 试样4 试样5 试样6 137.6 134.4 127.0 实验发现,未经任何整理的空白涤纶试样不具有拒水性能, 测试条件下接触角为0。;仅经二氧化硅溶胶整理后的布样,由于 二氧化硅粒子表面存在孤立、连生和双生等不同状态的亲水性 羟基,接触角也为0。;仅浸渍水解液的涤纶织物(试样6)与水的 接触角可达到127.0。;而先经二氧化硅溶胶整理然后再浸渍水 图3 硅氧烷浓度与接触角的关系 解液的涤纶布样(试样1~试样5),接触角均有提高,可达133。 以上。这是因为经过二氧化硅溶胶整理后,涤纶织物表面的粗 l 0。 一l B3。 。l M3。 糙度得到了提高,再经自组装后使拒水效果提升。该结论同 Wenze ̄ J,Cassie和Baxter u等人建立的疏水表面粗糙度和接 触角之间的关系相一致。从表2中还可以看出,试样1~试样5 与水的接触角在133,4。至137.6。之间,可见粒径分布在30 ̄70 nm的二氧化硅溶胶对整理后织物的接触角影响不大。由于SOl 4的多分散系数较小,且经其整理的织物接触角相对大些,故后 续涤纶织物拒水整理研究选用Sol 4。 2.3烷烃硅氧烷结构对接触角的影响 A A (a)未经整理;(b)浸渍3 ̄C16水解液; (c)经S0l 整理再浸渍3 ̄C16水解液 图4涤纶织物与水的接触角 2.5涤纶织物表面形态变化 为了研究整理前后涤纶织物表面形态的变化,通过扫描电 分别采用辛基三甲氧基硅烷(C8)、十二烷基三甲氧基硅烷 (C12)以及十六烷基三甲氧基硅烷(C16)等不同碳链长度的硅 氧烷,作为低表面张力物质来赋予涤纶织物拒水性能。分别将 未经整理和经Sol 4整理的涤纶织物浸渍在2 的不同结构硅 氧烷水解液中,其接触角变化见图2。 从图2可以看出,在浸渍不同碳链长度硅氧烷后,经过Sol 4整理的涤纶织物的接触角均比未经Sol 4整理的涤纶织物大; 且随着烷烃硅氧烷碳链长度的增加,涤纶织物与水的接触角增 大,拒水效果增加。这是因为烷烃碳链长度越长越容易屏蔽亲 水性基团,表现出较好的疏水性能Ll 。 2.4烷烃硅氧烷浓度对接触角的影响 子显微镜观察其形貌,见图5。其中a为未经任何整理涤纶织物 的纤维表面,b为经过Sol 4整理的涤纶表面,C为经Sol 4整理,  ,再经3 C16水解液浸渍的涤纶表面。 -—- 图5整理前后涤纶织物的扫描电子显微镜图片 长链烷烃硅氧烷水解液的浓度会直接影响涤纶织物的拒水 效果,将经Sol 4整理后的涤纶织物浸渍在不同浓度的硅氧烷水 解液中,测试其对接触角的影响,结果如图3、图4所示。 图3表明,尽管使用的硅氧烷碳链长度不一样,但织物的接 触角变化趋势相似。当硅氧烷浓度为0.5 时,涤纶织物即具 有一定的拒水效果。之后随着浓度的增加,接触角变化较为缓 和。当浓度达到3 ~4 ̄/oo时,接触角变化不明显,拒水效果趋 于稳定。此外,由图4可见,当C16水解液的浓度为3 时,涤 从图5中可以明显地看出,整理前的涤纶纤维表面较为光 滑,经Sol 4整理后纤维表面变得粗糙,出现颗粒状的二氧化硅 2O08年第5期 纺织科技进展 法及自组装方式成功赋予涤纶织物一定的拒水性能。 ・ 3 ・ 粒子。正是因为经溶胶整理的布样其纤维表面的粗糙度得到了 提高,从而在经过自组装之后提高了拒水效果。图5c表明,浸 渍3%C16水解液后的纤维表面形态变化不大,仍可以清楚地 看到二氧化硅粒子。 、 (2)以不同碳链长度的硅氧烷对经溶胶整理后的涤纶织物 进行整理,均能提高其拒水性能。随着碳链长度的增加,接触角 增大;随着水解硅氧烷浓度的增加,拒水性能也得到提高。 (3)整理后的涤纶织物经30次皂洗后,与水的接触角为 2.6皂洗次数对接触角的影响 用经Sol 4整理,再浸渍3%o C16水解液的涤纶织物做为皂 洗布样,测试皂洗后布样的接触角。皂洗次数与接触角变化关 系如图6所示 110。,仍保持了一定拒水性能。物理性能测试表明,整理前后涤 纶织物的物理机械性能变化较小。 参考文献: [1]久保元伸.含氟防水防油剂(I)一关于防水防油性能的机理[J]. 印染,1995,21(12):37—41. 兽 蝼 [2]Slaper I-g Guus J M V,Matthijsen J.Ozone Depletion and Skin Cancer Incidence:A Source Risk Approach[J].Journal of Haz— ardous Materials,1998,61(1—3):77--84.  ‘[3]Schultz M M,Barofsky D F,Field J A.Fluorinated Alkyl Surfac— tan[s EJ].Environmental Engineering Science,2003,20(5):487 —501. [4]Mahltig B,B ttcher H.Modified Silica Sol Coating for Water-Re- pellent Textiles[J].Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2003,27(1):43~52. 图6皂洗次数与接触角变化关系 125]Daoud w A,Xin J H,Tao X M superhydrophobic Silica Nano- composite Coating by a Low-Temperature Process口].Journal of the American Ceramic Socienty,2004,87(9):1782--1784. 图6表明,随着皂洗次数的增加,接触角逐渐减小。在最初 lO次皂洗过程中,接触角下降明显。这是因为经Sol 4整理的 E6]Yu M H,Gu G T,Meng W D,Qing F L.Superhydrophobic Cot— ton Fabric Coating Based on a Complex Layer of Silica nanoparti— 涤纶织物表面有很多二氧化硅颗粒是通过物理吸附而附着的, 经洗涤后这些粒子会逐渐脱落,其上的自组装长链烷烃硅烷也 随之脱落,因而接触角会出现明显的下降。随着皂洗次数的进 _步增加,接触角降低趋势趋于平缓r当完成3O次皂洗后,织物 与水的接触角为。110。,仍表现出一定的拒水效果。 2.7织物物理性能变化 c cles and Perfluorooctylated Quaternary Ammonium Silane Cupling Agent口].Applied Surface Science,2007,253(7):3669--3673. [73 Tripp C P,Hair M L Reaction of aIky】chl。r。s订anes with silica at the solid gas and solid/liquid interface[J].Langmuir,1992,8 (8):1961—1967. 用经Sol 4整理,再浸渍3 C16水解液的涤纶织物作为测 试布样,对比整理前后织物的物理机械性能,结果见表3。 表3涤纶织物整理前后物理机械性能的变化 [8]McGovern M E,Kallury K M R,Thompson IVL Role of solvent on the silanization of glass with octadecyltrichlorosilane[J].Lang— muir,1994,10(10):3607 3614. E9]Fadeev A Y,McCarthy T J.Self-assembly is not the only reaction possible between alkyltrichlorosilanes and sHrfaces:monomolecular and oligomeric covalently attached layers of dichloro-and trichloro— alkylsilanes on silicon[J].Langmuir,2000,16(18):7268 7274. [1O] Wenzel R N.Resistance of solid surfaces to wetting by water [J].Industrial&Engineering Chemistry,1936,28(8):988— 994. 从表3可以看出,整理后涤纶织物的经纬向强力略有下降, 但变化不大。整理前后涤纶织物的白度、透气性基本不变。由 此可见,经过上述整理不会影响涤纶织物的原有服用性能。 [11] Cassie A B D,Baxter S Wettability of porous surfaces[J]. Transactions of the faraday society,1944,40:546—551. [12]Grundke K,Zschoche S,Poeschel K,et a1.Wettability of male— imide copolymer films:effect of the Chain length of n-alkyl side 3结论 groups o1"1 the solid surface tension[J].Maeromolecules,2001:34 (19):6768—6775. (1)利用正硅酸四乙酯及长链烷烃硅氧烷,通过溶胶一凝胶 N0Il_fluorinated water repellent finishing of polyester fabric by s0l—gel method .GAo Qin-wen,LIU Yuan-mei,ZHU Quan,GUO Yu—liang (Key Laboratory of Science&Technology of Eco-Textile,Ministry of Education, DonghuaUniversity,Shanghai 201620,China) .Abstract:WaterTrepellent polyester fabric was successfully obtained by sol-gel method.Such surface was prepared first by dip-coating the silica sol, and then the surface of the silica coating was modified with a1kyltrialkoxysnanesThe influence of silica nanopartMe sizes,structure and concentration .of alkyltrialkoxysiianes,and washing cycles on contact angle were discussedScanning electron microscopy was used to observe the polyester fabric SUE~ .faces treated with and without silica so1.Physical properties of polyester fabric showed a little change after treatment. Key words:polyester fabric;sol-gel method;non-fluorinated water repellent;finishing 

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