毛織物納米SiO2拒水拒油功能整理研究

葉遠(yuǎn)靜

(福建省纖維檢驗(yàn)局，福建 福州 350026)

毛織物納米SiO2拒水拒油功能整理研究

葉遠(yuǎn)靜

(福建省纖維檢驗(yàn)局，福建 福州 350026)

為改善毛織物的性能，賦予其拒水拒油功能性，通過(guò)自制納米SiO2整理液整理純毛織物，分析了各種工藝因素對(duì)拒水拒油效果的影響。通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化，得出最佳工藝路線。

溶膠-凝膠；納米；二氧化硅；拒水拒油；功能整理

納米材料具有奇異的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，超雙疏性(拒水拒油)是納米材料的奇異性能之一。通過(guò)后整理將納米顆粒植入到織物表層，可使織物纖維表面呈現(xiàn)出納米尺寸低凹的表面，由于納米粒子具有巨大的比表面積和表面能，可使吸附氣體原子穩(wěn)定存在，在宏觀表面上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油水無(wú)法與纖維表面直接接觸，在織物表面形成一個(gè)均勻、間隙極其微小的保護(hù)結(jié)構(gòu)，從而使織物具有超雙疏性[1]。

作為高檔紡織品的毛織物，由于羊毛的縮絨性，洗滌時(shí)會(huì)出現(xiàn)尺寸不穩(wěn)定和氈縮現(xiàn)象，使衣料發(fā)生變形，故開發(fā)有自然拒水拒油功能的面料具有很大的應(yīng)用價(jià)值。目前在拒水拒油功能整理方面，普遍采用碳氟化合物，但該類整理劑價(jià)格昂貴且有一定的生物毒性。作為常用納米材料的納米SiO2，因其表面存在大量不飽和的殘鍵以及不同鍵合狀態(tài)的羥基，表面因缺氧而偏離了穩(wěn)定的硅氧結(jié)構(gòu)，故具有很高的活性。

本文通過(guò)自制納米SiO2整理劑,將其用于純毛織物的后整理。通過(guò)對(duì)制得納米材料性能表征和整理工藝的優(yōu)化,研究了整理毛織物的拒水拒油性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

1.1.1 材料

2/2純毛斜紋,9.7×2/9.7×2，1.5 m2；正硅酸四乙酯(TEOS)，無(wú)水乙醇，氨水，以上均為AR級(jí)；超分散劑PSE(自制)；水性聚氨酯，去離子水(自制)。

1.1.2 儀器

78HW-1型恒溫磁力攪拌機(jī)；KQ-100B型超聲波清洗器；101-1AB型干燥箱；P-B1型電動(dòng)軋車；Y813型織物沾水度測(cè)定儀；Mastersizer 2000型納米激光粒度儀；NANOSCOPE Ⅲa型原子力掃描探針顯微鏡；KYKY-2800B型高性能掃描電子顯微鏡；NICOLET5700型傅立葉紅外光譜儀。

1.2 納米SiO2的制備[2-3]

按摩爾比n(TEOS)∶n(乙醇)∶n(氨水)∶n(水)=1∶54∶10∶0.63，先將2/3體積的無(wú)水乙醇與氨水、去離子水充分混合配成原液A，再將另1/3體積無(wú)水乙醇與TEOS混合配成滴加液B。常溫下不斷攪拌，按如下步驟滴加完，即得均勻穩(wěn)定的乳白色納米SiO2懸濁液。

A→滴加部分B→母液→滴加定量的B→反應(yīng)20 min→滴加定量的B→反應(yīng)20 min→…→納米SiO2。

反應(yīng)可表示如下：

Si-OR + HOH→Si-OH + ROH

Si-OR + HO-Si→Si-O-Si + ROH

Si-OH +HO-Si→Si-O-Si + H2O；

注：式中R為-C2H5

1.3 毛織物拒水拒油整理

1.3.1 整理劑的配制

將所得納米SiO2懸濁液按所需濃度添加去離子水稀釋，并按1.6 mg/L加入超分散劑PSE，攪拌15 min，再滴加適量水性聚氨酯，在40℃水浴中高速攪拌10 min,然后超聲30 min,即得均勻、穩(wěn)定、乳白色的納米SiO2整理劑。

1.3.2 整理工藝

以所配制分散液為整理劑，將織物按如下工藝進(jìn)行整理，分析納米SiO2的濃度、預(yù)烘溫度、烘燥因子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，以得到一條最佳的工藝路線(納米SiO2濃度假設(shè)Si+4全部轉(zhuǎn)化為SiO2的質(zhì)量百分比濃度)。

預(yù)處理→浸潤(rùn)(20 min)→二浸二軋(軋余率70%)→預(yù)烘→烘焙

1.4 測(cè)試[4]

1.4.1 納米微粒表征

納米微粒FTIR分析：將1.2中制備好的納米懸濁液用離心機(jī)使納米顆粒離心沉淀，置于濾紙中使其自然干燥后，再在電熱鼓風(fēng)烘箱中先低溫預(yù)烘干，再升高溫度至140℃烘約20 min，使殘存其中的水、氨水和乙醇完全蒸發(fā)，取出所得白色粉末，用研體充分研碎后，利用傅立葉變換紅外光譜儀分析其分子結(jié)構(gòu)。

其它：用激光粒度儀測(cè)試整理液中納米粒子的粒徑大小及分布情況；用原子力掃描探針顯微鏡觀察納米微粒形貌；用掃描電子顯微鏡觀察納米粒子在整理后織物纖維上的分布狀態(tài)。

1.4.2 拒水性測(cè)定

根據(jù)GB/T 4745-2012《紡織品 防水性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià) 沾水法》，利用沾水度測(cè)定儀噴淋織物，根據(jù)試樣的潤(rùn)濕程度，對(duì)照評(píng)級(jí)樣照和評(píng)級(jí)文字評(píng)定等級(jí)。

1.4.3 拒油性測(cè)定

根據(jù)GB/T 19977-2005《紡織品 拒油性 抗碳?xì)浠衔镌囼?yàn)》，采用一系列表面張力不同的碳?xì)浠衔锼M成的標(biāo)準(zhǔn)試液，從低到高逐漸檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米微粒表征

2.1.1 納米SiO2的FTIR分析(見圖1)

圖1 納米SiO2紅外光譜圖

從所得FTIR圖1中可以看出，在波長(zhǎng)范圍內(nèi)有5個(gè)較明顯的波峰。在波數(shù)為1082.4 cm-1、800.3 cm-1和460 cm-1處出現(xiàn)的波峰分別代表Si-O-Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)、對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，這三峰在紅外光譜圖上峰強(qiáng)明顯較大，尤其是1082.4 cm-1處，這證明所得微粒主體成分為Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，與SiO2基本相同，也說(shuō)明微粒聚合程度較好，反應(yīng)中縮聚較完全。另外，在波數(shù)為3000 cm-1的Si-OC2H5特征峰處未見明顯波峰。可見，在納米材料制備過(guò)程中，TEOS已完全水解。在波數(shù)為952.7 cm-1處代表Si-OH的伸縮振動(dòng)，在波數(shù)為1638.3 cm-1出現(xiàn)的波峰則代表-OH的彎曲振動(dòng)，均已非常微弱。另外，在波數(shù)為3466 cm-1附近未見明顯代表反對(duì)稱-OH的伸縮振動(dòng)的特征峰。以上分析說(shuō)明，所得微粒與SiO2成分基本吻合，證明是二氧化硅，且微粒縮聚程度較好。另外，從圖1可以看出，未見明顯干擾波峰，可見所得SiO2純度非常高。

2.1.2 整理劑中納米SiO2粒徑分布

納米SiO2性能好壞直接影響著整理的效果。納米顆粒的粒徑越小，其表面活性越強(qiáng)，表面效應(yīng)越明顯，整理織物的拒水拒油性越好，納米粒子與織物表面纖維結(jié)合也會(huì)越緊密，耐洗牢度更好；納米顆粒的粒徑越小，配制整理液所需的粘合劑等材料就會(huì)越少，整理后織物的手感、透氣性也會(huì)更好。為此，必須對(duì)納米SiO2粒徑進(jìn)行測(cè)試表征。由圖2可知,所得納米SiO2經(jīng)分散處理后在整理液中平均粒徑為46.3 nm，且分布較為集中，具有良好的分散度。

圖2 納米SiO2粒度分布圖

2.1.3 整理劑中納米SiO2的形貌

整理劑中納米SiO2的原子力掃描探針顯微鏡(SPM)照片見圖3、圖4。在照片中可以看出納米SiO2顆粒的形態(tài)近似球形，形貌規(guī)整，粒徑在100 nm以內(nèi)。

圖3 納米SiO2正面SPM圖

圖4 納米SiO2側(cè)面SPM圖

2.2 整理工藝因素探討

在拒水拒油功能整理中，我們知道，浴比不是影響效果的主要因素，效果的好壞更多取決于整理劑濃度、預(yù)烘溫度和烘燥情況。為此，本實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)納米SiO2濃度、預(yù)烘溫度和烘燥因子進(jìn)行分析考慮。

2.2.1 納米SiO2濃度變量實(shí)驗(yàn)

將所得納米SiO2配制成不同濃度的整理液，進(jìn)行單因素效果研究。其中，浴比1∶10，預(yù)烘80℃×30 min，烘焙140℃×5 min。結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，濃度在2.4%以下時(shí)，隨著整理劑濃度的升高，拒水拒油效果都呈上升趨勢(shì)。當(dāng)濃度進(jìn)一步升高時(shí)，其效果變化不明顯。由于納米SiO2濃度過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)整理后織物手感等服用性能造成影響，故濃度以2.4%為最佳。

圖5 納米SiO2量與拒水拒油等級(jí)關(guān)系

2.2.2 預(yù)烘溫度變量實(shí)驗(yàn)

按納米SiO2濃度1.2%，浴比1∶10，烘燥因子120℃×10 min，改變預(yù)烘溫度，預(yù)烘30 min,進(jìn)行預(yù)烘溫度變量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖6所示。

圖6 預(yù)烘溫度與拒水拒油等級(jí)關(guān)系

我們知道，采用傳統(tǒng)的碳氟化合物類拒水拒油整理劑整理面料時(shí)，預(yù)烘溫度對(duì)結(jié)果影響不大。由上圖可以看出，采用納米SiO2整理時(shí)，預(yù)烘溫度對(duì)其整理效果有一定的影響，但也不是主要的影響因素。拒水拒油整理效果均隨著預(yù)烘溫度的升高平穩(wěn)變化，但變化幅度較小，且當(dāng)溫度超過(guò)100℃基本趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)此結(jié)果的原因是由于在溶劑的蒸發(fā)過(guò)程中，易使整理劑出現(xiàn)泳移現(xiàn)象，納米顆粒會(huì)隨溶劑向織物表面移動(dòng)，導(dǎo)致納米顆粒在織物表面分布不均勻。若預(yù)烘溫度較低，烘干試樣所需時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，泳移現(xiàn)象表現(xiàn)更明顯，更易出現(xiàn)納米顆粒在織物表面堆積，從而降低了整理效果，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致耐洗牢度下降。隨著溫度的升高，烘干所需時(shí)間變短，泳移過(guò)程縮短，更有益于納米顆粒的均勻分布。綜上，預(yù)烘溫度取100℃為宜。

2.2.3 烘燥因子變量實(shí)驗(yàn)

按納米SiO2濃度2.4%，浴比1∶10，預(yù)烘100℃×30 min處理整理樣，改變烘燥因子，進(jìn)行烘燥因子變量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖7所示。

圖7 烘燥因子與拒水拒油等級(jí)關(guān)系

從圖1中可以看出，隨著烘燥因子溫度升高，拒水拒油等級(jí)均呈明顯上升趨勢(shì)，證明焙烘因子對(duì)試樣拒水拒油效果有很大影響。這緣于較高的溫度能使整理劑在織物表面有較好的固化效果，使表面張力進(jìn)一步降低。當(dāng)溫度達(dá)到140℃時(shí)，拒水效果已達(dá)到最好，拒油效果也已達(dá)5級(jí)，而拒油效果仍能隨溫度升高緩慢提高，但由于過(guò)高的溫度會(huì)損傷織物，使織物強(qiáng)力下降，故不宜采用。

從上述結(jié)果得出，對(duì)此毛織物拒水拒油整理的最佳工藝為：納米SiO2濃度2.4%，預(yù)烘溫度100℃，烘燥因子為140℃×5 min。下面是一些相關(guān)效果圖。圖8是整理后試樣經(jīng)掃描電鏡放大6000倍后納米顆粒在毛纖維表面上的狀態(tài)圖，圖9和圖10分別為整理前后織物的拒水拒油效果圖(左為整理前原樣照，右為整理后樣照)。

圖8 整理后毛纖維表面的SEM圖片(6000倍)

3 結(jié)論

3.1 采用溶膠-凝膠法，成功制得了單分散的球

形納米SiO2顆粒，其形貌規(guī)整，粒徑在100 nm以內(nèi)。用其所配納米整理劑平均粒徑為46.3 nm,分布集中且整理液均勻穩(wěn)定、分散性良好。

圖9 整理前后拒水效果圖

圖10 整理前后拒油效果圖

3.2 經(jīng)自制納米SiO2整理劑整理后的毛織物具有良好的拒水拒油性能。通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化，在最佳工藝路線：納米SiO2濃度2.4%，浴比1∶10，預(yù)烘100℃，焙烘140℃×5 min處理后，拒水拒油等級(jí)均能達(dá)到5級(jí)。

[1] 張寶才，王梅珍，王昶，林紅.納米技術(shù)在精紡毛織物上的應(yīng)用[J].毛紡科技，2004，(11)：23—25.

[2] 何斌，王相田，劉偉.納米SiO2水溶膠的制備技術(shù)研究及應(yīng)用[J].上?；?，2000,(9)：14—17.

[3] 趙麗.納米微米二氧化硅球形顆粒的制備與表征[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[4] 狄劍鋒.織物拒水拒油整理及其性能檢測(cè)[J].上海紡織科技，2003,31(4)：52—54.

Research on Nano SiO2Water and Oil Repellent Functional Finish of Wool Fabrics

YeYuanjing

(Fujian Textile Fiber Inspection Institute, Fuzhou 350026, China)

To improve performances of wool fabrics, and attain the function of water and oil repellent, pure wool fabrics were finished by the self-made nano SiO2finishing liquor, and the effect of various process factors on the water and oil repellent was analyzed. And the optinum process was obtained.

sol-gel; nano; silicon dioxide; water and oil repellent；functional finish

2014-10-19

葉遠(yuǎn)靜(1978—)，男，江西九江人，工程師。

F062.9

A

1009-3028(2014)06-0004-04