紡織品功能整理中的點擊化學

飛中琳,黃怡婧,阮凌峰

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院, 上海 200040)

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高,人們選擇紡織品時不再僅考慮紡織面料固有的特性,也會考慮其附加的功能性,如防水、阻燃、抗菌等。紡織品的功能整理主要是為了滿足紡織品在生產(chǎn)、生活等方面的特殊用途,提高其附加值[1],本質(zhì)上是利用化學方法或物理方法將功能性整理劑固定在織物上,賦予其更多的功能性[2]。目前,很多紡織品功能整理傾向于采用各種化學試劑,但是部分化學試劑使用時的反應條件比較復雜、能耗高、污染嚴重且整理效果不盡人意,因此,探索一條綠色溫和可持續(xù)的紡織品功能整理道路是行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

點擊化學作為一類簡單高效、條件溫和、過程清潔安全的新型化學反應,能夠滿足人們對于綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。此外,點擊化學還具有目標產(chǎn)物產(chǎn)率高、副產(chǎn)物少、受其他官能團影響小等優(yōu)異的特性,因此,在功能聚合物材料[3-5]、生物醫(yī)學[6]、光調(diào)控[7]、微電子機械系統(tǒng)[8]等方向應用日益廣泛。相比于其他領域,點擊化學在紡織品功能整理中的應用和實踐相對較少。因此,本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外研究人員在點擊化學紡織品功能整理領域的研究成果,并對其發(fā)展前景進行展望,以期為點擊化學在紡織品功能整理領域的應用提供研究思路和理論參考,進而拓寬其在紡織品功能整理領域的應用范圍。

1 點擊化學概述

“Click chemistry”被譯為點擊化學,也被稱為鏈接化學、動態(tài)組合化學,是由美國化學家Sharpless在2001年提出的一種通過小單元拼接碳-雜原子鍵合為基礎快速有效合成大量化合物的新型化學方法[9],主要分為自由基引發(fā)反應型和催化劑引發(fā)反應型2種類型[10]。自由基引發(fā)反應類型主要包括巰基-聚丁二烯、巰基-端烯、巰基-炔烴點擊反應;催化引發(fā)反應型是指在催化條件下發(fā)生的巰基-邁克爾加成反應[11],主要包括巰基-缺電子型雙鍵、巰基-溴、巰基-異氰酸酯、巰基-馬來酰亞胺等點擊反應。點擊化學反應類型示意圖[12]見圖1。

圖1 點擊化學反應類型示意圖

點擊化學反應作為紡織品改性處理的新方法,使得功能整理劑以共價結(jié)合的化學方式作用于基材表面,達到半永久甚至永久的整理效果,解決了紡織品與功能整理劑結(jié)合的牢度問題,又因其過程綠色清潔,進而可以改善工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染等問題。

2 點擊化學在紡織品功能整理中的應用

巰基-烯、巰基-異氰酸酯、巰基-馬來酰亞胺作為典型的點擊化學反應,將其引入到紡織品功能整理中,不僅能賦予織物優(yōu)異的拒水、拒油、阻燃、防氈縮、抗菌等功能,還能改善傳統(tǒng)功能整理的缺陷。

2.1 巰基-烯點擊化學

2.1.1 在棉織物拒疏水整理中的應用

棉織物具有較強的親水性,需經(jīng)過功能整理才能獲得拒水性能。目前常見的拒水性織物的制備方式主要有2種:①編織特殊纖維或功能纖維制成拒水織物;②使用含氟型[13-14]、有機硅型[15-16]、氟硅混合型[17-18]的拒水整理劑對織物進行改性。含氟型拒水劑整理后的織物手感較硬、柔軟性差、耐水洗性能較差[19];有機硅型拒水劑整理的織物水洗時表面的有機硅膜易破裂,導致拒水性能下降。棉纖維的纖維素結(jié)構(gòu)中含有大量羥基,可利用巰基硅烷偶聯(lián)劑在纖維表面接枝大量的巰基反應性基團,進而利用巰基-烯點擊化學反應賦予棉織物優(yōu)異的拒水拒油性,改善多次水洗后拒水性能下降的問題。

Sun等[20]利用3-巰丙基三乙氧基硅烷對棉織物進行巰基改性,賦予棉纖維較高活性的巰基,使長鏈烷基硫醇和具有烯鍵結(jié)構(gòu)的乙烯基POSS與巰基改性的棉織物在紫外光下進行反應,經(jīng)過上述處理的棉織物靜態(tài)接觸角(WCA)達到149.2°(接近超疏水效果),噴淋等級95分。經(jīng)30次標準水洗后靜態(tài)接觸角仍能達到146.3°。賀立等[21]利用巰基-烯點擊反應成功將γ-巰丙基三乙氧基硅烷(KH-580)與乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷接枝到棉織物上,制備出油水分離效率最高為99.8%的超疏水織物,其接觸角最高可達156°,滾動角最高可到達2°,經(jīng)20次油水分離之后,仍能保持99%的油水分離效率,該研究證明巰基-烯點擊化學是一種將普通織物進行超疏水改性使其對油污水具有優(yōu)異分離性能的有效方法。

2.1.2 巰基-烯點擊化學在棉織物阻燃整理中的應用

據(jù)不完全統(tǒng)計,因紡織品不具備阻燃性而引起的火災占火災事故的50%以上[22],因此減少紡織品燃燒的危險性是全世界關(guān)注的問題。棉織物因具有較好的吸濕透氣性,深受消費者喜愛,但天然棉纖維的極限氧指數(shù)為18%左右,屬于易燃纖維。常見的棉織物阻燃整理的方法主要包括溶膠-凝膠法[23]、逐層組裝法[24-25]、微膠囊法[26-27]、等離子體法[28]等,這些方法卻存在耐久性差、整理后的棉織物手感變差、整理過程會釋放有害氣體等缺點。因此,利用點擊化學優(yōu)異的特性尋找一種可行的阻燃整理方法引起了相關(guān)研究者的注意,Xu等[29]嘗試在室溫下將1,3,5-三丙烯酰六氫-1,3,5-三嗪、亞磷酸二甲酯為原料合成的氮磷系阻燃劑二甲基-(1,3,5-(3,5-三甲基六氫)三嗪基)-3-氧代丙基膦酸酯接枝到3-巰丙基三乙氧基硅烷巰基改性后的棉織物上,通過阻燃劑和棉織物的共價結(jié)合,賦予棉織物耐久的阻燃性,實驗發(fā)現(xiàn)通過巰基-烯點擊化學整理后的棉織物,其殘?zhí)柯视?3.0%提高到34.6%,極限氧指數(shù)由18.3%提高至25.5%,而且棉織物的斷裂強度也有所提升。由此可見,利用點擊化學對棉織物進行阻燃整理的反應條件溫和,整理后棉織物的阻燃性能和斷裂強度大幅度提升,而且反應過程中并未釋放有毒有害氣體,解決了傳統(tǒng)阻燃整理中存在的甲醛釋放、耐久性差等問題。

2.1.3 巰基-烯點擊化學在羊毛織物抗菌整理中的應用

2.2 巰基-異氰酸酯點擊化學

在巰基-異氰酸酯點擊化學反應中,巰基在三乙胺等堿性催化劑的作用條件下會轉(zhuǎn)化成親核性較強的硫醇鹽離子,而異氰酸酯的羰基也會被極化,巰基與異氰酸酯能迅速發(fā)生有效的偶聯(lián)反應,產(chǎn)生硫代氨基甲酸酯鍵,硫代氨基甲酸酯鍵能賦予聚合物良好的力學性能和熱性能。因此巰基-異氰酸酯點擊反應可用于制備功能化聚合物粒子[32]、自愈合材料[33]以及聚硫氨酯光學樹脂[34]。飛中琳等[35]在三乙胺的催化作用下將含異氰酸酯基的聚氨酯預聚體接枝到羊毛纖維上,通過掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn),相較于原羊毛和處理后的羊毛纖維,經(jīng)聚氨酯預聚體處理后的羊毛纖維表面覆蓋了一層薄薄的聚合物膜,羊毛表面鱗片層比較光滑,在一定程度上降低了定向摩擦效應,整理后羊毛織物的面積氈縮率大幅度下降,抗起毛起球性能提升明顯。傳統(tǒng)羊毛織物防氈縮整理存在成本高、工藝復雜、耐久性差、對羊毛損傷嚴重等問題,利用巰基-異氰酸酯基之間的共價鍵合可將簡單高效的點擊化學反應引入羊毛織物的防氈縮整理工藝中,賦予羊毛織物耐久的防氈縮性能,改善傳統(tǒng)防氈縮整理存在羊毛損傷嚴重等的問題。

2.3 巰基-馬來酰亞胺點擊化學

巰基-馬來酰亞胺間的邁克爾加成反應也是一種綠色高效的點擊化學反應,由于該反應可以在比較溫和的條件下發(fā)生,因此可也用于紡織品功能改性中。Fei 等[36]利用苯胺、順丁烯二酸酐為原料合成N-苯基馬來酸單酰胺,再用已合成的N-苯基馬來酰單酰胺和乙酸酐在三乙胺的催化作用下制備N-苯基馬來酰亞胺,通過共價結(jié)合的方式將N-苯基馬來酰亞胺接枝到經(jīng)過巰基改性的棉織物上,測試表明整理后的棉織物對革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)的抑菌率高達99.56%,對革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)的抑菌率高達98.91%,經(jīng)過10次水洗后仍達88.69%和87.66%。傳統(tǒng)抗菌整理后的織物不耐水洗,洗滌次數(shù)過多后織物基本沒有抗菌性,且抗菌劑在作用于織物的過程中會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì),在一定程度上限制了抗菌工藝的發(fā)展。上述研究表明,巰基-馬來酰亞胺點擊化學能改善棉織物在抗菌整理中存在的耐久性差的問題,為改進抗菌工藝提供新方向。

3 結(jié)束語

紡織業(yè)是我國國民經(jīng)濟的傳統(tǒng)支柱性產(chǎn)業(yè),也是重要的民生產(chǎn)業(yè)。近年來,政府出臺了一系列政策,鼓勵紡織行業(yè)進行產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新,探索高質(zhì)量可持續(xù)的發(fā)展道路。點擊化學以其優(yōu)異的特性改善了傳統(tǒng)的紡織品功能整理中存在的能耗高、污染嚴重、反應復雜等問題,使得紡織品功能整理向安全健康、綠色生態(tài)方向發(fā)展。點擊化學反應本身將作為“促進劑”推動紡織品阻燃、抗菌、拒水、拒油、抗靜電、光致變色、防氈縮等功能性整理的發(fā)展,將點擊化學應用于紡織品的功能整理符合可持續(xù)性發(fā)展要求。在諸多領域,點擊化學反應已經(jīng)從理論走向?qū)嵱眉夹g(shù)探索的階段,但在功能性紡織品領域,點擊化學的研究成果相對較少。因此,對紡織品功能整理中的點擊反應進行深入研究勢在必行。