白慧英 趙振河 劉宗旭

收稿日期：2013-06-30

作者簡(jiǎn)介：白慧英（1988-），女，在讀研究生。研究方向：染整助劑的合成與研發(fā)。E-mail：baihuiying0808@126.com。

指導(dǎo)老師：趙振河，男，教授。

摘要：以異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚多元醇為主要原料，以異丙醇為溶劑，合成了反應(yīng)型水性聚氨酯整理劑，既保持了聚氨酯的彈性，又具有極好的反應(yīng)活性，可以賦予織物各種功能，提高紡織品的附加價(jià)值。介紹了該類(lèi)整理劑在純棉針織物抗起毛起球整理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水性聚氨酯（WPU）；抗起毛起球；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ433.4+32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2013）11-0053-04

水性聚氨酯（WPU）是以水為介質(zhì)乳化分散而成的[1]，可用于紡織品整理。反應(yīng)型WPU在織物后整理上的應(yīng)用國(guó)內(nèi)大多處于科研階段[2]。德美公司率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的反應(yīng)型WPU整理劑是通過(guò)控制聚氨酯主鏈的分子質(zhì)量，并引入各種官能團(tuán)，使其能夠均勻穩(wěn)定地溶于水中，以便對(duì)紡織品進(jìn)行加工處理。這種WPU不但可以滲透到紗線內(nèi)部，而且可以釋放活性基團(tuán)與纖維分子及其他整理劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，同時(shí)聚氨酯分子間也進(jìn)行反應(yīng)，以化學(xué)鍵的形式交聯(lián)，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予織物許多功能性，如防縮、防皺、抗靜電、抗起毛起球等[3～5]。將該類(lèi)整理劑用于棉、粘膠等纖維的整理，可有效地解決天然纖維織物易起毛起球的難題。由于它不含甲醛，屬于環(huán)保型織物整理劑[6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及藥品

異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），工業(yè)級(jí)，德國(guó)拜耳；聚醚三元醇、聚酯二元醇，工業(yè)級(jí)，杭州久靈化工；2，2-二羥甲基丙酸（DMPA），工業(yè)級(jí)，江蘇海安石化有限公司；亞硫酸氫鈉，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；異丙醇，分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；二正丁胺、甲苯，化學(xué)純，陜西華星實(shí)驗(yàn)科技有限公司；溴甲酚綠、濃鹽酸，分析純，陜西華星實(shí)驗(yàn)科技有限公司；三乙胺，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；蒸餾水。

1.2 主要儀器

熱定型機(jī)LA-205，日本株式會(huì)社；起毛起球測(cè)試儀YG502N，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；軋車(chē)MU505T，北京紡織機(jī)械器材研究所；數(shù)字白度儀DSBD-1，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 試樣規(guī)格

純棉針織布15 cm×15 cm。

1.4 WPU的合成方法

1.4.1 聚醚型WPU的合成

在三口燒瓶中，按計(jì)量投入聚醚三元醇，在真空度103 Pa條件下緩慢升溫到130～140 ℃，恒溫1.5 h，停止抽真空；緩慢降溫至30 ℃左右，按計(jì)量滴加IPDI，再緩慢升溫至70～75 ℃，反應(yīng)2 h，降溫至0～10 ℃加入封端劑及適量異丙醇溶劑，高速攪拌30 min，加蒸餾水分散、乳化1 h，制得聚醚型WPU。

1.4.2 聚酯型WPU的合成

在三口燒瓶中，按計(jì)量投入聚酯二元醇，在真空度103 Pa條件下緩慢升溫到130～140 ℃，恒溫1.5 h，停止抽真空；緩慢降溫至35 ℃左右，按計(jì)量滴加IPDI，緩慢升溫至75～80 ℃，反應(yīng)2 h。降溫至75 ℃左右加入擴(kuò)鏈劑DMPA，擴(kuò)鏈溫度80～85 ℃，擴(kuò)鏈1.5 h。加入三乙胺中和10 min，加蒸餾水分散、乳化1 h，制得聚酯型WPU。

1.5 織物整理

純棉針織白布浸軋（自制水性聚氨酯80～120 g/L，JFC 10 g/L，二浸二軋，軋余率75%）→預(yù)烘（80 ℃/3 min）→焙烘（170 ℃/（1～2）min）→熱水洗（50 ℃/5 min）→冷水洗、烘干。

1.6 分析測(cè)試方法

1）外觀

肉眼觀察預(yù)聚體或乳液的色澤、透明度、外部狀態(tài)等。

2）貯存穩(wěn)定性

參考GB 6753.4—86[7]，將一定量的乳液裝入暗色瓶中，加蓋密封，置于陰涼處，室溫保存。定期觀察乳液的狀態(tài)，若有分層現(xiàn)象，上層清液體積越大，其貯存穩(wěn)定性越差。

3）離心穩(wěn)定性

用800型高速離心機(jī)，在轉(zhuǎn)速3 000 r/min、時(shí)間30 min的條件下測(cè)試乳液的穩(wěn)定性，觀察溶液是否分層。

4）固含量

按照GB/T 2793—1995進(jìn)行。

5）游離異氰酸酯基含量[8]

用二正丁胺/甲苯法進(jìn)行測(cè)定。

6）手感評(píng)定

整理后織物手感評(píng)定：需至少4人觸摸評(píng)定織物，評(píng)定結(jié)果（相對(duì)于原樣）可分為柔軟、較軟、不變、較硬和硬等5個(gè)級(jí)別。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液性能的影響因素

2.1.1 n（-NCO）/n（-OH）（R值）對(duì)乳液性能的影響

IPDI和三元醇是合成預(yù)聚體的主要原料：IPDI構(gòu)成產(chǎn)物的硬段，提供了強(qiáng)度、耐磨性等性質(zhì)，對(duì)產(chǎn)物的力學(xué)性能貢獻(xiàn)最大；三元醇構(gòu)成軟段部分，提供了柔順性、彈性等性質(zhì)。R值是影響乳液性能的重要因素之一。在其他工藝條件不變的情況下，通過(guò)改變R值來(lái)研究乳液性能的變化，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R值為2時(shí)，預(yù)聚體產(chǎn)生凝膠，這是因?yàn)?OH含量過(guò)多，導(dǎo)致交聯(lián)度過(guò)大，無(wú)法繼續(xù)反應(yīng)；當(dāng)R值≥3時(shí)，預(yù)聚體的外觀正常，反應(yīng)也順利進(jìn)行。當(dāng)R值達(dá)3～5時(shí)，預(yù)聚體的外觀均比乳液的外觀透明，這是乳化階段聚合物發(fā)生相反轉(zhuǎn)的結(jié)果，且在此范圍內(nèi)，隨著R值的增加，交聯(lián)成分含量相應(yīng)減少，乳液的外觀經(jīng)歷了從微透明到半透明的過(guò)程。當(dāng)R值大于5時(shí)，乳液的外觀為白色石灰水狀，這是因?yàn)镮PDI的含量過(guò)多，致使殘余的-NCO基團(tuán)較多，在乳化階段與水劇烈反應(yīng)，所得乳液粒徑較大，外觀不透明且穩(wěn)定性差。

2.1.2 預(yù)聚溫度對(duì)乳液性能的影響

若反應(yīng)溫度過(guò)高，反應(yīng)速率過(guò)快，引起暴聚或產(chǎn)生凝膠，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)失敗；若溫度過(guò)低，反應(yīng)速率較慢，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致能耗的增加。

由圖1可以看出，在反應(yīng)初期，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，各曲線都呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且最后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，-NCO和-OH的含量較高，碰撞機(jī)會(huì)較多使得反應(yīng)速率較快，迅速聚合為二聚體、三聚體、四聚體等。隨后，低聚物間繼續(xù)反應(yīng)，分子質(zhì)量緩慢增加，-NCO含量降低。溫度高反應(yīng)速率快，剩余的-NCO越少。隨著時(shí)間的推移，-NCO含量降低，反應(yīng)速率也逐漸減慢，最終反應(yīng)達(dá)到或接近理論終點(diǎn)。以R值取4.0為例，其-NCO含量理論初始值為13.13%，終點(diǎn)值為6.89%。溫度70 ℃、反應(yīng)150 min時(shí)的剩余-NCO含量為6.94%，接近理論終點(diǎn)值。而反應(yīng)溫度75 ℃、80 ℃時(shí)反應(yīng)速度過(guò)快，導(dǎo)致副反應(yīng)增加，-NCO含量均低于理論值，故反應(yīng)溫度以70 ℃為宜。

2.2 應(yīng)用性能的影響因素

2.2.1 聚醚/聚酯質(zhì)量比對(duì)抗起毛起球性能的影響

純棉針織物經(jīng)過(guò)煮、漂等前處理工序的加工，其表面會(huì)產(chǎn)生許多絨毛，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穿著和靜電作用，織物表面會(huì)起毛起球，影響美觀和舒適感。封閉型的聚醚型聚氨酯在高溫下會(huì)釋放-NCO基團(tuán)，與纖維的-OH發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，避免纖維間的遷移；而聚酯型聚氨酯能在織物表面形成強(qiáng)韌的薄膜，耐摩擦、拉伸強(qiáng)度高、彈性好，并有一定的親水性。用2種WPU混合整理織物可改善纖維間的粘接力，減少紗線毛羽，減少靜電，有利于抗起毛起球。

從表2可見(jiàn)，隨著聚醚質(zhì)量比下降，抗起毛起球性能提高，當(dāng)質(zhì)量比為5/5時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均較好。但是隨著聚酯質(zhì)量比增加，手感會(huì)有一定下降，這可能由于聚酯成膜，從而影響到手感質(zhì)量。而白度幾乎沒(méi)有下降。

2.2.2 WPU織物整理SEM 表征

對(duì)空白織物和經(jīng)過(guò)整理劑整理的織物進(jìn)行噴金處理，透過(guò)掃描電鏡在電子掃描點(diǎn)下觀察纖維相結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，織物經(jīng)浸軋整理后，織物表面附有一層薄膜，說(shuō)明整理劑與織物發(fā)生了交聯(lián)。

3 結(jié)論

（1）以IPDI和聚醚/聚酯多元醇為主要原料，n（-NCO）/n（-OH）為4.0合成了WPU。

（2）在70 ℃預(yù)聚150 min，游離-NCO達(dá)到理論值。

（3）聚醚/聚酯質(zhì)量比為5∶5時(shí)，抗起毛起球效果達(dá)到最佳。

參考文獻(xiàn)

[1]徐培林，張淑琴.聚氨酯材料手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：708-713.

[2]康平，宋文生，李雪娟，等.水性聚氨酯的發(fā)展、分類(lèi)、合成及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，16（3）：377-380.

[3]易翔，何德良.水性聚氨酯化學(xué)改性研究進(jìn)展[J].上海涂料，2009，47（2）：28-31.

[4]劉景芳，李樹(shù)材.封閉型水性聚氨酯的研究進(jìn)展[J].涂料工業(yè)，2003，33（10）：36-39.

[5]劉玉海，趙輝，李國(guó)平，等.異氰酸酯[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：134，144-153，162-180，193-211.

[6]許戈文，等.水性聚氨酯材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：1-2.