飛中琳,黃怡婧,阮凌峰

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

隨著經(jīng)濟(jì)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(shí)不再僅考慮紡織面料固有的特性,也會(huì)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(xué)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(xué)試劑,但是部分化學(xué)試劑使用時(shí)的反應(yīng)條件比較復(fù)雜、能耗高、污染嚴(yán)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(diǎn)擊化學(xué)作為一類簡(jiǎn)單高效、條件溫和、過程清潔安全的新型化學(xué)反應(yīng),能夠滿足人們對(duì)于綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。此外,點(diǎn)擊化學(xué)還具有目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率高、副產(chǎn)物少、受其他官能團(tuán)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(xué)[6]、光調(diào)控[7]、微電子機(jī)械系統(tǒng)[8]等方向應(yīng)用日益廣泛。相比于其他領(lǐng)域,點(diǎn)擊化學(xué)在紡織品功能整理中的應(yīng)用和實(shí)踐相對(duì)較少。因此,本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員在點(diǎn)擊化學(xué)紡織品功能整理領(lǐng)域的研究成果,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望,以期為點(diǎn)擊化學(xué)在紡織品功能整理領(lǐng)域的應(yīng)用提供研究思路和理論參考,進(jìn)而拓寬其在紡織品功能整理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1 點(diǎn)擊化學(xué)概述

“Click chemistry”被譯為點(diǎn)擊化學(xué),也被稱為鏈接化學(xué)、動(dòng)態(tài)組合化學(xué),是由美國(guó)化學(xué)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(chǔ)快速有效合成大量化合物的新型化學(xué)方法[9],主要分為自由基引發(fā)反應(yīng)型和催化劑引發(fā)反應(yīng)型2種類型[10]。自由基引發(fā)反應(yīng)類型主要包括巰基-聚丁二烯、巰基-端烯、巰基-炔烴點(diǎn)擊反應(yīng);催化引發(fā)反應(yīng)型是指在催化條件下發(fā)生的巰基-邁克爾加成反應(yīng)[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(lái)酰亞胺等點(diǎn)擊反應(yīng)。點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)類型示意圖[12]見圖1。

圖1 點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)類型示意圖

點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)作為紡織品改性處理的新方法,使得功能整理劑以共價(jià)結(jié)合的化學(xué)方式作用于基材表面,達(dá)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(jìn)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(diǎn)擊化學(xué)在紡織品功能整理中的應(yīng)用

巰基-烯、巰基-異氰酸酯、巰基-馬來(lái)酰亞胺作為典型的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng),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(diǎn)擊化學(xué)

2.1.1 在棉織物拒疏水整理中的應(yīng)用

棉織物具有較強(qiáng)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(jī)硅型[15-16]、氟硅混合型[17-18]的拒水整理劑對(duì)織物進(jìn)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(jī)硅型拒水劑整理的織物水洗時(shí)表面的有機(jī)硅膜易破裂,導(dǎo)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(yīng)性基團(tuán),進(jìn)而利用巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)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(duì)棉織物進(jìn)行巰基改性,賦予棉纖維較高活性的巰基,使長(zhǎng)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(jìn)行反應(yīng),經(jīng)過上述處理的棉織物靜態(tài)接觸角(WCA)達(dá)到149.2°(接近超疏水效果),噴淋等級(jí)95分。經(jīng)30次標(biāo)準(zhǔn)水洗后靜態(tài)接觸角仍能達(dá)到146.3°。賀立等[21]利用巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)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(dá)156°,滾動(dòng)角最高可到達(dá)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(diǎn)擊化學(xué)是一種將普通織物進(jìn)行超疏水改性使其對(duì)油污水具有優(yōu)異分離性能的有效方法。

2.1.2 巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)在棉織物阻燃整理中的應(yīng)用

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),因紡織品不具備阻燃性而引起的火災(zāi)占火災(zāi)事故的50%以上[22],因此減少紡織品燃燒的危險(xiǎn)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(fèi)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(huì)釋放有害氣體等缺點(diǎn)。因此,利用點(diǎn)擊化學(xué)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(jià)結(jié)合,賦予棉織物耐久的阻燃性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)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(qiáng)度也有所提升。由此可見,利用點(diǎn)擊化學(xué)對(duì)棉織物進(jìn)行阻燃整理的反應(yīng)條件溫和,整理后棉織物的阻燃性能和斷裂強(qiáng)度大幅度提升,而且反應(yīng)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(diǎn)擊化學(xué)在羊毛織物抗菌整理中的應(yīng)用

2.2 巰基-異氰酸酯點(diǎn)擊化學(xué)

在巰基-異氰酸酯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)中,巰基在三乙胺等堿性催化劑的作用條件下會(huì)轉(zhuǎn)化成親核性較強(qiáng)的硫醇鹽離子,而異氰酸酯的羰基也會(huì)被極化,巰基與異氰酸酯能迅速發(fā)生有效的偶聯(lián)反應(yīng),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(xué)性能和熱性能。因此巰基-異氰酸酯點(diǎn)擊反應(yīng)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(xué)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(yù)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(yù)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(yīng),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(fù)雜、耐久性差、對(duì)羊毛損傷嚴(yán)重等問題,利用巰基-異氰酸酯基之間的共價(jià)鍵合可將簡(jiǎn)單高效的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)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(yán)重等的問題。

2.3 巰基-馬來(lái)酰亞胺點(diǎn)擊化學(xué)

巰基-馬來(lái)酰亞胺間的邁克爾加成反應(yīng)也是一種綠色高效的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng),由于該反應(yīng)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(lái)酸單酰胺,再用已合成的N-苯基馬來(lái)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(lái)酰亞胺,通過共價(jià)結(jié)合的方式將N-苯基馬來(lái)酰亞胺接枝到經(jīng)過巰基改性的棉織物上,測(cè)試表明整理后的棉織物對(duì)革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)的抑菌率高達(dá)99.56%,對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌)的抑菌率高達(dá)98.91%,經(jīng)過10次水洗后仍達(dá)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(huì)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(lái)酰亞胺點(diǎn)擊化學(xué)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(jìn)抗菌工藝提供新方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

紡織業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(lái),政府出臺(tái)了一系列政策,鼓勵(lì)紡織行業(yè)進(jìn)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(diǎn)擊化學(xué)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(yán)重、反應(yīng)復(fù)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(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)本身將作為“促進(jìn)劑”推動(dòng)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(diǎn)擊化學(xué)應(yīng)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(lǐng)域,點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)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(lǐng)域,點(diǎn)擊化學(xué)的研究成果相對(duì)較少。因此,對(duì)紡織品功能整理中的點(diǎn)擊反應(yīng)進(jìn)行深入研究勢(shì)在必行。