硅溶胶的制备及在棉织物上的应用研究

周文雅,施亦东

(四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)

硅溶胶的制备及在棉织物上的应用研究

周文雅,施亦东

(四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)

利用聚合溶胶法制备酸性硅溶胶并对棉织物进行拒水整理。通过添加ETES可以提高棉织物的接触角和水洗牢度。TEOS:ETES为1:0.06时牢度最好。硅溶胶处理后织物白度略有下降，断裂强度增大，柔软度稍有下降。通过均匀实验优化的工艺参数是：TEOS：乙醇：水的物质的量比为1:9：8，pH=3,3h，45℃。整理后棉织物上的接触角理论值为160.7，实际为137.24。

硅溶胶 棉织物 拒水整理

基于荷叶的“自清洁”效应[1]受到人们的广泛关注，而传统的纺织品拒水整理主要采用低表面能物质整理纺织品达到疏水的目的，尤其是氟碳化合物的使用,但是氟碳化合物具有一定的生物累积性[2],对生态存在危害[3],价格也昂贵。目前，采用改性纳米SiO2溶胶在棉织物表面构筑粗糙结构进行拒水整理是研究的热点。

制备纳米SiO2的方法有沉淀法、溶胶—凝胶法、微乳液法、真空冷凝法等[4-6]，其中溶胶—凝胶法制备过程容易控制，获得的粒子均匀。本文以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体，乙醇和水为溶剂制备硅溶胶预缩体，并对棉织物进行拒水整理，并通过添加乙烯基三乙氧基硅烷(ETES)提高其拒水效果和耐洗性。

1 实验

1.1 原料与仪器

药品：纯棉平纹布(32s×32s，68×68)，正硅酸乙酯(分析纯)，无水乙醇(分析纯)，盐酸(分析纯)，乙烯基三乙氧基硅烷(工业级)。

仪器：SBDY—1数显白度仪(上海悦丰仪器仪表有限公司)，YG065型电子织物强力试验仪(莱州元茂仪器有限公司)，DCA 20/6光学接触角测量仪(Cermany by dotaphysics instruments GmbH)

1.2 硅溶胶预缩体的制备

在集热式恒温加热磁力搅拌器上的三口瓶内加入TEOS、乙醇和水与一定量的ETES后，让药品先均匀混合，再加入适量的盐酸调节pH值，混合均匀后，在45℃温度反应3小时即可。

1.3 棉织物的整理

将预处理好的棉织物浸轧硅溶胶预缩体，二浸二轧(轧液率60%～70%)，预烘(100 ℃，3 min)，焙烘(120 ℃，1 min)；然后水洗在100℃的条件下烘干。

1.4 测试

1.4.1 接触角测试

在DCA 20/6光学接触角测量仪测量10个接触角数据，算出平均值。

1.4.2 白度测试

将未经过处理和处理过的棉布样品在SBDY—1数显白度仪上测量白度。

1.4.3 柔软度的测量

将未经过处理和处理过的棉布样品在LLY—01B电子硬挺度仪测量柔软度。

1.4.4 强力测试

将试样分别沿经向和纬向修成 35 mm×5 mm 的长方形布条，经向取3条，纬向取5条,用YG065型电子织物强力试验仪对织物进行强力测试，,取平均值。

2 结果与讨论

2.1 硅溶胶制备的pH值

正硅酸乙酯的水解是一个复杂的过程，根据余锡宾等的研究(余锡宾，吴虹正.硅酸乙酯的水解、缩合过程研究，无机材料学报，1996(4)：703-707)，TEOS在酸性条件下是先水解再缩合，在碱性条件下是水解缩合同时进行。因此，制备初缩体时，溶液的pH对溶胶的水解和缩合影响较大，酸性大有利于水解而不利于缩合，酸性小溶胶边水解边缩合，不便于工艺控制，为此需选择一个恰当的pH条件，试验结果见表1。

表1 pH值对硅溶胶形成的影响

由表1可知，当pH值为1、2、3、4时溶胶不易发生凝胶，在织物上表现出拒水效果，说明此时TEOS发生了充分水解。但是，pH值过低会使棉布在焙烘时泛黄受损。pH值为4时棉布的拒水效果较差，可能与水解不充分，而凝胶过快。pH值为3的棉布样品在焙烘后白度变化不大，且拒水效果良好。因此，制备硅溶胶预缩体的pH确定为3。

2.2 TEOS溶胶的制备工艺优化

除了pH值是制备硅溶胶的重要因素之外，醇、水的用量，温度和时间都对溶胶的质量和最终的应用效果有影响。本文采用均匀设计方法，在pH为3的条件下，对几个主要因素：TEOS，乙醇和水的用量，制备的温度和时间进行了试验，并测试了溶胶预缩体用于棉织物整理后的接触角。表2即为均匀试验设计方案及结果。

对表2的结果采用非线性回归方法分析，得到回归方程(1)。

Y=123.87+439.62X1-3769.58X12+272.73X1×X2+103.92X1×X3-0.01697X4×X5(1)

其复相关系数R为0.999，表明各因素具有很好的相关性。根据建立的回归方程，进行非线性规划求解，得出在实验范围内的最佳工艺参数为：TEOS为0.1mol，乙醇为0.9mol，水为0.8mol，反应温度为45℃，反应时间为3小时，理论接触角可以达到160.7。按此优化参数进行试验，接触角实际值为137.24，小于理论值。其原因可能是pH值不好控制对体系有较大影响。

表2 均匀试验设计方案及结果

2.3 添加偶联剂的影响

由于硅溶胶和棉纤维是靠水解生成的硅溶胶的-OR键和纤维素的-OH反应结合在一起的，其键结合不是十分牢固，为了提高其水洗牢度。采用前面的优化参数，添加乙烯基三乙氧基硅烷(ETES)。由于ETES分子中含有乙烯基可同时与硅溶胶和纤维素大分子反应，可使在纤维表面形成的硅溶胶膜的牢度有所提高。结果见表3。表中百分比为整理织物洗涤前后接触角变化的百分值。计算公式(2)：

接触角变化的百分值=

表3 硅溶胶添加ETES对接触角的影响

由表4可以看出用加入ETES的硅溶胶处理的棉织物的接触角都增大。当TEOS和ETES的物质的量比为1:0.06时，洗涤前后接触角变化最小。4号接触角小于5号，但4号耐洗牢度较好。综上所述TEOS和ETES的物质的量比为1:0.06和1：0.08都是比较好的效果，

2.4 硅溶胶处理对棉织物白度的影响

由表4可得棉织物在硅溶胶处理后其白度略有下降，但此变化是肉眼几乎看不出。下降原因是制备的硅溶胶是酸性的，而棉织物的特点又是耐碱不耐酸，在酸性条件下棉织物会受到破坏。因此在焙烘时棉织物在酸性条件下容易发黄。

表4 硅溶胶对棉织物白度的影响

2.4 硅溶胶处理对棉织物断裂强力的影响

由表5可得，棉织物经向和纬向处理过的棉织物比没处理的棉织物的断裂强度要大。原本在酸性条件下棉织物会受到破坏，导致断裂强度下降。但是由于水解生成的硅溶胶的-OR键和纤维素的-OH结合在一起在棉纤维表面形成了网状的连接使棉纤维的断裂强度变大。使得酸对棉纤维的断裂强度损伤小于硅溶胶对于棉纤维断裂强度的增大。

表5 硅溶胶对断裂强力的影响

2.5 硅溶胶处理对棉织物柔软度的影响

由表6可得用硅溶胶处理过的棉织物无论是经向还是纬向都比没有经过硅溶胶处理的棉织物的经纬向伸出长度都要长一些，手感差一些。其原因是因为硅溶胶和棉织物是靠水解生成的硅溶胶的-OR键和纤维素的-OH反应在纤维表面形成网状胶连在一起，使织物的柔软度变差，从而使织物的手感变差。

表6 硅溶胶对柔软度的影响

3 结论

经过硅溶胶处理过的棉织物具有拒水效果，添加ETES可以提高硅溶胶对棉织物的接触角和水洗牢度。TEOS和ETES为1:0.06时牢度最好，接触角在水洗前后变化率为0.18%。硅溶胶处理后织物白度略有下降，断裂强度增大，柔软度稍有下降。

通过均匀实验和回归方程的建立，得到用于棉织物拒水整理硅溶胶制备制的优化工艺参数是：正硅酸乙酯：乙醇：水的物质的量比为1:9：8，pH值为3，反应时间3小时，反应温度45℃。整理后棉织物上的接触角理论值为160.7，实际为137.24。

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2016-08-31

周文雅(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：生态纺织品。

施亦东(1963-)，女，副教授，硕士生导师。

TS195.5

A

1008-5580(2017)01-0137-04