有机硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液对棉织物的抗皱整理

颜 东, 邓继勇， 汪南方， 王连军

(湖南工程学院 生态纺织材料及染整新技术湖南省高校重点实验室， 湖南 湘潭 411104)

纯棉织物洗后晾干易缩水变皱，影响织物的悬垂性和美观，对其进行抗皱整理可提高织物的服用功能和附加值[1]。目前染整行业常用醚化二羟甲基二羟基乙烯脲树脂(2D树脂)作为织物抗皱整理剂，但2D树脂在使用过程中易释放甲醛，造成坏境污染及对人体健康的危害；近年来开发的多羧酸类[2]、缩醛类[3]、环氧树脂类[4]抗皱免烫整理剂虽然解决了2D树脂释放甲醛的问题，但整理效果不如2D树酯，同时还伴有强力降低。

水性聚氨酯是一类无醛织物整理剂[5]，织物经其整理后可有效提高防缩防皱性[6-7]、断裂强力[8]、防水透湿性能[9]和柔顺性[10]，同时还可增加耐热迁移性[11-12]、阻燃[13]和抗微生物治疗[14]功能；但目前国内相关研发产品种类较少，抗皱整理性能还有待改善。基于此，本文采用具有低表面能的有机硅功能单体对聚氨酯/丙烯酸酯乳液进行改性，制备一类有机硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液，将其应用于棉织物抗皱整理，对织物的折皱回复角与力学性能等进行测试。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

材料：纯棉织物，经纬纱线密度均为40 tex，经密、纬密分别为315、236根/10 cm。

试剂：异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、三羟甲基丙烷(TMP)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、甲乙酮肟(MEKO)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、乙烯基三甲氧基硅烷、丙烯酸丁酯，均为分析纯。

仪器：FTIR-1500型傅里叶变换红外光谱仪(天津中世沃克科技发展有限公司)、YG026H型多功能电子织物强力机(宁波纺织仪器厂)、YG541E型自动激光织物抗皱弹性测试仪(宁波纺织仪器厂)、S-4700型冷电场扫描电子显微镜(日本日立公司)、OCA100型接触角测量仪(德国KRUSS公司)、WSB-3 A型智能式数字白度计(温州大荣纺织仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1聚氨酯单体的制备

在带有恒压滴液漏斗、机械搅拌、冷凝管和温度计的250 mL四口烧瓶中加入10.0 g异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、2.0 g三羟甲基丙烷(TMP)和20 mL乙酸乙酯，加热升温至75 ℃，反应1.5～2 h；然后滴加5 mL溶有1.952 g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)的乙酸乙酯溶液，15 min内滴加完毕，反应1 h；最后滴加5 mL溶有2.613 g甲乙酮肟(MEKO)的乙酸乙酯溶液，20 min内滴加完毕，反应1～1.5 h；冷却得目标单体，待用。聚氨酯单体的合成路线如图1所示。

图1 聚氨酯单体合成路线Fig.1 Synthetic route of polyurethane monomer

1.2.2小分子有机硅改性共聚物乳液的制备

将83 g的20%(质量分数)聚氨酯单体、15%甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、9%乙烯基三甲氧基硅烷，56%丙烯酸丁酯等单体溶于无水乙醇，在机械搅拌下缓慢升温至78 ℃，滴加单体总量为1%的引发剂的乙醇溶液，控制在2 h内滴加完毕，反应2 h，加入与GMA等物质的量的二乙醇胺，开环反应1 h，降温至50 ℃，滴加乙酸中和，反应完毕后，加蒸馏水，得到理论固含量为25%的乳液，过滤去不溶物，于50 ℃下真空旋出乙醇留待后用。

1.2.3棉织物的抗皱整理方法

根据乳液的固含量，用蒸馏水将其稀释至质量分数为5%左右的整理液，在室温下，将棉织物放入整理液中完全浸泡，在均匀轧车上浸轧整理液(二浸二轧，第1次浸渍4 min，第2次浸渍3 min，轧液率为75%)，在热定型机中80 ℃预烘3 min，135 ℃烘焙5 min，然后水洗、烘干。

1.2.4棉织物的耐皂洗方法

将尺寸为40 mm×100 mm的棉织物经整理后放于皂液中，在常温下经机械搅拌浸泡洗涤30 min。再经冲洗、干燥。

1.3 测试方法

1.3.1红外吸收光谱表征

采用FTIR-1500型红外光谱仪测定乳液的红外吸收光谱。将乳液涂抹在KBr压片上制样，波数范围为4 000～500 cm-1。

1.3.2折皱回复角测试

采用YG541E型自动激光织物抗皱弹性测试仪按照GB/T 3819—1997《纺织品 织物折痕回复性的测定 回复角法》测定织物的折皱回复角。

1.3.3断裂强力测试

采用YG026H型多功能电子织物强力机按照GB/T 3923.1—2013 《纺织品 织物拉伸性能测定方法》测试整理棉织物的断裂强力，每次测3个数据取平均值。

1.3.4形貌观察

采用S-4700型冷电场扫描电镜进行扫描，室温操作，放大倍数为2 000。

1.3.5薄膜接触角测定

采用OCA100型接触角测试仪测试整理后织物对水的接触角。将1 μL去离子水滴于整理后的织物表面上进行测试，每个样品选取3个点进行测试，取平均值。

1.3.6白度测试

采用WSB-3 A型智能式数字白度计按照GB/T 8424.2—2001《纺织品 色牢度试验 相对白度的仪器评定方法》测试整理后棉织物的白度，每次测3个数据平均值。

2 结果与讨论

2.1 红外吸收光谱

图2 乳液的红外光谱Fig.2 FT-IR spectrum of emulsion

2.2 整理剂质量分数对棉织物性能的影响

固定其他整理参数不变，考察改性乳液整理剂用量对棉织物性能的影响，结果见表1。可以看出，随着整理剂质量分数的增加，整理后棉织物的经纬向折皱回复角、断裂强力和断裂伸长率均增大。这是因为随着整理剂质量分数的增大，整理剂与棉短纤维间的交联增多，增强了纤维间的结合力，折皱回复角也随之增大，但白度略有降低。当其质量分数达到5%时，继续增大整理剂用量，折皱回复角、断裂强力、断裂伸长率和白度等变化均不太明显，因此，聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液整理剂的质量分数以5%为宜。

表1 整理剂质量分数对棉织物性能的影响Tab.1 Influence of finishing agent dosage onproperties of cotton fabric

2.3 浸渍时间对棉织物性能的影响

固定其他整理参数不变，考察浸渍时间(二浸时间之和)对棉织物性能的影响，结果如表2所示。可以看出，随着浸渍时间的延长，整理后棉织物的经纬向折皱回复角、断裂强力和断裂伸长率均增大。浸渍时间延长，整理剂与纤维间接触量增多，交联量也会增多，棉短纤维间的结合力增强，使织物强力、折皱回复角也增大，但白度略有降低。当浸渍时间达到7 min时，此时可保证棉织物上有充分的整理剂覆盖在其上；继续延长浸渍时间，折皱回复角、断裂强力、断裂伸长率和白度等变化均不很明显：因此，浸渍时间以7 min为宜。

表2浸渍时间对棉织物性能的影响
Tab.2Influenceofimpregnationtimeonpropertiesofcottonfabric

浸渍时间/min白度/%折皱回复角/(°)经向纬向断裂强力/N断裂伸长率/%596.590.482.7313.921.8695.597.588.5318.522.9795.2103.393.1323.525.4895.0104.293.9323.825.9

2.4 焙烘温度和时间对棉织物性能的影响

固定其他整理参数不变，分别考察焙烘温度和时间对棉织物整理性能的影响，结果见表3、4。

表3 焙烘温度对棉织物性能的影响Tab.3 Influence of baking temperature on properties of cotton fabric

表4 焙烘时间对棉织物性能的影响Tab.4 Influence of baking time on properties of cotton fabric

由表3可知，随着焙烘温度的升高，整理后棉织物经纬向的折皱回复角均增大，断裂强力和断裂伸长率先增后减，白度有降低。烘焙温度直接影响到聚氨酯的解封，温度在持续升高的过程中，解封的异氰酸酯键(—NCO)增多，与棉织物上羟基的反应也随之增多，增强了棉短纤维间的结合力。当焙烘温度达到135 ℃时，继续升高焙烘温度，折皱回复角、断裂强力、断裂伸长率等变化均不很明显。当焙烘温度升高到155 ℃时，2种乳液整理后棉织物的断裂强力、断裂伸长率均略有降低，这是因为高温解封过剧，导致共聚物分子间交联加剧，在棉织物表面沉积不均匀，使受力不均导致断裂强力、断裂伸长率略有降低。同时考虑到节能，焙烘温度以135 ℃为宜。

由表4可知，随着焙烘时间的延长，整理后织物的经纬向折皱回复角均增大，断裂强力和断裂伸长率先增后减，白度略有降低。当烘焙时间较短时，随着烘焙时间的延长，解封的异氰酸酯键较多，与织物上羟基的交联也增多，使其纤维间的结合力增强，织物折皱回复角和强力得以提升。当烘焙时间较长时，解封的异氰酸酯键越多，导致其分子间的交联加剧，之后不均匀地沉积在棉织物上，导致受力不均，使得断裂强力和断裂伸长率有所降低。当焙烘时间达到5 min时，抗皱整理的综合效果较佳，这表明单位体积棉布上的羟基基本已被整理剂反应完全，同时考虑到节能，最终确定焙烘时间为5 min。

2.5 皂洗次数对整理后棉织物性能的影响

通过上述单因素分析，得到改性共聚乳液对棉织物的最佳整理工艺条件：聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液质量分数为5%，浸渍总时间为7 min，80 ℃预烘3 min，135 ℃烘焙5 min。在此条件下，考察皂洗次数对棉织物性能的影响，结果如表5所示。

表5 皂洗次数对整理后棉织物性能的影响Tab.5 Influence of soap washing times on properties of finished cotton fabric

由表5可知，随着皂洗次数的增多，整理后棉织物的经纬向折皱回复角、断裂强力和断裂伸长率均略微降低，但白度略有升高。这是因为在加热整理中，以甲乙酮肟封端的异氰酸酯键被解封，其能够与棉纤维上的游离羟基发生反应，形成不易洗去的网状大分子。这可进一步验证乳液在高温整理中发生了解封反应，同时也说明改性乳液整理后的织物具有良好的耐皂洗性能。

2.6 整理前后棉织物的外观形貌分析

改性乳液整理前后棉织物的外观形貌照片如图3所示。可以看出：未整理棉织物的表面比较粗糙，有许多裂纹；而经聚氨酯/丙烯酸酯乳液整理后棉织物的表面较为平滑，且纤维之间相互黏连，形成了一层薄膜，表明在棉纤维表面已附着改性的共聚物大分子，经过整理后棉织物的纤维损伤得到了修复，进而改善了棉织物的品质，其抗皱性能也得到了提高。

图3 整理前后棉织物的扫描电镜照片Fig.3 SEM images of cotton fabrics before and after finishing. (a) Unfinished cotton fabric; (b) Finished cotton fabric

2.7 整理后棉织物的接触角分析

整理后棉织物的接触角测试结果如图4所示。可以看出，经共聚乳液整理后棉织物的接触角高达134.5°，显示了良好的拒水性。

图4 整理后棉织物的接触角分析Fig.4 Contact angle analysis of cotton fabrics after finishing

3 结 论

1)以有机硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液作为织物整理剂时，其最佳整理条件为：共聚乳液质量分数5%，浸渍总时间7 min，80 ℃预烘3 min，135 ℃烘焙5 min，此时整理棉织物的经纬向折皱回复角分别为103.3°和93.1°，断裂强力为323.5 N，断裂伸长率为25.4%。

2)有机硅改性聚氨酯/丙烯酸酯共聚乳液是一类新型高效织物抗皱整理剂，对棉织物具有良好的抗皱性能，并可使织物的强力增加；同时经共聚乳液整理后的棉织物具有良好的拒水性能，在多功能织物整理技术领域具有良好的应用前景。

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