陽離子水性聚氨酯固色劑離子強(qiáng)度對其應(yīng)用性能的影響

邊志華，權(quán) 衡

（1. 雅培眼力?。ê贾荩┲扑幱邢薰?，浙江 杭州 310018；2. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073）

目前，市場上的活性染料濕摩擦牢度提升劑產(chǎn)品幾乎均為陰離子聚氨酯高分子結(jié)構(gòu)[1,2]。這種產(chǎn)品不僅難以規(guī)?；a(chǎn)，而且助劑分子的擴(kuò)散、吸附能力較弱且助劑的使用量較大，加之助劑分子剛性較強(qiáng)，導(dǎo)致明顯惡化紡織品的柔軟手感[2，3]。

本課題以氨基硅烷偶聯(lián)劑對季銨化陽離子水性聚氨酯進(jìn)行化學(xué)封端，獲得一種成膜柔軟且具有較強(qiáng)化學(xué)活性和適度陽離子性的有機(jī)硅改性水性聚氨酯齊聚物。該助劑通過封閉染料陰離子基團(tuán)并熱固成膜以增加纖維抱合力、減少毛羽、降低摩擦阻力、阻斷染料向摩擦濕布表面的轉(zhuǎn)移等途徑，顯著改善陰離子染料的濕摩擦牢度。

由于助劑的陽離子強(qiáng)度會(huì)顯著影響纖維和陰離子染料對助劑分子的吸附能力和助劑分子的擴(kuò)散性能，進(jìn)而影響其在纖維表面的分布和成膜性。因此，本文將重點(diǎn)討論助劑的陽電性與其固色能力之間的聯(lián)系。

1 試驗(yàn)

1.1 織物、藥品及儀器

染色織物：純棉45×45/120×100、活性紅B-3BF染色（未使用固色劑）、染料用量5% (owf)。

主要藥劑：聚乙二醇2000、N-甲基二乙醇胺、1,4-丁二醇、溴丁烷等均為化學(xué)純試劑，異氟爾酮二異氰酸酯、聚四氫呋喃2000、端氨基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑等均為工業(yè)品。

主要設(shè)備：中樣染色機(jī)（SDM-20L）、摩擦刷洗色牢度儀（Y571N）、激光粒度分析儀（BT6300S）。

1.2 助劑制備

首先，將混合聚醚二醇于真空、加熱條件下脫水1.5-2.0h；體系降溫至60℃后，投入二異氰酸酯和催化劑并逐漸升溫至85℃下反應(yīng)3h。之后，降溫至40℃并在1h內(nèi)分多次投入混合擴(kuò)鏈劑，再于60℃下維持反應(yīng) 1h。隨后，在 40℃下勻速投入氨基硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)維持反應(yīng) 50℃×0.5h，完成對聚氨酯初聚體剩余異氰酸酯基團(tuán)的封閉。最后，升溫至55-60℃并加入季銨化試劑，維持對助劑分子中叔胺擴(kuò)鏈劑的季銨化反應(yīng)0.5h；中和、乳化。

1.3 固色工藝

工作液40℃、二浸二軋→脫水→烘干（100℃）→140℃×3min。

1.4 性能測試

染色紡織品摩擦色牢度參照《紡織品耐摩擦色牢度測試方法（GB/T 3920-1997）》進(jìn)行測評(píng)；

織物柔軟度參照文獻(xiàn)[4]中描述的斜面法進(jìn)行測試；

織物親水性參照文獻(xiàn)[5]中描述的滴水法進(jìn)行測試；

乳液的粒徑及其分布采用40g/L的助劑乳液進(jìn)行測試。

表1 助劑分子的陽離子強(qiáng)度設(shè)計(jì)—陽離子型叔胺擴(kuò)鏈劑含量的變化

2 結(jié)果與討論

為考察陽離子型濕摩擦牢度提升劑離子強(qiáng)度對其應(yīng)用性能的影響，我們通過改變離子型擴(kuò)鏈劑（N-甲基二乙醇胺）與非離子擴(kuò)鏈劑（1,4-丁二醇）之間的比例，獲得了具有不同正電荷密度的助劑樣品 H-1，H-2，H-3（表 1）。

2.1 叔胺擴(kuò)鏈劑含量與助劑乳膠粒粒徑

表2中的數(shù)據(jù)顯示：助劑分子適中的陽離子強(qiáng)度有助于助劑乳液粒徑的減小，其粒徑分布也較窄。

這是由于隨著聚氨酯高分子中離子型單體比例的提高，分子鏈的親水性增加，提高了聚合物分子的水合作用，減少了分子鏈間的相互纏繞，有利于聚合物相的微細(xì)分散，使乳膠粒數(shù)目增加，粒徑相應(yīng)減小；然而，若分子鏈的離子強(qiáng)度過高，會(huì)造成乳膠粒雙電層厚度和粒子流動(dòng)動(dòng)力學(xué)體積增加，這又會(huì)導(dǎo)致粒徑增大且乳液粘度較大。

因此，助劑乳液的粒徑大小及其分布同時(shí)受到以上2種因素的作用。當(dāng)陽離子單體比例較小時(shí)，隨其比例的增加，聚氨酯分散體的粒徑逐步減小且變化明顯；當(dāng)陽離子單體比例較高時(shí)，隨其比例的增加，聚氨酯分散體的粒徑反而開始變大。

表2 助劑分子的陽離子強(qiáng)度與乳液粒徑的關(guān)系—陽離子型叔胺擴(kuò)鏈劑含量的變化

2.2 叔胺擴(kuò)鏈劑含量與助劑的應(yīng)用性能

在聚氨酯型活性染料濕摩擦牢度提升劑分子結(jié)構(gòu)中，陽離子單體具有以下三方面的積極作用：

（1）改善聚氨酯分子的親水性，使乳液具有良好的穩(wěn)定性、擴(kuò)散性和滲透性；

（2）提高聚氨酯膠膜的機(jī)械強(qiáng)度；

（3）有助于纖維和染料對助劑分子的吸附，助劑用量相對較小。

因此，助劑具有一定的陽離子性對于其固色性能的改善是由好處的。然而，若助劑的陽離子強(qiáng)度過高，又會(huì)帶來如下弊?。?/p>

（1）乳膠粒變粗、乳液粘度增加而影響助劑對纖維的滲透能力；

（2）由于助劑吸附太快而導(dǎo)致吸附的均勻性較差；

（3）前期吸附在纖維上的助劑分子對后續(xù)擴(kuò)散的助劑分子產(chǎn)生的斥力較大，而導(dǎo)致助劑的吸附量較低。

表3 助劑分子的陽離子強(qiáng)度與其應(yīng)用性能—陽離子型叔胺擴(kuò)鏈劑含量的變化

可見，助劑的固色效果同時(shí)受到上述兩個(gè)相反作用的影響，其陽離子強(qiáng)度存在一個(gè)最佳范圍（如 8%左右）。以上分析可由表 3中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的固色后染色紡織品的濕摩擦牢度隨助劑分子的陽離子強(qiáng)度的增加而先升后降這一現(xiàn)象得到驗(yàn)證。

此外，助劑分子中的季銨化陽離子基團(tuán)對于其膠膜的柔軟手感和親水性具有積極貢獻(xiàn)，尤其是在助劑的用量較高，纖維上皮膜的連續(xù)性較好時(shí)更是如此。事實(shí)上，本項(xiàng)目制備的樹脂型活性染料濕摩擦牢度提升劑產(chǎn)品不但不會(huì)惡化染色紡織品的柔軟手感，甚至對其柔軟手感還具有改善的作用。

2.3 叔胺的季銨化程度與助劑乳膠粒粒徑

為賦予產(chǎn)物較好的親水性，得到粒徑較小的助劑乳液，我們嘗試制備了含有較高比例叔胺型擴(kuò)鏈劑的助劑樣品，并通過對部分?jǐn)U鏈劑進(jìn)行季銨化達(dá)到控制產(chǎn)物陽離子強(qiáng)度的目的（表4）。

表4 助劑分子的陽離子強(qiáng)度設(shè)計(jì)—叔胺型擴(kuò)鏈劑季銨化度的變化

表5 助劑分子的陽離子強(qiáng)度與乳液粒徑的關(guān)系—叔胺型擴(kuò)鏈劑季銨化度的變化

表6 助劑分子的陽離子強(qiáng)度與其應(yīng)用性能—叔胺型擴(kuò)鏈劑季銨化度的變化

表 5再一次證實(shí)，選擇助劑分子中叔胺擴(kuò)鏈劑的含量為 8%左右是較為適宜的（I-1）。隨叔胺擴(kuò)鏈劑季銨化程度的降低，助劑分子的親水性下降，導(dǎo)致助劑乳液的粒徑變大，分布變寬；叔胺擴(kuò)鏈劑的季銨化程度低于80%時(shí)，這種趨勢變得非常明顯?？紤]到離子強(qiáng)度較小的助劑分子對纖維的飽和吸附量較高，我們認(rèn)為助劑的季銨化程度定為85%左右較為適宜，同時(shí)適當(dāng)提高叔胺擴(kuò)鏈劑的中和度，以獲得粒徑較小的乳液。

正如我們先前的分析：季銨化程度較高的助劑分子，其陽電性較強(qiáng)。盡管助劑可在較短的時(shí)間內(nèi)完成擴(kuò)散和吸附過程，但纖維對助劑分子吸附的均勻性較差、吸附量較低。這種情況下，助劑在纖維上形成皮膜的均勻性和連續(xù)性均較差，當(dāng)然不會(huì)表現(xiàn)出最佳的固色效果。相反，季銨化程度較低的分子，其陽電性較弱。盡管纖維對助劑的飽和吸附量較高、吸附的均勻性較好，但由于分子的擴(kuò)散速度較慢，難以在工藝時(shí)間內(nèi)完成擴(kuò)散過程，導(dǎo)致吸附量不足。因此，助劑在纖維上形成皮膜的連續(xù)性不好，導(dǎo)致其固色效果不能令人滿意。

具有適中陽離子強(qiáng)度的助劑分子（I-3）才能夠在規(guī)定的工藝條件下較好地完成向的纖維的擴(kuò)散和吸附過程，并達(dá)到相對較高的吸附量和良好的吸附均勻性，獲得最佳的固色效果。

需要指出的是：處理后染色織物的親水性取決于助劑皮膜的連續(xù)性和助劑分子本身的親水性。一般情況下，助劑的用量越大或助劑分子對纖維的吸附均勻性越好、吸附量越大，其在纖維上成膜的連續(xù)性將會(huì)越好，織物的親水性下降得就越顯著（譬如I-3）。一旦助劑皮膜在纖維上形成連續(xù)分布，其親水性就僅僅受制于助劑分子本身的親水性，不再持續(xù)降低。因此，我們看到當(dāng)助劑的陽離子強(qiáng)度較低時(shí)（即助劑分子的親水性較弱），隨施加在染色紡織品上的助劑量的增加，織物的親水性下降得越明顯（I-4）。

3 結(jié)論

（1）具有適中陽離子強(qiáng)度的陽離子水性聚氨酯乳液乳膠粒粒徑較小且粒徑分布較窄；這樣的助劑分子對纖維的吸附較為均勻、吸附量較大，固色效果良好；

（2）助劑分子中季銨化的陽離子基團(tuán)對處理后織物的親水性及柔軟手感具有積極意義；

（3）處理后染色紡織品的親水性取決于助劑皮膜的連續(xù)性和助劑分子本身的親水性；助劑用量較大時(shí)，其分子的離子強(qiáng)度越低，對固色織物親水性的影響就越大。

[1]陳榮圻．提高活性染料深濃色染色織物濕摩擦牢度[J]．印染，2004，(7):20-22.

[2]劉慶艷，賀江平，權(quán)衡．活性染料染色織物摩擦牢度提升劑應(yīng)用性能研究[J]．印染助劑，2009，26(5):29-32.

[3]王婷, 權(quán)衡．活性染料濕摩擦牢度提升劑的工藝研究與應(yīng)用[J]．武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22 (4):22-24.

[4]劉國良．染整助劑應(yīng)用測試[M]．北京: 中國紡織出版社，2005．266-267.

[5]劉國良．印染助劑的測試和應(yīng)用[J]．染整技術(shù)，2004，26(1):51-52.