聚氨酯改性有機(jī)硅柔軟劑的應(yīng)用工藝

李艷艷，閔 欣，賀江平

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

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聚氨酯改性有機(jī)硅柔軟劑的應(yīng)用工藝

李艷艷，閔 欣，賀江平

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

對用自制聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑的柔軟整理工藝和其在棉織物上的柔軟、交聯(lián)成膜機(jī)理進(jìn)行了研究，得到最佳整理工藝為：整理劑(含固量30%)用量100 g/L、軋余率85%、焙烘溫度120 ℃、焙烘時(shí)間2 min。將自制柔軟劑與市售三元嵌段有機(jī)硅柔軟劑整理效果進(jìn)行對比，得出自制柔軟劑整理后的織物手感優(yōu)于市售柔軟劑約半級，白度、強(qiáng)力、折皺回復(fù)角、潤濕性都優(yōu)于市售柔軟劑，且節(jié)約了溶劑費(fèi)用，可降低企業(yè)成本。

聚氨酯；有機(jī)硅共聚物；柔軟劑；整理工藝

目前市場上效果最好的有機(jī)硅柔軟劑是氨基硅油[1]，然而氨基硅油存在許多弊端，例如在應(yīng)用過程中乳液容易破乳在織物上產(chǎn)生油點(diǎn)，影響外觀，同時(shí)整理到織物上后會使得織物的親水性能下降，造成穿著吸濕性差等缺點(diǎn)[2]。與此同時(shí)，經(jīng)氨基改性的有機(jī)硅柔軟劑柔軟度、平滑性、懸垂性和彈性等都有明顯提高[3]，對部分染料有增深效果，但易泛黃[4]，需對其進(jìn)行進(jìn)一步改性。本文通過先合成改性烷羥基封端劑再與D4進(jìn)行調(diào)聚，得到烷羥基封端的二甲基硅氧烷，然后與聚氨酯預(yù)聚體進(jìn)行共聚反應(yīng)，得到可自乳化的聚氨酯改性有機(jī)硅柔軟劑。將自制柔軟劑與市售三元嵌段有機(jī)硅柔軟劑進(jìn)行效果對比，得出自制柔軟劑手感優(yōu)于市售柔軟劑半級左右，白度、強(qiáng)力都優(yōu)于市售柔軟劑，織物硬挺度較市售柔軟劑低，表明柔軟性好；折皺回復(fù)角相差不大，回彈性相當(dāng)；潤濕時(shí)間較市售柔軟劑短得多，潤濕性相對較好。自制聚氨酯改性有機(jī)硅柔軟劑有很大的市場競爭力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和材料

試劑：自制羥烷基硅油(M=8000，工業(yè)品，自制)，異丙醇(分析純，西安科洛化學(xué)試劑有限公司)，丙酮，(分析純，西安科洛化學(xué)試劑有限公司)，聚乙二醇(PEG-2000，化學(xué)純，上海伊純實(shí)業(yè)有限公司)，IPDI(分析純，上海伊純實(shí)業(yè)有限公司)。

織物：全棉平紋機(jī)織半漂布。

1.2 聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑的合成

1.2.1 合成工藝

(1)制備聚氨酯預(yù)聚體：將聚乙二醇2 000進(jìn)行真空干燥，真空干燥后降溫，將經(jīng)過真空干燥并降溫的聚乙二醇2 000加入燒瓶中，并向燒瓶中加入異佛爾酮二異氰酸酯和催化劑，升溫至60～80 ℃，反應(yīng)1～4 h，得到聚氨酯預(yù)聚體。

(2)制備聚氨酯有機(jī)硅多元共聚物：將得到的聚氨酯預(yù)聚體和自制烷羥基硅油按照比例1∶1(摩爾比)加入燒瓶中，升溫至50～80 ℃，反應(yīng)1～4 h，得到聚氨酯有機(jī)硅多元共聚物。

1.2.2 乳化工藝

向上述得到的有機(jī)硅多元共聚物中加入去離子水，在50 ℃下攪拌60 min，得到一定含固量的柔軟劑乳液。

1.3 自制柔軟劑整理工藝

實(shí)驗(yàn)對棉針紡織物進(jìn)行整理，整理工藝采用浸軋法，工藝流程為浸軋→烘干→焙烘。

1.4 自制柔軟劑與市售柔軟劑應(yīng)用性能對比

分別采用自制柔軟劑和市售三元硅油在相同整理工藝下對同種織物進(jìn)行處理，并對各自的整理效果進(jìn)行比對。

1.5 性能測試

按GB/T 8424.2-2001,采用DSBD-1型電子數(shù)字白度儀對整理后的織物進(jìn)行白度測試；按GB 3923-1983《機(jī)織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長》的測試方法對整理后的織物在YG(B)026D-250型織物強(qiáng)力儀上進(jìn)行織物斷裂強(qiáng)力測試測定；織物折皺回復(fù)角測試按GB 3918-1983,采用YG(B)541B-1Ⅰ型全自動數(shù)字式織物折皺彈性儀測定；潤濕性能測試按照GB 4744-1997的方法進(jìn)行測定；耐洗性測試按照ISO 3175-4 Technical Corrigendum 1-2009的方法進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)用工藝優(yōu)化

2.1.1 柔軟劑用量

選取自制柔軟劑，純棉機(jī)織物，整理劑用量分別為0、20、40、60、80、100和120 g/L，靜置30 min左右，將織物放入整理液中，二浸二軋，45 ℃條件下浸漬，軋液率為85%，80 ℃預(yù)烘3 min，120 ℃條件下焙烘2 min,對比織物整理前后的折皺回復(fù)角、強(qiáng)力、白度、潤濕性、手感、硬挺度、懸垂性的變化，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，用量在100 g/L以前正增長，原因是隨用量增高，聚合物在織物上成膜的完整性變好，根據(jù)樹脂沉積理論，聚合物的膜有一定的彈性，使得織物回彈性變好。在100 g/L以后，折皺回復(fù)角反而下降，這是因?yàn)槌^100 g/L后柔軟效應(yīng)占優(yōu)勢，布面柔軟性增加使得織物的硬挺度下降，柔軟度提高，所以折皺回復(fù)角降低。柔軟處理過的樣品在強(qiáng)力方面均優(yōu)于未進(jìn)行處理的樣品，同時(shí)隨著柔軟劑用量的增加強(qiáng)力越來越大，這是因?yàn)槊蘩w維的斷裂機(jī)理屬于“弱點(diǎn)斷裂”，即在纖維含量較少的或者纖維末端含量較多的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而拉斷纖維并最終造成整體斷裂，而柔軟劑的加入使得纖維間的摩擦系數(shù)降低，平滑性增強(qiáng)，纖維之間可互相滑動以共同對抗外力作用，減少了應(yīng)力集中，故而拉斷強(qiáng)力提高。隨著整理劑用量的增加，織物白度改變不大，略有提升，這是因?yàn)椴捎玫木郯滨ビ袡C(jī)硅柔軟劑中的N原子的活潑氫被其他基團(tuán)取代，且在N原子周圍存在有羰基等吸電子基團(tuán)，降低了N原子的電子云密度，從而降低了形成-N=N-等可能導(dǎo)致黃變的結(jié)構(gòu)[5]，所以織物白度不會降低。而對于略有升高的情況，其原因可能是采用的織物經(jīng)過上藍(lán)增白，含有有機(jī)硅鏈段的柔軟劑的加入有增深效果，使得織物上的藍(lán)光顯的更深，更多的中和了織物發(fā)出的黃光，使得白度略有提高。但用量超過100 g/L以后白度不再增加并且有所減少，這是因?yàn)橛昧窟^大，叔胺的黃變效應(yīng)會越來越凸顯，導(dǎo)致白度下降。 潤濕性方面，經(jīng)過柔軟處理的樣品水滴滲開時(shí)間均比未處理的樣品長，但差距不是很大，均在1 s以內(nèi)，這是因?yàn)槿彳泟┲杏袡C(jī)硅鏈段的引入降低了織物表面的親水性，所以潤濕性有降低，但柔軟劑中同時(shí)引入了聚醚等親水鏈段，一定程度上抵消了有機(jī)硅的拒水效應(yīng)，故而潤濕性差別不大，但是柔軟劑用量太大將導(dǎo)致織物親水性變的更差。

從表1還可看出，經(jīng)過柔軟處理的樣品手感均優(yōu)于未經(jīng)過處理的樣品，并隨用量的增加手感越來越好，這是因?yàn)榭椢锉砻嬗袡C(jī)硅引入的越多，柔軟度越好，手感越好[6]。同理，隨著用量的增加，纖維間摩擦系數(shù)下降，同時(shí)纖維表面覆蓋的二甲基硅氧烷鏈段具有良好的繞曲性和柔軟度，使得纖維剛度下降，纖維更加容易受力彎曲，這種效應(yīng)的宏觀體現(xiàn)是織物硬挺度和懸垂性均下降即柔軟性能提高。但是用量超過100 g/L之后，柔軟劑在織物上的分布基本達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)提高用量柔軟效果提高變得不明顯，同時(shí)還會引起織物手感變得油膩。

2.1.2 軋余率

選取自制柔軟劑，純棉機(jī)織物，整理劑用量為100 g/L，將織物放入整理液中，二浸二軋，45 ℃條件下浸漬，軋余率分別為65%、75%、85%、95%、105%，80 ℃預(yù)烘3 min，120 ℃條件下焙烘2 min,對比織物整理前后的折皺回復(fù)角、強(qiáng)力、白度、潤濕性、硬挺度、懸垂性的變化，結(jié)果如表2所示。

表1 柔軟劑用量對織物整理效果的影響

表2 軋余率對織物整理效果的影響

影響折皺回復(fù)性能與柔軟劑在織物表面的成膜性能和織物的柔軟性兩個(gè)因素有關(guān)，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可看出，在軋余率85%之前，折皺回復(fù)角呈現(xiàn)正增長，此時(shí)柔軟劑在織物表面的成膜覆蓋完整性變好，根據(jù)樹脂沉積理論，聚合物的膜有一定的彈性，使得織物回彈性變好，當(dāng)軋余率超過85%以后，柔軟劑的柔軟性開始占據(jù)優(yōu)勢，織物的硬挺度下降，使得回彈性變差。隨著軋余率的提高，織物強(qiáng)力呈現(xiàn)上升的趨勢，但是在軋余率超過85%增加幅度變小，原因是隨著軋余率的提高，織物上所攜帶的柔軟劑含量增大，形成的膜完整性逐漸增強(qiáng)，纖維間的平滑性也增大，纖維集合體中弱點(diǎn)減少，強(qiáng)力增加，當(dāng)達(dá)到一定用量之后，柔軟劑形成的薄膜已經(jīng)基本覆蓋在纖維表面，故而繼續(xù)增大軋余率對強(qiáng)力增加作用趨于平緩，繼續(xù)增大軋余率不能顯著增加效果，反而增加浪費(fèi)，所以從強(qiáng)力方面考慮，軋余率選擇85%為宜。

隨著軋余率的提高，織物白度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在85%處最大，但相對于空白樣均有提高；潤濕時(shí)間總體呈現(xiàn)上升的趨勢，但基本變化不大，均比空白樣高。這是因?yàn)檐堄嗦实奶岣呦喈?dāng)于織物上攜帶的柔軟劑含量的提高，有機(jī)硅的低折射率使得經(jīng)過上藍(lán)增白的織物表觀顏色深度變低，藍(lán)光加變得深濃，中和了織物本身的黃光，使得白度增加，但是含量超過一定值之后，柔軟劑鏈段中的胺類物質(zhì)的黃變性凸顯出來，故而白度又會下降。在潤濕性方面，隨著織物的柔軟劑提高，織物的拒水效果將變得越來越強(qiáng)，但由于有親水的聚醚鏈段存在，制約了拒水效應(yīng)，故而相對于空白樣品，親水性能差距不大。隨著軋余率的提高織物的手感逐漸提高，硬挺度逐漸下降，懸垂性逐漸下降，這些都是織物柔軟性的表示指標(biāo)，隨著軋余率的提高，織物所攜帶的柔軟劑含量也在增加，相當(dāng)于用量的增加，織物的手感越來越好，但是當(dāng)軋余率超過85%以后，各項(xiàng)柔軟和指標(biāo)變化趨于平緩，繼續(xù)增加軋余率對柔軟性能貢獻(xiàn)不大，且徒增浪費(fèi)，同時(shí)還會引起織物手感發(fā)膩，所以在柔軟性能方面，軋余率應(yīng)選擇85%為宜。

2.1.3 焙烘溫度

選取自制羥烷基硅油M=8 000，R=1.8，純棉機(jī)織物，整理劑用量為100g/L，將織物放入整理液中，二浸二軋，45 ℃條件下浸漬，軋余率為85%，80 ℃預(yù)烘3min，將織物分別在100、110、120、130和140 ℃條件下焙烘2min,對比織物整理前后的折皺回復(fù)角、強(qiáng)力、白度、潤濕性、織物柔軟性能的變化，結(jié)果如表3所示。

表3 烘焙溫度對織物整理效果的影響

從表3可看出，隨著焙烘溫度的提高，織物的折皺回復(fù)角基本呈現(xiàn)現(xiàn)增加的趨勢，在120 ℃以后增加變得不明顯，這是因?yàn)殡S著焙烘溫度升高，柔軟劑在織物表面逐漸成膜，由于聚氨酯硬鏈段的的影響，柔軟劑的膜有一定的彈性，且覆蓋在織物表面，使得織物的回彈性提高，同時(shí)溫度的升高，水分蒸發(fā)織物開始變硬，同時(shí)在焙烘溫度超過120 ℃后，折皺回復(fù)角變化不明顯，織物開始發(fā)硬，手感下降，所以焙烘溫度不宜超過120 ℃。隨著焙烘溫度升高，強(qiáng)力基本呈現(xiàn)下降的趨勢，并且在120～130 ℃有較大的下降，這是因?yàn)殡S著溫度的提高，織物受到的損傷逐漸增大，但同時(shí)柔軟劑的平滑效果使得織物中的紗線可相互滑動以共同抵抗外力作用，減輕應(yīng)力集中，這兩種效應(yīng)相互抵消，在120 ℃之前，溫度較低，強(qiáng)力損傷不明顯，故而下降較少，在120 ℃柔軟劑的成膜性能最佳，故而柔軟劑可均勻的分布在纖維之間，此時(shí)柔軟劑的平滑效應(yīng)可抵消一部分損傷，故而強(qiáng)力下降較少，當(dāng)溫度超過120 ℃以后，織物的強(qiáng)力損傷效應(yīng)變得很強(qiáng)，所以強(qiáng)力突然下降。從強(qiáng)力方面考慮，焙烘溫度不宜超過120 ℃。隨著焙烘溫度的提高，白度基本呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，潤濕時(shí)間基本不變，但是焙烘溫度超過120 ℃后，由于柔軟劑上有亞氨基等易黃變的基團(tuán)，在過高溫度條件將產(chǎn)生黃變使得織物白度下降。整理織物時(shí)，隨著預(yù)焙烘溫度的提高織物白度和柔軟效果都有所提高，但繼續(xù)升高則白度和柔軟性將下降。在焙烘溫度為120 ℃時(shí)，整理的織物白度和柔軟效果最佳。

2.1.4 焙烘時(shí)間

選取自制柔軟劑，純棉梭織物，整理劑用量為100g/L，將織物放入整理液中，二浸二軋，45 ℃條件下浸漬，軋余率為85%，80 ℃預(yù)烘3min，將織物在120 ℃條件下分別焙烘1、1.5、2、2.5和3min，對比織物整理前后的折皺回復(fù)角、強(qiáng)力、白度、潤濕性、織物柔軟性能的變化，結(jié)果如表4所示。

表4 烘焙時(shí)間對織物整理效果的影響

由表4可看出，隨著焙烘時(shí)間的延長織物的折皺回復(fù)角逐漸變大，當(dāng)焙烘時(shí)間超過2min后，變化變得不明顯，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長，柔軟劑逐漸在織物表面成膜，并且開始跟織物中的活性基團(tuán)如羥基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，一定程度上封閉了織物的羥基，使得織物的回彈性變好，當(dāng)焙烘時(shí)間超過一定時(shí)間之后，柔軟劑在織物表面成膜已基本完成，繼續(xù)增加焙烘時(shí)間將導(dǎo)致織物發(fā)黃變硬，所以從織物的抗皺性能方面，選擇焙烘時(shí)間為2min為最優(yōu)。適當(dāng)?shù)谋汉鏁r(shí)間可提高柔軟劑在織物表面的覆蓋情況，有助于平滑性提高，使織物在受到外界拉伸應(yīng)力的時(shí)候可以相互滑動以消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得織物拉斷強(qiáng)力增加，時(shí)間過長導(dǎo)致織物受高溫時(shí)間太長，織物損傷加大，熱失重加大，最終導(dǎo)致強(qiáng)力下降。隨著焙烘時(shí)間的延長織物的白度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)谋汉鏁r(shí)間可以提高柔軟劑在織物表面的成膜性質(zhì)，使得有機(jī)硅鏈段在織物表面充分鋪展，而有機(jī)硅的豐富的甲基有增深效果，對于采用過上藍(lán)增白的織物可以加深藍(lán)色光澤，從而更多的中和黃光，織物的白度提高，而當(dāng)焙烘時(shí)間超過一定值后，柔軟劑的胺類基團(tuán)將逐漸被氧化產(chǎn)生偶氮基等黃變基團(tuán)，使得織物的白度下降，所以從白度方面考慮，焙烘時(shí)間應(yīng)在2min左右。從潤濕性數(shù)據(jù)潤濕時(shí)間基本呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)谋汉嬗兄趲追N柔軟的有機(jī)硅鏈段在織物表面鋪展，使得更多的甲基朝向空氣，織物的親水性下降，而過長的高溫焙烘時(shí)間，將導(dǎo)致柔軟劑產(chǎn)生分解，有機(jī)硅鏈段脫離主鏈蜷縮成團(tuán)，造成親水性有提高，從潤濕性考慮，應(yīng)選擇焙烘時(shí)間為2min。

隨著焙烘時(shí)間的延長，織物的手感呈現(xiàn)先上升后下降，硬挺度和懸垂性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，這可以綜合理解為織物的柔軟性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，適當(dāng)?shù)谋汉鏁r(shí)間有利于柔軟劑在織物表面的鋪展，織物柔軟度提高，而過長的高溫焙烘將導(dǎo)致柔軟劑分解，造成柔軟度下降，所以從柔軟性能方面考慮應(yīng)選擇焙烘時(shí)間為2min。

2.2 聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑耐洗性

將經(jīng)過柔軟整理的織物進(jìn)行水洗實(shí)驗(yàn)，并在水洗后測試織物的手感，結(jié)果如表5所示。

表5 聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑耐洗性能

由表5數(shù)據(jù)可看出，5次水洗后手感變化不大，在經(jīng)過15次以上水洗后，織物上的柔軟劑薄膜開始脫落，手感下降但依然能保留3級以上的手感，經(jīng)過35次水洗后隨著脫落現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，柔軟性開始變差，但是總體還是能保證3級以上的手感。

2.3 自制柔軟劑與市售柔軟劑應(yīng)用性能對比

自制聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑與市售柔軟劑的應(yīng)用性能對比如表6所示。

表6 自制聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑與市售柔軟劑應(yīng)用性能對比

由表6可見，自制柔軟劑與市售柔軟劑相比，手感優(yōu)于市售柔軟劑半級左右，白度、強(qiáng)力都優(yōu)于市售柔軟劑，織物硬挺度較市售柔軟劑低，表明柔軟性好；折皺回復(fù)角相差不大，回彈性相當(dāng)；潤濕時(shí)間較市售柔軟劑短得多，說明潤濕性相對較好。市售柔軟劑采用了溶劑溶解聚合物，而自制柔軟劑則省去了溶劑的費(fèi)用，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，自制柔軟劑有明顯的優(yōu)勢，達(dá)到了柔軟效果，提高了整理后織物的白度和強(qiáng)力。因此，自制聚氨酯改性有機(jī)硅柔軟劑有很大的市場前景。

3 結(jié)論

合成的聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑的最佳應(yīng)用工藝為：柔軟劑用量100g/L、二浸二軋、軋余率85%、焙烘溫度120 ℃、焙烘時(shí)間2min。

自制聚氨酯有機(jī)硅柔軟劑產(chǎn)品可產(chǎn)生優(yōu)良的柔軟效果，同時(shí)保留了大部分織物的親水性能，乳液產(chǎn)品穩(wěn)定性優(yōu)良，還能賦予織物一定的彈性手感及一定程度上增加織物的拉斷強(qiáng)力，克服了傳統(tǒng)氨基硅油黃變的缺點(diǎn)，有優(yōu)良的耐洗性，是一款多功能的柔軟劑。

[1] 葉金興.有機(jī)硅柔軟劑的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].絲綢技術(shù)，1996，4(3)：34-35.

[2] 譚武紅.氨基硅柔軟劑的開發(fā)與應(yīng)用[J].紡織科學(xué)研究，1999，(2)：47-49.

[3] 丁 寧.新型氨基改性有機(jī)硅柔軟劑的合成及應(yīng)用[D].青島：山東科技大學(xué)，2009.

[4] 楊安明.有機(jī)硅改性親水聚酯整理劑的合成及性能研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.

[5] 安秋鳳.氨基硅整理劑的研究進(jìn)展[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000，(1):88-89.

[6] 陳榮圻.低黃變和親水性氨基聚硅氧烷的開發(fā)[J].有機(jī)硅材料，2006,20(3):138-143.

Application Process of Polyurethane Modified Silicone Softener

LI Yan-yan, MIN Xin, HE Jiang-ping

(Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

The soft finishing process of a homemade polyurethane silicone softener and the soft & crosslink formation mechanism on cotton fabric were studied. The results showed that the best finishing process was finishing agent (30% solids) dosage of 100 g/L, rolling over rate of 85%, curing temperature of 120 ℃, baking time of 2 min. Comparing with the homemade silicone softener and commercial softener, the conclusions were that the hand feeling of homemade softener was superior to commercial softeners about half a grade, and the whiteness, strength, wrinkle recovery angle and wettability were better than the commercially softener. At the same time, the finishing process of homemade softener saved the cost of self-softener solvent and reduced the cost for the enterprise.

polyurethane silicone; copolymers; softener; finishing process

2015-04-07

李艷艷(1990-)，女，陜西渭南人，在讀碩士研究生，主要從事有機(jī)硅柔軟劑的研究和應(yīng)用,E-mail:18309274056@163.com。

TS195.2

B

1673-0356(2015)04-0058-05