紫外光固化水性聚氨酯丙烯酸酯黏合劑的印花性能

楊 帆， 陳遠(yuǎn)輝， 顧晨成， 冒海燕， 王潮霞， 殷允杰

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

紫外光固化水性聚氨酯丙烯酸酯黏合劑的印花性能

楊 帆， 陳遠(yuǎn)輝， 顧晨成， 冒海燕， 王潮霞， 殷允杰

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

為研究UV光固化對(duì)涂料印花性能的影響，以異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)和聚乙二醇(PEG400)為主要原料合成了聚氨酯，用季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)作為封端劑，合成了聚氨酯丙烯酸酯(PUA)，運(yùn)用紅外光譜儀對(duì)合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。將PUA、單體和光引發(fā)劑混合，應(yīng)用到涂料印花中，通過紫外光照射對(duì)織物進(jìn)行固色?？疾炝烁鹘M分含量及紫外光照時(shí)間對(duì)印花織物牢度、K/S值、手感和印花圖案清晰度的影響。結(jié)果表明，采用25% PUA、6%單體、5%光引發(fā)劑，光固化60 s后，印花織物水洗牢度可達(dá)5級(jí)，干摩擦牢度可達(dá)4～5級(jí)，濕摩擦牢度可達(dá)3級(jí)，印花圖案清晰度優(yōu)良。

聚氨酯丙烯酸酯； 紫外光固化； 涂料印花； 清晰度

Abstract In order to study the effect of UV curing on the printing performance,polyurethane was synthesized from isophoronediisocyanate and polyethylene glycol as the main raw material, then the pentaerythritoltriacrylate was employed as blocking agent to synthesize polyurethane acrylate(PUA). The structure of PUA was analyzed by FT-IR. The PUA, monomer and photoinitiator were mixed and then applied in fixation of pigment printing under UV irradiation.The effects of component content and UV irradiation time on the printing fabric fastness,K/Svalue, hand feeling and the printed pattern definition were studied. It indicated that under the condition of 25% PUA, 6% monomer, 5% photoinitiator, and UV irradiation for 60 s, the washing fastness, and dry and wet rubbing fastness of printed fabric can reach 5 grade, 4-5 grade and 3 grade, respectively. The printing patterns also show excellent definition.

Keywords polyurethane acrylate； UV curable； pigment printing； definition

涂料印花主要是依靠黏合劑將顏料顆粒附著在纖維表面，固色后不用水洗，因此對(duì)環(huán)境污染相對(duì)小[1-2]。涂料印花適用性廣，約有50%以上的印花產(chǎn)品采用涂料印花[3-4]。涂料印花后織物需要經(jīng)過烘干、焙烘，這會(huì)帶來高的能源損耗[5-6]。將丙烯酸酯接枝到聚氨酯上，合成聚氨酯丙烯酸酯，并加入光引發(fā)劑，經(jīng)紫外光照射，可使聚氨酯丙烯酸酯分子末端的雙鍵發(fā)生自由基聚合[7-8]，交聯(lián)形成網(wǎng)狀膜。因此，將聚氨酯丙烯酸酯作為印花黏合劑，經(jīng)紫外光固化，可有效減少熱能的使用。

為了減少涂料印花固色過程中能源浪費(fèi)以及節(jié)省固色時(shí)間，本文采用異佛爾酮二異氰酸酯、聚乙二醇400、2,2-二羥甲基丙酸合成聚氨酯，然后用季戊四醇三丙烯酸酯封端，制備具有UV固化性能的水性聚氨酯丙烯酸酯黏合劑。通過加入單體三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、光引發(fā)劑等制得印花色漿，用于織物涂料印花。在室溫下用UV光照射完成固色過程，并研究各組分含量及紫外光照時(shí)間對(duì)織物的牢度、手感、K/S值和清晰度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，2,2-二羥甲基丙酸(阿拉丁試劑有限公司)；聚乙二醇400(PEG400)，二月桂酸二丁基錫(DBTDL)，丙酮，對(duì)苯二酚，三乙胺(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；季戊四醇三丙烯酸酯(PETA，薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司)；光引發(fā)劑1173(2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，廣州冠川貿(mào)易發(fā)展有限公司)；三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(江蘇三木化工股份有限公司)；酞菁藍(lán)15∶3(杭州信凱化工有限公司)；交聯(lián)劑SaC-100三羥甲基丙烷-三[3-(2-甲基氮丙啶基)丙酸酯](上海尤恩化工公司)；增稠劑DM-5263(聚丙烯酸，無錫惠山德美化工有限公司)。

1.2 聚氨酯丙烯酸酯的合成

首先在三口燒瓶中加入一定量的PEG400和IPDI及少量的催化劑DBTDL，根據(jù)體系黏度加入適量的丙酮，于60 ℃反應(yīng)1 h，再加入適量的2,2-二羥甲基丙酸，于70 ℃反應(yīng)1 h，然后加入適量的PETA和阻聚劑對(duì)苯二酚反應(yīng)4 h進(jìn)行封端，降溫至40 ℃，加入適量的三乙胺進(jìn)行中和反應(yīng)30 min，同時(shí)加入適量的去離子水乳化得到水性聚氨酯丙烯酸酯乳液，反應(yīng)式見圖1。

1.3 印花工藝

印花色漿配方：聚氨酯丙烯酸酯25%，光引發(fā)劑5%，單體6%，交聯(lián)劑2%，涂料4%，增稠劑4%，去離子水。印花工藝：按照配方調(diào)好印花色漿，對(duì)織物印花，室溫下干燥10 h，然后用RD-1履帶式光固化機(jī)固色60 s。在紫外光的照射下，光引發(fā)劑分子吸收光能，電子發(fā)生躍遷，分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。其中光引發(fā)劑分子中的羰基和相鄰碳原子間的共價(jià)鍵拉長(zhǎng)、弱化、斷裂，生成自由基。產(chǎn)生的活性自由基迅速引發(fā)丙烯酸酯基中不飽和雙鍵的聚合[9]，從而形成一個(gè)連續(xù)的高分子膜，將顏料顆粒固著，達(dá)到低溫快速固色的目的。UV固化印花機(jī)制如圖2所示。

1.4 產(chǎn)物紅外光譜測(cè)試

采用NICOLRT.is10型傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司)進(jìn)行紅外測(cè)試，波數(shù)為4 000～500 cm-1。

1.5 印花織物性能測(cè)試

耐摩擦牢度按GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測(cè)定。皂洗色牢度按GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》測(cè)定。手感測(cè)試采用KES-FB 2型織物風(fēng)格儀測(cè)定織物的彎曲性能。K/S值采用X-Rite 8400型電子測(cè)色配色儀(D65光源，10°視角)測(cè)定。

1.6 織物印花清晰度測(cè)試

選取印花圖案中五角星位置相同的1個(gè)角，用XYMRT數(shù)碼顯微鏡放大100倍觀察印花圖案的邊緣輪廓的完整性。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯丙烯酸酯紅外光譜

將合成的聚氨酯丙烯酸酯于40 ℃烘干，并將樣品均勻涂抹在紅外光譜儀的ATR附件測(cè)試點(diǎn)測(cè)試，紅外光譜結(jié)果如圖3所示。

2.2 印花色漿組分對(duì)織物印花牢度影響

按印花色漿配方，改變某一組分含量，固定其他組分含量不變，研究黏合劑、單體、光引發(fā)劑含量對(duì)織物印花牢度的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 印花色漿組分對(duì)織物牢度影響

從表1可以看出，隨著各組分用量的增加，織物水洗牢度逐漸提高至5級(jí)，說明織物的水洗牢度較好。摩擦牢度則隨著黏合劑用量的增加而增大，這是因?yàn)轲ず蟿┰黾?，形成更多連續(xù)薄膜，將更多的顏料顆粒固著在織物上。當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過25%時(shí)，印花織物的摩擦牢度不再發(fā)生改變，說明25%的黏合劑用量就可使涂料固著完全。隨著單體用量的增加，印花織物的摩擦牢度提高，原因是單體中含有多個(gè)丙烯酸酯基團(tuán)，可以與黏合劑中的丙烯酸酯基團(tuán)聚合，提高聚氨酯丙烯酸酯的聚合效率和速率，使黏合劑成膜更加完全，促使顏料顆粒固著更加牢固。隨著光引發(fā)劑的加入，織物摩擦牢度得到明顯的提升，當(dāng)光引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%時(shí)，織物的牢度不再改變，原因是在紫外光照射下，增加光引發(fā)劑可以更有效地加快聚氨酯丙烯酸酯中雙鍵發(fā)生自由基聚合速率，促進(jìn)顏料顆粒完全固著在織物上。

2.3 紫外固化時(shí)間對(duì)織物牢度的影響

將配制好的色漿在織物上印花，然后在紫外光下固化不同的時(shí)間，探究紫外固化時(shí)間對(duì)織物印花牢度的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 紫外光固化時(shí)間對(duì)織物牢度的影響

從表2可看出，隨著紫外光固化時(shí)間的增加，印花織物的摩擦牢度增大。原因是經(jīng)紫外光照射聚氨酯丙烯酸酯固化，隨著光固化時(shí)間的增加，黏合劑交聯(lián)程度增大，可以有效阻止顏料粒子的脫落，從而提高牢度。而在光照60 s后，印花織物中的聚氨酯丙烯酸酯聚合反應(yīng)趨于完全，所以牢度不再發(fā)生變化。結(jié)果表明在室溫條件下UV光照射較短時(shí)間就可使印花織物有很好的牢度。

2.4 織物手感

涂料印花是在織物表面形成高分子薄膜將涂料固著，因此色漿組分及工藝條件對(duì)織物手感影響較大。通過測(cè)試織物的彎曲剛度和彎曲滯后矩，比較不同因素對(duì)印花織物手感的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同因素對(duì)織物手感的影響

從表3可看出，隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，印花織物手感變差。經(jīng)UV光固化后，黏合劑雙鍵發(fā)生自由基聚合，形成一層很薄的高分子膜。因此黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，固化后形成的分子膜越厚，故其手感變差。而隨著單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物手感變好，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4%后，變化并不明顯。原因是單體可促進(jìn)黏合劑之間的交聯(lián)，改善印花織物的手感，但由于單體對(duì)人體有一定的刺激性，故單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過多[10-11]。

隨著光照時(shí)間的增加，聚氨酯丙烯酸酯黏合劑雙鍵的交聯(lián)程度增加，固化更加完全，形成高分子聚合物的數(shù)量增多，從而造成印花織物手感變差。而當(dāng)紫外光固化時(shí)間超過60 s后，織物手感較好，原因是紫外光對(duì)織物有一定的損傷，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間紫外光照射，織物的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致織物彎曲剛度和彎曲滯后矩減小[12]。

2.5 織物K/S值

圖4示出黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)K/S值的影響?？梢钥闯?，K/S值并沒有隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。這是因?yàn)楹铣傻木郯滨ケ┧狨ヰず蟿┳陨矸狐S，固色后黏合劑對(duì)顏料顏色強(qiáng)度有較大的影響。而隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，對(duì)印花織物顏色強(qiáng)度影響程度變大。黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，其自身顏色對(duì)印花織物K/S值的影響程度要大于顏料附著量增加所帶來的影響，因此印花織物的K/S值隨黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。

2.6 印花圖案清晰度

印花圖案的清晰度與印花色漿的流變性有關(guān)，黏合劑和單體為色漿的主要組分，故研究黏合劑和單體用量對(duì)織物印花清晰度的影響，結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，印花圖案的清晰度增加。原因是聚氨酯丙烯酸酯為假塑形流體，隨著其用量的增加，體系黏度變大，更容易制得精致的圖案。而隨著單體的加入，印花圖案的清晰度略有提高，原因是單體的黏度大于水的黏度，增加單體用量，使得體系黏度變大，從而得到清晰度更高的圖案。

3 結(jié) 論

以異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚乙二醇400(PEG400)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)等原料成功合成了具有紫外光固化性能的聚氨酯丙烯酸酯。將其作為涂料印花黏合劑，配以5%光引發(fā)劑，6%單體，經(jīng)紫外光輻射60 s，得到性能優(yōu)良的印花織物。印花織物的水洗牢度可達(dá)5級(jí)，干摩擦牢度可達(dá)4～5級(jí)，且印花圖案清晰細(xì)致，但濕摩擦牢度僅為3級(jí)。合成的黏合劑經(jīng)UV光輻射較短時(shí)間即可完成固色，摒棄了傳統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間高溫焙烘，縮短了固色時(shí)間，減少了能源損耗，達(dá)到高效節(jié)能的目的。

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Printing performance of UV curable waterborne polyurethane acrylate adhesive

YANG Fan, CHEN Yuanhui, GU Chencheng, MAO Haiyan, WANG Chaoxia, YIN Yunjie

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

10.13475/j.fzxb.20150101505

2015-01-07

2015-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21174055)

楊帆(1990—),男,碩士生。研究方向?yàn)樾滦图徔椈瘜W(xué)品。王潮霞,通信作者，E-mail：wchaoxia@sohu.com。

TS 194.4

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