硅溶膠的制備及在棉織物上的應(yīng)用研究

周文雅,施亦東

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川成都 610065)

硅溶膠的制備及在棉織物上的應(yīng)用研究

周文雅,施亦東

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川成都 610065)

利用聚合溶膠法制備酸性硅溶膠并對棉織物進(jìn)行拒水整理。通過添加ETES可以提高棉織物的接觸角和水洗牢度。TEOS:ETES為1:0.06時牢度最好。硅溶膠處理后織物白度略有下降，斷裂強(qiáng)度增大，柔軟度稍有下降。通過均勻?qū)嶒瀮?yōu)化的工藝參數(shù)是：TEOS：乙醇：水的物質(zhì)的量比為1:9：8，pH=3,3h，45℃。整理后棉織物上的接觸角理論值為160.7，實(shí)際為137.24。

硅溶膠 棉織物 拒水整理

基于荷葉的“自清潔”效應(yīng)[1]受到人們的廣泛關(guān)注，而傳統(tǒng)的紡織品拒水整理主要采用低表面能物質(zhì)整理紡織品達(dá)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積性[2],對生態(tài)存在危害[3],價格也昂貴。目前，采用改性納米SiO2溶膠在棉織物表面構(gòu)筑粗糙結(jié)構(gòu)進(jìn)行拒水整理是研究的熱點(diǎn)。

制備納米SiO2的方法有沉淀法、溶膠—凝膠法、微乳液法、真空冷凝法等[4-6]，其中溶膠—凝膠法制備過程容易控制，獲得的粒子均勻。本文以正硅酸乙酯(TEOS)為前驅(qū)體，乙醇和水為溶劑制備硅溶膠預(yù)縮體，并對棉織物進(jìn)行拒水整理，并通過添加乙烯基三乙氧基硅烷(ETES)提高其拒水效果和耐洗性。

1 實(shí)驗

1.1 原料與儀器

藥品：純棉平紋布(32s×32s，68×68)，正硅酸乙酯(分析純)，無水乙醇(分析純)，鹽酸(分析純)，乙烯基三乙氧基硅烷(工業(yè)級)。

儀器：SBDY—1數(shù)顯白度儀(上海悅豐儀器儀表有限公司)，YG065型電子織物強(qiáng)力試驗儀(萊州元茂儀器有限公司)，DCA 20/6光學(xué)接觸角測量儀(Cermany by dotaphysics instruments GmbH)

1.2 硅溶膠預(yù)縮體的制備

在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器上的三口瓶內(nèi)加入TEOS、乙醇和水與一定量的ETES后，讓藥品先均勻混合，再加入適量的鹽酸調(diào)節(jié)pH值，混合均勻后，在45℃溫度反應(yīng)3小時即可。

1.3 棉織物的整理

將預(yù)處理好的棉織物浸軋硅溶膠預(yù)縮體，二浸二軋(軋液率60%～70%)，預(yù)烘(100 ℃，3 min)，焙烘(120 ℃，1 min)；然后水洗在100℃的條件下烘干。

1.4 測試

1.4.1 接觸角測試

在DCA 20/6光學(xué)接觸角測量儀測量10個接觸角數(shù)據(jù)，算出平均值。

1.4.2 白度測試

將未經(jīng)過處理和處理過的棉布樣品在SBDY—1數(shù)顯白度儀上測量白度。

1.4.3 柔軟度的測量

將未經(jīng)過處理和處理過的棉布樣品在LLY—01B電子硬挺度儀測量柔軟度。

1.4.4 強(qiáng)力測試

將試樣分別沿經(jīng)向和緯向修成 35 mm×5 mm 的長方形布條，經(jīng)向取3條，緯向取5條,用YG065型電子織物強(qiáng)力試驗儀對織物進(jìn)行強(qiáng)力測試，,取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅溶膠制備的pH值

正硅酸乙酯的水解是一個復(fù)雜的過程，根據(jù)余錫賓等的研究(余錫賓，吳虹正.硅酸乙酯的水解、縮合過程研究，無機(jī)材料學(xué)報，1996(4)：703-707)，TEOS在酸性條件下是先水解再縮合，在堿性條件下是水解縮合同時進(jìn)行。因此，制備初縮體時，溶液的pH對溶膠的水解和縮合影響較大，酸性大有利于水解而不利于縮合，酸性小溶膠邊水解邊縮合，不便于工藝控制，為此需選擇一個恰當(dāng)?shù)膒H條件，試驗結(jié)果見表1。

表1 pH值對硅溶膠形成的影響

由表1可知，當(dāng)pH值為1、2、3、4時溶膠不易發(fā)生凝膠，在織物上表現(xiàn)出拒水效果，說明此時TEOS發(fā)生了充分水解。但是，pH值過低會使棉布在焙烘時泛黃受損。pH值為4時棉布的拒水效果較差，可能與水解不充分，而凝膠過快。pH值為3的棉布樣品在焙烘后白度變化不大，且拒水效果良好。因此，制備硅溶膠預(yù)縮體的pH確定為3。

2.2 TEOS溶膠的制備工藝優(yōu)化

除了pH值是制備硅溶膠的重要因素之外，醇、水的用量，溫度和時間都對溶膠的質(zhì)量和最終的應(yīng)用效果有影響。本文采用均勻設(shè)計方法，在pH為3的條件下，對幾個主要因素：TEOS，乙醇和水的用量，制備的溫度和時間進(jìn)行了試驗，并測試了溶膠預(yù)縮體用于棉織物整理后的接觸角。表2即為均勻試驗設(shè)計方案及結(jié)果。

對表2的結(jié)果采用非線性回歸方法分析，得到回歸方程(1)。

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

其復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.999，表明各因素具有很好的相關(guān)性。根據(jù)建立的回歸方程，進(jìn)行非線性規(guī)劃求解，得出在實(shí)驗范圍內(nèi)的最佳工藝參數(shù)為：TEOS為0.1mol，乙醇為0.9mol，水為0.8mol，反應(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時間為3小時，理論接觸角可以達(dá)到160.7。按此優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行試驗，接觸角實(shí)際值為137.24，小于理論值。其原因可能是pH值不好控制對體系有較大影響。

表2 均勻試驗設(shè)計方案及結(jié)果

2.3 添加偶聯(lián)劑的影響

由于硅溶膠和棉纖維是靠水解生成的硅溶膠的-OR鍵和纖維素的-OH反應(yīng)結(jié)合在一起的，其鍵結(jié)合不是十分牢固，為了提高其水洗牢度。采用前面的優(yōu)化參數(shù)，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時與硅溶膠和纖維素大分子反應(yīng)，可使在纖維表面形成的硅溶膠膜的牢度有所提高。結(jié)果見表3。表中百分比為整理織物洗滌前后接觸角變化的百分值。計算公式(2)：

接觸角變化的百分值=

表3 硅溶膠添加ETES對接觸角的影響

由表4可以看出用加入ETES的硅溶膠處理的棉織物的接觸角都增大。當(dāng)TEOS和ETES的物質(zhì)的量比為1:0.06時，洗滌前后接觸角變化最小。4號接觸角小于5號，但4號耐洗牢度較好。綜上所述TEOS和ETES的物質(zhì)的量比為1:0.06和1：0.08都是比較好的效果，

2.4 硅溶膠處理對棉織物白度的影響

由表4可得棉織物在硅溶膠處理后其白度略有下降，但此變化是肉眼幾乎看不出。下降原因是制備的硅溶膠是酸性的，而棉織物的特點(diǎn)又是耐堿不耐酸，在酸性條件下棉織物會受到破壞。因此在焙烘時棉織物在酸性條件下容易發(fā)黃。

表4 硅溶膠對棉織物白度的影響

2.4 硅溶膠處理對棉織物斷裂強(qiáng)力的影響

由表5可得，棉織物經(jīng)向和緯向處理過的棉織物比沒處理的棉織物的斷裂強(qiáng)度要大。原本在酸性條件下棉織物會受到破壞，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度下降。但是由于水解生成的硅溶膠的-OR鍵和纖維素的-OH結(jié)合在一起在棉纖維表面形成了網(wǎng)狀的連接使棉纖維的斷裂強(qiáng)度變大。使得酸對棉纖維的斷裂強(qiáng)度損傷小于硅溶膠對于棉纖維斷裂強(qiáng)度的增大。

表5 硅溶膠對斷裂強(qiáng)力的影響

2.5 硅溶膠處理對棉織物柔軟度的影響

由表6可得用硅溶膠處理過的棉織物無論是經(jīng)向還是緯向都比沒有經(jīng)過硅溶膠處理的棉織物的經(jīng)緯向伸出長度都要長一些，手感差一些。其原因是因為硅溶膠和棉織物是靠水解生成的硅溶膠的-OR鍵和纖維素的-OH反應(yīng)在纖維表面形成網(wǎng)狀膠連在一起，使織物的柔軟度變差，從而使織物的手感變差。

表6 硅溶膠對柔軟度的影響

3 結(jié)論

經(jīng)過硅溶膠處理過的棉織物具有拒水效果，添加ETES可以提高硅溶膠對棉織物的接觸角和水洗牢度。TEOS和ETES為1:0.06時牢度最好，接觸角在水洗前后變化率為0.18%。硅溶膠處理后織物白度略有下降，斷裂強(qiáng)度增大，柔軟度稍有下降。

通過均勻?qū)嶒灪突貧w方程的建立，得到用于棉織物拒水整理硅溶膠制備制的優(yōu)化工藝參數(shù)是：正硅酸乙酯：乙醇：水的物質(zhì)的量比為1:9：8，pH值為3，反應(yīng)時間3小時，反應(yīng)溫度45℃。整理后棉織物上的接觸角理論值為160.7，實(shí)際為137.24。

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2016-08-31

周文雅(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：生態(tài)紡織品。

施亦東(1963-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師。

TS195.5

A

1008-5580(2017)01-0137-04