UV光固化樹脂用于PET無(wú)紡布的親水改性研究

周雪蕾 沈錦玉 李玖明 朱海霖 郭玉海

摘 要：為了在不破壞PET無(wú)紡布結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)其進(jìn)行親水改性，本文采用丙烯酸樹脂為預(yù)聚物，甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）為親水單體，1-羥基環(huán)己基苯甲酮（184）為光引發(fā)劑，乙酸乙酯為溶劑，通過(guò)UV光引發(fā)自由基聚合法進(jìn)行滌綸（PET）無(wú)紡布的親水改性。結(jié)果表明，當(dāng)丙烯酸樹脂與HEMA固含量為總量的10%，丙烯酸樹脂與HEMA的質(zhì)量比為1∶1，184質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，PET無(wú)紡布的純水通量為37 928 kg/m2/h，接觸角為58.26°時(shí)為UV固化親水改性最優(yōu)配比。掃描電鏡（SEM）顯示親水改性劑牢固地包覆在PET纖維表面，改性后PET無(wú)紡布的孔隙率降低。經(jīng)丙烯酸樹脂和HEMA改性后的PET無(wú)紡布親水持久性和對(duì)沙土混合廢水的過(guò)濾性能較好。

關(guān)鍵詞：滌綸無(wú)紡布；紫外光固化；親水改性

中圖分類號(hào)：TQ637.83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）03-0040-05

Hydrophilic Modification of PET Non-woven Fabrics by UV Light-cured Epoxy

ZHOU Xuelei1， SHEN Jinyu2， LI Jiuming3， ZHU Hailin1， GUO Yuhai1

（1.Key Laboratory of Fiber Materials and Processing Technology， Zhejiang Sci-Tech University，

Hangzhou， 310018； 2.National Textiles and Garment Quality Supervision

Inspection Center （Zhejiang Tongxiang）， Zhejiang， Tongxiang， 314500；

3.Hangzhou Tianshan Precision Filter Material Co.，Ltd，310018）

Abstract：In order to carry out hydrophilic modification of PET non-woven fabric without the damage to the structure of PET non-woven fabric， hydrophilic modification of PET non-woven fabric was implemented with UV light-initiated free radical polymerization by using acrylic resin as the prepolymer， HEMA as the hydrophilic monomer， Irgacure184 as the light initiation agent and ethyl acetate as the solvent. The results show that the optimal process conditions are as follows： mass fraction of acrylic resin and HEMA 10%， mass ratio of acrylic resin and HEMA 1∶1， mass fraction of Irgacure184 2%， pure water flux of the PET non-woven fabric 37 928 kg/m2/h， and contact angle 58.26°. SEM image shows that the hydrophilic modifier is firmly coated on the surface of PET fiber； the porosity rate of PET non-woven fabric decreases after the modification； PET non-woven fabric modified by acrylic resin and HEMA has good hydrophilic persistence and filtering property for mixed sand and soil wastewater.

Key words：PET non-woven fabric； UV light curing； hydrophilic modification

滌綸（PET）無(wú)紡布具有成本低、重量輕、耐腐蝕、力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為一種分離材料和基布材料，已得到廣泛的應(yīng)用[1]。然而由于PET纖維的疏水性強(qiáng)，表面張力較低，限制了其在水處理方面的應(yīng)用，因此需對(duì)其進(jìn)行親水改性。PET無(wú)紡布常用的改性方法有原絲改性[2-3]、化學(xué)接枝改性[4-5]、化學(xué)形態(tài)結(jié)構(gòu)改性[6-7]、吸水整理劑的物理吸附[8-9]等，但這些方法存在破壞PET無(wú)紡布結(jié)構(gòu)和親水持久性差等缺點(diǎn)。

根據(jù)PET無(wú)紡布的高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出采用UV光引發(fā)丙烯酸樹脂和親水型單體甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）進(jìn)行自由基聚合并交聯(lián)，在PET無(wú)紡布纖維表面包覆一層親水性良好的聚合物涂層，在不破壞PET無(wú)紡布結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)其進(jìn)行親水改性，原理示意圖如圖1所示。本文研究了丙烯酸樹脂、HEMA和1-羥基環(huán)己基苯甲酮（184）對(duì)PET無(wú)紡布親水性能和結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材 料

PET無(wú)紡布（厚度6 mm，平方米質(zhì)量80 g/m2，佳聯(lián)達(dá)無(wú)紡布有限公司），丙烯酸樹脂和Irgacure184（南京嘉中化工科技有限公司），HEMA（上海光易化工有限公司），乙酸乙酯和無(wú)水乙醇（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）。

1.2 親水PET無(wú)紡布的制備

將PET無(wú)紡布浸漬于無(wú)水乙醇去除雜質(zhì)，在60 ℃下烘干冷卻備用。將丙烯酸樹脂、HEMA、光引發(fā)劑184和乙酸乙酯按常規(guī)配比混合，丙烯酸樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，HEMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，光引發(fā)劑184質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，乙酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)47%。在轉(zhuǎn)速為800 r/min條件下攪拌1 min，形成親水改性溶液。將PET無(wú)紡布浸漬于此親水改性溶液中5 min，取出，60 ℃下烘干，在UV燈（波長(zhǎng)200～450 nm，功率4 kW）下反應(yīng)交聯(lián)固化，反應(yīng)時(shí)間為20 s，制得親水改性的PET無(wú)紡布。

1.3 測(cè)試及表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM，EVO MA 25，德國(guó)卡爾蔡司公司）觀察PET無(wú)紡布的表面微觀形貌；采用傅里葉紅外光譜儀（FTIR，NICOLE5700，美國(guó)Thermo公司）測(cè)試PET無(wú)紡布改性前后的官能團(tuán)信息；采用AutoPore9500型壓汞儀（麥克默瑞提克上海儀器有限公司）測(cè)試PET無(wú)紡布的孔隙率；采用K100全自動(dòng)表面張力儀（德國(guó)克呂氏公司）測(cè)試PET無(wú)紡布的靜態(tài)水接觸角，平行測(cè)定3次，取平均值。

1.4 純水通量和親水持久性測(cè)試

采用自制的錯(cuò)流微濾裝置（圖2）測(cè)試PET無(wú)紡布的純水通量。將無(wú)紡布置于錯(cuò)流裝置中，控制壓差盡量小，按式（1）計(jì)算純水通量。將PET無(wú)紡布在錯(cuò)流微濾裝置中連續(xù)沖洗10 h，每間隔2 h后放入烘箱烘干，測(cè)試純水通量，用于評(píng)價(jià)無(wú)紡布的親水持久性。

Jw=VA·t（1）

式中：Jw為滲透通量，kg/m2/h；V為透過(guò)液體積，L；A為復(fù)合膜有效面積，m2；t為過(guò)濾時(shí)間，h。

1.5 過(guò)濾性能測(cè)試

利用錯(cuò)流微濾裝置（圖2）測(cè)試膜的過(guò)濾性能。將改性無(wú)紡布置于裝置上，過(guò)濾沙土混和廢水，控制壓差為10 kPa。利用濁度儀（WGZ-4000，上海昕瑞儀器儀表有限公司）測(cè)定過(guò)濾前后的濁度。濁度去除率的計(jì)算如式（2）所示：

濁度去除率/%=T-T0T×100（2）

式中：T0為濾液濁度，NTU；T為廢水濁度，NTU。

2 結(jié)果與討論

2.1 PET無(wú)紡布親水改性條件優(yōu)化

2.1.1 丙烯酸樹脂和HEMA的固含量對(duì)PET

無(wú)紡布表面接觸角和純水通量的影響

丙烯酸樹脂和HEMA的固含量對(duì)PET無(wú)紡布表面接觸角和純水通量的影響如圖3所示，對(duì)孔隙率的影響如表1所示。由圖3可知，恒定丙烯酸樹脂與HEMA的質(zhì)量比為1∶4，光引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，隨著丙烯酸樹脂和HEMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，無(wú)紡布表面接觸角減??；當(dāng)固含量為10%時(shí)，表面接觸角下降至61.38°，之后趨于穩(wěn)定。純水通量則隨著丙烯酸樹脂和HEMA固含量的增加先增大后減小。這是因?yàn)楸┧針渲虷EMA聚合交聯(lián)形成親水膜，包覆在PET纖維表面，形成親水層，導(dǎo)致無(wú)紡布的表面接觸角降低，純水通量增大，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，親水包覆層較厚，堵塞PET無(wú)紡布的孔隙，使得孔隙率下降（表1），因此純水通量有所降低。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)中丙烯酸樹脂和HEMA最佳總固含量為10%。

2.1.2 丙烯酸樹脂和HEMA的比例對(duì)PET無(wú)紡

布表面接觸角和純水通量的影響

圖4為丙烯酸樹脂和HEMA的比例對(duì)PET無(wú)紡布的表面接觸角和純水通量的影響。如圖4所示，恒定丙烯酸樹脂和HEMA的固含量為10%，光引發(fā)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是3%，隨著HEMA的比例增大，無(wú)紡布表面接觸角減?。划?dāng)樹脂和單體的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，表面接觸角趨于穩(wěn)定，純水通量則一直增大。這是因?yàn)榧儽┧針渲H水性較差，而HEMA分子中有羥基，親水性好，因此隨著HEMA比例的增大，表面接觸角降低，純水通量增大。

圖5為丙烯酸樹脂和HEMA的比例對(duì)無(wú)紡布親水持久性的影響。由圖5可知，當(dāng)采用丙烯酸樹脂和HEMA的質(zhì)量比為1∶4和1∶8的改性體系和純HEMA改性體系時(shí)，PET無(wú)紡布的純水通量隨著沖洗時(shí)間的增加而明顯下降。這是因?yàn)镠EMA是單官能團(tuán)單體，聚合后形成的線性分子與PET纖維結(jié)合牢度差，連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間沖洗，附著在PET纖維表面的HEMA聚合物脫落導(dǎo)致純水通量減小。而丙烯酸樹脂是三官能團(tuán)預(yù)聚體，與HEMA聚合形成三維體型交聯(lián)產(chǎn)物，牢固地包覆在PET纖維表面，不易脫落。因此當(dāng)丙烯酸樹脂和HEMA的質(zhì)量比是1∶1時(shí)，聚合后的親水劑與PET纖維結(jié)合牢固，親水持久穩(wěn)定。

2.1.3 光引發(fā)劑184質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PET無(wú)紡布表面

接觸角和純水通量的影響

圖6是光引發(fā)劑184的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PET無(wú)紡布表面接觸角和純水通量的影響。如圖6可知，恒定丙烯酸樹脂與HEMA固含量為10%，質(zhì)量比為1∶1時(shí)，隨著184質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，無(wú)紡布純水通量先增大后減小，表面接觸角先減小后增大。這是 因?yàn)楫?dāng)184質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，溶液中自由基密度增大，引發(fā)聚合的鏈增多，從而使改性無(wú)紡布表面引入大量親水基團(tuán)，表面接觸角降低，純水通量增大；但當(dāng)184的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高時(shí)，由于溶液中的自由基過(guò)多，易發(fā)生鏈終止，親水基團(tuán)減少而導(dǎo)致無(wú)紡布親水性變差，純水通量降低。

2.2 UV固化親水改性對(duì)PET無(wú)紡布結(jié)構(gòu)的影響

圖7為PET無(wú)紡布親水改性前后的SEM圖。由圖7可知，未改性的PET無(wú)紡布圖7（a）是原纖粘結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)，表面纖維排列松散，孔隙率高；親水改性后的無(wú)紡布圖7（b）纖維變粗，結(jié)點(diǎn)變大，涂膜牢固地附著在無(wú)紡布表層圖7（c）。圖8為PET無(wú)紡布親水改性前后的ATR-IR圖。HEMA（圖8c）在1 638 cm-1處出現(xiàn)CC鍵的伸縮振動(dòng)峰，但在改性無(wú)紡布上（圖8b）未發(fā)現(xiàn)明顯的CC鍵伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明HEMA已聚合固定在PET無(wú)紡布表面[10]，提高了無(wú)紡布的親水性。

2.3 沙土混合廢水的過(guò)濾測(cè)試

圖9為沙土混合廢水的過(guò)濾通量和濁度去除率。由圖9可知，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，PET無(wú)紡布對(duì)沙土混合廢水的過(guò)濾通量和濁度去除率始終保持穩(wěn)定，說(shuō)明UV固化親水改性使PET無(wú)紡布能保持良好的親水性和過(guò)濾性能。

3 結(jié) 論

采用丙烯酸樹脂為預(yù)聚物，HEMA為親水單體，184為光引發(fā)劑，乙酸乙酯為溶劑，通過(guò)UV光引發(fā)自由基聚合法進(jìn)行滌綸（PET）無(wú)紡布的親水改性，得出UV固化親水改性最優(yōu)配方：丙烯酸樹脂與HEMA固含量為10%，丙烯酸樹脂與HEMA的質(zhì)量比為1∶1，184質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，PET無(wú)紡布的純水通量為37 928 kg/m2/h，接觸角為58.26°。SEM照片顯示，丙烯酸樹脂和HEMA聚合形成的涂層牢固地附著在PET無(wú)紡布表面，無(wú)紡布的孔隙率有所減小。改性無(wú)紡布的親水持久性和對(duì)沙土混合廢水的過(guò)濾性能較好，連續(xù)過(guò)濾12 h后，過(guò)濾通量和濁度去除率基本保持穩(wěn)定。

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