咪唑類離子液體對(duì)滌綸的堿減量加工

曹機(jī)良 孟春麗 曹毅 閆凱 李元青

摘要： 采用溴化1-十四烷基，3-甲基咪唑（1-14）、溴化1-十四烷基，3-己烷基咪唑（6-14）、溴化1-十四烷基，3-癸烷基咪唑（10-14）三只離子液體作為滌綸織物的堿減量促進(jìn)劑，研究了氫氧化鈉和促進(jìn)劑用量，以及堿減量溫度、時(shí)間等因素對(duì)滌綸織物堿減量的影響，并與常規(guī)堿減量促進(jìn)劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）比較，測試了堿減量滌綸織物的減量率。結(jié)果得出：咪唑類離子液體可用于滌綸織物堿減量加工促進(jìn)劑，并可有效提高堿減量加工效率，提高堿劑利用率；降低工藝中堿劑的用量，可通過控制工藝溫度與保溫時(shí)間來改變織物的減量率；試驗(yàn)得出促進(jìn)劑對(duì)滌綸堿減量促進(jìn)效果為10-14>CTAB>6-14>1-14，其中咪唑類離子液體促進(jìn)劑的促進(jìn)效果與促進(jìn)劑分子中碳鏈長度呈現(xiàn)正相關(guān)。

關(guān)鍵詞： 滌綸；烷基咪唑；離子液體；堿減量；水解

中圖分類號(hào)： TS195.523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2017）12-0021-05

Abstract： Three ionic liquids （1-14 alkyl bromide，3-methylimidazole （short as 1-14），1-14 alkyl bromide，3-hexane imidazole （short as 6-14），1-14 alkyl bromide，3-decane imidazole （short as 10-14）） were applied as the accelerants for alkali deweighting of polyester fabrics to study the effects of the dosage of sodium hydroxide and accelerants as well as the temperature and time of alkali deweighting on alkali deweighting of polyester fabrics were analyzed， and the results were compared with the results of conventional alkali deweighing accelerator sixteen alkyl methyl bromide （CTAB）. Meanwhile， the deweighting rate of polyester fabrics was tested. The results show that imidazolium ionic liquid can be used as alkali deweighting accelerant of polyester fabrics， and can effectively improve the processing efficiency of alkali deweighting， enhance the utilization rate of alkali agent and reduce the dosage of alkali agent. By controlling the temperature and time， the deweighting rate of the fabric can be changed. The results show that the promotion effect of accelerants on alkali deweighting of polyester fiber is as follows：10-14>CTAB>6-14>1-14. The promotion effect of imidazole ionic liquid accelerant is positively correlated with the length of carbon chain in the accelerant molecule.

Key words： polyester fabrics； alkylimidazole； ionic liquid； alkali deweighting； hydrolysis

滌綸纖維的堿減量過程是聚酯大分子鏈在堿劑中的多相水解過程，在堿劑作用下最終水解生成對(duì)苯二甲酸鈉及乙二醇[1-2]。滌綸纖維經(jīng)堿減量處理之后可改善合成纖維自身的缺陷，獲得手感柔軟、光澤柔和，以及具有較好的懸垂性、保水性，滑爽而富有彈性，使之具有真絲綢的效果[3]。滌綸堿減量工藝加工過程中，單一使用氫氧化鈉條件下，氫氧化鈉的消耗量較大、利用率低，容易造成生產(chǎn)浪費(fèi)，且生產(chǎn)排放廢液中過高的堿劑含量使得廢水處理較為繁瑣，無疑將增加企業(yè)生產(chǎn)成本[4-6]。因此，尋找一種滌綸纖維堿減量加工促進(jìn)劑，以提高堿劑利用效率，降低工藝中堿劑用量，成為一個(gè)研究方向。離子液體屬于復(fù)合型離子表面活性劑，是一種新型的溶劑，具有親水親油的特性，且物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，可回收再利用。在紡織印染行業(yè)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的低碳環(huán)保與節(jié)能減排。季銨鹽類離子液體促進(jìn)劑屬于陽離子型表面活性劑，被廣泛應(yīng)用于滌綸堿減量工藝研究[7-9]，在溶液中，由其雙親特性會(huì)吸附于纖維表面，同時(shí)促使堿劑中電離的OH-離子富集于纖維表層，促使OH-離子與滌綸纖維酯鍵的水解反應(yīng)，從而提高滌綸堿減量效果[10-11]。

本試驗(yàn)將溴化1-十四烷基，3-甲基咪唑（1-14）、溴化1-十四烷基，3-己烷咪唑（6-14）、溴化1-十四烷基，3-癸烷咪唑（10-14）及CTAB作為滌綸織物的堿減量促進(jìn)劑，通過探究滌綸堿減量工藝加工的影響因素，分析離子液體在滌綸堿減量加工過程中的促進(jìn)效果，從而得出咪唑類離子液體用于滌綸堿減量的可能性。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

織物：滌塔夫（市售，210T）。

試劑：氫氧化鈉（分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）；十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；不對(duì)稱烷基咪唑類離子液體：1-14、6-14、10-14（自制）。試驗(yàn)所用堿減量促進(jìn)劑結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

儀器：HD026H型織物強(qiáng)力機(jī)（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），Quanta 250型掃描電子顯微鏡（捷克FEI公司）。

1.2 堿減量工藝

氫氧化鈉xg/L，堿減量促進(jìn)劑ymol/L，浴比1︰50，室溫開始處理，以1℃/min升溫至T℃，保溫處理tmin，再降溫水洗、烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 減量率測定

分別測試出滌綸織物堿減量處理前后織物的絕對(duì)干重，由以下公式即可求得減量率。

減量率/%=W1-W2W1×100（1）

式中：W1為堿減量加工前織物的絕對(duì)干重，g；W2為堿減量加工后織物的絕對(duì)干重，g。

1.3.2 強(qiáng)力測定

用HD026H型織物強(qiáng)力機(jī)，分別測試出原坯布斷裂強(qiáng)力S1及處理試樣斷裂強(qiáng)力S2，由以下公式可求得織物的強(qiáng)力損失。

強(qiáng)力損失率/%=S1-S2S1×100（2）

式中：S1表示坯布斷裂強(qiáng)力，N；S2表示處理后織物的斷裂強(qiáng)力，N。

1.3.3 掃描電鏡（SEM）測試

將粘有干燥滌綸織物試樣的樣品臺(tái)放置于離子濺射儀中鍍金，于抽真空狀態(tài)下，用Quanta 250型掃描電子顯微鏡觀察織物纖維形貌特征，其測試加速電壓15kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaOH用量對(duì)減量率的影響

堿減量促進(jìn)劑2.5×10-5mol/L，室溫開始處理，升溫至98℃，保溫處理60min，探究NaOH用量對(duì)滌綸堿減量效果的影響，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨氫氧化鈉用量的增加，滌綸織物減量率始終保持增加趨勢(shì)，說明增加氫氧化鈉的用量將促進(jìn)滌綸減量率的提高。滌綸堿減量的過程即是聚酯分子鏈的水解過程，在這一過程中，NaOH作為堿劑可為水解過程提供較強(qiáng)的OH-離子作為親核試劑，與纖維酯鍵發(fā)生親核取代反應(yīng)，使得酯鍵發(fā)生水解而斷裂，纖維表面逐漸被堿劑刻蝕而形成凹槽。因此，隨著NaOH含量的提高，溶液中游離的OH-離子含量增加，使OH-離子被滌綸纖維吸附的概率增加，即纖維表面可有更多的OH-離子與聚酯鏈發(fā)生親核取代反應(yīng)，使得織物減量率不斷提高。另外，由圖2可知，在相同堿劑用量條件下，堿減量促進(jìn)劑的促進(jìn)效果依次為10-14>CTAB>6-14>1-14，且10-14（溴化1-十四烷基，3-癸烷咪唑）的促進(jìn)作用較其他三種堿減量促進(jìn)劑的促進(jìn)作用更加明顯。這是因?yàn)樗姆N促進(jìn)劑的疏水性強(qiáng)弱不一，對(duì)于咪唑類離子液體促進(jìn)作用1-14，6-14和10-14，隨著其疏水碳鏈的增長，其疏水性增強(qiáng)，對(duì)滌綸的吸附性能也隨之提高，故堿減量效果越顯著；而常規(guī)堿減量促進(jìn)劑CTAB的促進(jìn)作用介于6-14和10-14之間，說明10-14的疏水性強(qiáng)于CTAB。由于堿減量過程中增加堿劑用量，纖維的強(qiáng)力損失也將同時(shí)增加，因此，綜合考慮滌綸纖維堿減量后的各項(xiàng)性能，選擇氫氧化鈉質(zhì)量濃度為10g/L。

2.2 堿減量促進(jìn)劑用量對(duì)減量率的影響

采用NaOH 10g/L，室溫開始處理，升溫至98℃，保溫處理60min，探究堿減量促進(jìn)劑用量對(duì)滌綸堿減量效果的影響，測試結(jié)果如圖3所示。滌綸堿減量促進(jìn)劑多為陽離子表面活性劑，由于促進(jìn)劑的兩親性能，在堿減量過程中促進(jìn)劑會(huì)吸附于滌綸纖維表面，同時(shí)將堿液中OH-離子富集于滌綸纖維表面，提高纖維附近OH-離子濃度，促進(jìn)了OH-離子與纖維酯鍵的水解反應(yīng)，從而提高減量率。因此，堿減量促進(jìn)劑的存在可提高堿減量過程中堿劑的利用率，降低堿減量過程中堿劑的用量，并提高堿減量效果。由圖3可知，隨堿減量促進(jìn)劑的加入，滌綸纖維減量率逐漸提高。同時(shí)可知，四種堿減量促進(jìn)劑對(duì)滌綸纖維的促進(jìn)效果依次為10-14>6-14>CTAB>1-14，且堿減量促進(jìn)劑10-14的用量為2×10-5mol/L時(shí)對(duì)滌綸纖維的減量率達(dá)到40%左右，高于CTAB和1-14兩種堿減量促進(jìn)劑在用量為8×10-5mol/L時(shí)對(duì)滌綸纖維的減量率。同時(shí)又可看出，當(dāng)堿減量促進(jìn)劑用量為6×10-5mol/L時(shí)10-14、6-14和CTAB三種促進(jìn)劑對(duì)滌綸纖維的堿減量促進(jìn)作用基本不再增加，這是因?yàn)殡S著促進(jìn)劑摩爾濃度的增加，吸附在滌綸表面的促進(jìn)劑增多，當(dāng)10-14、6-14和CTAB三種促進(jìn)劑摩爾濃度達(dá)到6×10-5mol/L時(shí)，其在滌綸表面已經(jīng)達(dá)到飽和吸附，再增加促進(jìn)劑摩爾濃度，減量率幾乎不再增加。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)具體的生產(chǎn)要求選擇合適的堿減量促進(jìn)劑及其用量。

2.3 堿減量溫度對(duì)減量率的影響

采用NaOH 10g/L，堿減量促進(jìn)劑2.5×10-5mol/L，室溫開始處理，升溫至T℃，保溫處理60min，探究工藝溫度對(duì)滌綸堿減量效果的影響，測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨工藝溫度的提高，滌綸纖維減量率逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到90℃以后織物減量率快速增加，98℃時(shí)織物減量率較90℃時(shí)織物減量率提高將近一倍，說明提高堿減量工藝溫度可促進(jìn)滌綸的堿減量加工。這是因?yàn)闇炀]纖維屬熱塑型纖維，存在玻璃化溫度（Tg），又由于纖維大分子的良好共平面性，使得纖維間空隙較小，在工藝溫度小于Tg時(shí)，堿劑只能作用于纖維表面，且水解速率較低。而當(dāng)工藝溫度高于Tg時(shí)，滌綸纖維由玻璃態(tài)向高彈態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，纖維分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，纖維間自由體積增加，堿劑進(jìn)入纖維內(nèi)部的幾率增大，同時(shí)溫度升高OH-離子與纖維酯鍵的反應(yīng)活性提高，水解速率增加。在工藝生產(chǎn)過程中，應(yīng)適當(dāng)提高工藝溫度，或者可加入某種纖維膨化劑，促進(jìn)低溫條件下滌綸纖維的膨化，增加纖維分子鏈間空隙，進(jìn)而促進(jìn)滌綸纖維的堿減量過程。因此，本試驗(yàn)工藝根據(jù)促進(jìn)劑的促進(jìn)效果不同可選擇保溫溫度為90～98℃。

2.4 堿減量時(shí)間對(duì)減量率的影響

采用NaOH 10g/L，堿減量促進(jìn)劑2.5×10-5mol/L，室溫開始處理，升溫至98℃，保溫處理tmin，探究保溫時(shí)間對(duì)滌綸堿減量效果的影響，測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨工藝加工時(shí)間的延長，滌綸織物減量率逐漸增加，且用堿減量促進(jìn)劑10-14處理的滌綸織物其減量率增加效果最為明顯。隨時(shí)間的延長，OH-離子由表及里對(duì)滌綸纖維進(jìn)行水解，同滌綸纖維分子鏈中酯鍵的反應(yīng)就更加充分，堿減量效果就更好。因此，在工藝處方確定的條件下，可通過控制工藝保溫時(shí)間來改變滌綸織物的減量率。

2.5 織物性能測試

2.5.1 強(qiáng) 力

選擇滌綸原樣和滌綸堿減量樣品（NaOH 10g/L，10-14 2.5×10-5mol/L，升溫至90℃，保溫處理60min）進(jìn)行強(qiáng)力測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，采用10-14作為堿減量促進(jìn)劑，堿減量溫度為90℃的條件下保溫60min時(shí)，織物的減量率達(dá)到22.4%，強(qiáng)力損傷為21.7%。

2.5.2 SEM

由滌綸堿減量前后的SEM表征（圖6）可知，滌綸原樣的表面較為光滑，且覆蓋一些雜質(zhì)，經(jīng)堿減量處理后滌綸織物的表面更為光滑，表面出現(xiàn)明顯的“凹槽”，說明經(jīng)堿減量處理后滌綸被“剝皮”，且纖維表面出現(xiàn)“凹槽”，使滌綸纖維變細(xì)、比表面積增大，改善了織物的手感。

3 結(jié) 論

1）咪唑類離子液體促進(jìn)劑用于滌綸纖維的堿減量加工，可有效提高滌綸堿減量效果；促進(jìn)劑的雙親特性可將氫氧根離子富集于纖維表面，進(jìn)而促進(jìn)纖維酯鍵的水解反應(yīng)，且咪唑類離子液體的疏水性越強(qiáng)其堿減量促進(jìn)作用更顯著。

2）對(duì)于不同疏水碳鏈長度的咪唑類離子液體作為促進(jìn)劑，滌綸堿減量工藝加工中可采用NaOH 10g/L，堿減量促進(jìn)劑2.5×10-5mol/L，在90～98℃條件下保溫60min，具體溫度視促進(jìn)劑的疏水性而定，所得織物可獲得較好的堿減量加工效果。

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