烷基咪唑類雙子型離子液體對滌綸織物的堿減量處理

曹機良， 孟春麗， 曹 毅， 閆 凱， 吳寧杰， 王潮霞

(1. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2. 河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

堿減量加工是提高滌綸織物性能的重要工藝之一，經(jīng)堿減量處理后，滌綸織物的手感、光澤、懸垂性和吸濕性等均得到較大的改善，從而獲得蠶絲般的優(yōu)良性能[1-2]。由于滌綸纖維分子鏈共平面性較好，結(jié)晶度和取向度均較高，且具有熱塑性，因此，常規(guī)滌綸堿減量工藝存在堿劑利用率低，消耗量大，廢水中殘堿含量高等問題[3-5]。堿減量促進劑逐漸應(yīng)用于滌綸織物的堿減量工藝過程，它的使用可增強堿劑與滌綸纖維分子鏈的酯解反應(yīng)，提高堿劑的利用率，降低堿減量工藝過程中堿劑的消耗量[5]。目前，陽離子型表面活性劑可作為滌綸纖維的堿減量促進劑，其中季銨鹽類表面活性劑的使用最為廣泛，但常規(guī)堿減量促進劑如十六烷基三甲基溴化銨(1631)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)等存在環(huán)境污染大，產(chǎn)生魚腥味等問題[6-8]。烷基咪唑類雙子型(Gemini)離子液體屬于陽離子類表面活性劑，分子內(nèi)含有2個咪唑親水基團。由于烷基咪唑類Gemini離子液體特殊的分子結(jié)構(gòu)，與常規(guī)離子表面活性劑相比，具有更加優(yōu)良的物化性能，其反應(yīng)活性及所帶電荷量均較高[9-10]；因此，它也可用于滌綸纖維的堿減量加工，且可解決當(dāng)前堿減量促進劑的環(huán)保問題。

本文選用陽離子促進劑1227，以及3種不同長度烷烴鏈的烷基咪唑類Gemini離子液體用于滌綸織物的堿減量工藝研究，探究了4種促進劑對滌綸堿減量的促進效果，分析了實驗工藝對減量織物性能的影響，以期為烷基咪唑類Gemini離子液體在滌綸織物堿減量工藝中的應(yīng)用研究提供理論借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

織物：市售滌塔夫(210T)。

試劑：氫氧化鈉(分析純)，十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227，分析純)，2-溴-1-(1-亞正丁基-3正己基咪唑)-3正己基咪唑(簡寫為6-4-6)，2-溴-1-(1-亞正丁基-3正辛基咪唑)-3正辛基咪唑(簡寫為8-4-8)，2-溴-1-(1-亞正丁基-3正癸基咪唑)-3正癸基咪唑(簡寫為10-4-10)。6-4-6、8-4-8、10-4-10均為實驗室自制。圖1示出促進劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。

圖1 實驗所用促進劑結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of accelerant

儀器：RC-Z 2400型常溫振蕩水浴鍋(上海一派印染技術(shù)有限公司)；Quanta 250型掃描電子顯微鏡(FEI香港有限公司)；HD026H型織物強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)。

1.2 實驗工藝

將一定量的NaOH和陽離子促進劑1227或離子液體促進劑，在室溫條件下投入織物，以1 ℃/min升溫至一定溫度，保溫處理，然后降溫、水洗、烘干、稱量。

1.3 測試方法

1.3.1減量率測定

將堿減量處理前后的織物于105 ℃烘干至絕對干質(zhì)量，稱量，按下式計算滌綸的減量率：

式中：m1為堿減量前織物處理的絕對干質(zhì)量，g；m2為堿減量處理后織物的絕對干質(zhì)量，g。

1.3.2強力測定

采用織物強力機分別測試堿減量處理前后滌綸織物的強力，由下式計算強力損失率：

式中：F1為堿減量處理前織物的斷裂強力，MPa；F2為堿減量處理后織物的斷裂強力，MPa。

1.3.3形貌觀察

將粘有干燥滌綸織物試樣的樣品臺放置于離子濺射儀中鍍金，于抽真空狀態(tài)下，采用掃描電子顯微鏡觀察纖維的形貌特征，測試電壓為15.00 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 促進劑濃度對減量率的影響

按照1.2實驗工藝，在NaOH質(zhì)量濃度為10 g/L，98 ℃保溫60 min條件下，研究促進劑濃度對滌綸堿減量的影響，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯涸贜aOH質(zhì)量濃度一定的條件下，隨著促進劑質(zhì)量濃度的增加，4種促進劑處理滌綸織物的減量率均呈現(xiàn)增加趨勢，且堿減量促進程度依次為10-4-10>1227>8-4-8>6-4-6，10-4-10的增加趨勢最為明顯，而6-4-6濃度對滌綸減量率影響較小。這是由于促進劑中疏水碳鏈的影響，在不考慮陽離子促進劑1227的條件下，對比其他3種結(jié)構(gòu)相同的促進劑及其促進效果可發(fā)現(xiàn)，10-4-10、8-4-8和6-4-6三者的烷烴鏈長度依次降低，且與對應(yīng)的堿減量促進效果影響趨勢相同，由Traube規(guī)則可知，促進劑分子碳鏈越長，其親油性增加，就越有利于促進劑分子吸附于滌綸纖維表面，同時溶液中OH-富集于纖維表層，促進了滌綸纖維酯鍵的水解反應(yīng)[11]。此外，還可看出：在促進劑10-4-10濃度小于0.03 mmol/L時，隨著其濃度增加，滌綸織物減量率快速增大；而當(dāng)濃度大于0.03 mmol/L時，滌綸減量率增大趨勢隨促進劑濃度的增加而減緩。這是因為當(dāng)促進劑濃度增加時，會有較多的促進劑分子吸附于纖維表面；但進一步增加促進劑10-4-10的濃度，其在滌綸表面吸附量的增速減慢，故滌綸減量率的增速降低，且當(dāng)促進劑10-4-10濃度大于0.03 mmol/L時，滌綸減量率超過30%：因此，在滌綸堿減量工藝加工過程中，可根據(jù)實際生產(chǎn)需求加入適量促進劑。

圖2 促進劑濃度對滌綸減量率的影響Fig.2 Influence of dosage of accelerant on deweighgting ratio of polyester

2.2 氫氧化鈉質(zhì)量濃度對減量率的影響

按照1.2實驗工藝，在促進劑濃度為0.1 mmol/L，98 ℃保溫60 min條件下，研究NaOH質(zhì)量濃度對滌綸堿減量處理效果的影響，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯S著NaOH質(zhì)量濃度的逐漸增加，在4種堿減量促進劑作用下的滌綸織物減量率均呈現(xiàn)增加趨勢，且增加趨勢大小順序依然是10-4-10>1227>8-4-8>6-4-6。結(jié)合2.1分析結(jié)果可知，在促進劑濃度相同的條件下，分子碳鏈越長，促進劑在滌綸纖維上的有效吸附量就越多，則越有利于OH-到達纖維表面并被促進劑分子捕獲，以促進滌綸纖維的堿減量。此外，增加NaOH質(zhì)量濃度，可使溶液中堿劑電離的OH-濃度增加，在相同條件下就會有更多的OH-與滌綸纖維酯鍵接觸，并發(fā)生水解反應(yīng)。由圖3還可知，滌綸減量率與促進劑種類和NaOH質(zhì)量濃度有很大的關(guān)系，故本文實驗中疏水性強的促進劑可選擇較低的NaOH質(zhì)量濃度。綜合考慮，在使用促進劑的條件下，選用NaOH質(zhì)量濃度為5～10 g/L。

圖3 氫氧化鈉質(zhì)量濃度對滌綸減量率的影響Fig.3 Influence of dosage of sodium hydroxide on deweighting ratio of polyester

2.3 溫度對減量率的影響

按照1.2實驗工藝，在NaOH質(zhì)量濃度為10 g/L，促進劑濃度為0.1 mmol/L，保溫60 min條件下，堿減量處理溫度對滌綸減量率的影響如圖4所示?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，處理后滌綸織物的減量率逐漸增大，當(dāng)溫度高于80 ℃時，滌綸減量率的增大速率明顯提高，這是由于滌綸纖維具有熱塑性，當(dāng)堿減量處理溫度超過滌綸纖維的玻璃化溫度時，纖維分子鏈運動程度加劇，促使滌綸纖維分子鏈間空隙增大，有利于溶液中OH-與滌綸纖維分子鏈的酯鍵發(fā)生水解反應(yīng)。此外，提高堿減量處理溫度，溶液中促進劑分子和OH-在溶液中的動能增加，OH-與滌綸纖維的接觸概率增大，促進了滌綸纖維的水解；因此，當(dāng)堿減量處理溫度較高時，滌綸纖維的堿減量更容易進行，而當(dāng)溫度較低時，酯鍵水解反應(yīng)程度較低。低溫條件纖維分子鏈的運動程度降低，且由于聚酯大分子鏈的共平面性較好，使得纖維結(jié)構(gòu)緊密，故滌綸纖維在低溫條件下的減量率提高較慢。綜合考慮，堿減量溫度依據(jù)促進劑促進效果的不同可選擇90～98 ℃。

圖4 溫度對滌綸減量率的影響Fig.4 Influence of temperature on deweighting ratio of polyester

2.4 時間對減量率的影響

按照1.2實驗工藝，在NaOH質(zhì)量濃度為10 g/L，促進劑濃度為0.1 mmol/L，于98 ℃保溫條件下，研究堿減量處理時間對滌綸減量率的影響，如圖5所示?？梢钥闯觯弘S著堿減量處理時間的延長，滌綸纖維減量率逐漸增大；且促進劑10-4-10對滌綸織物的促進效果要明顯優(yōu)于其他3種促進劑。從工藝曲線可看出，4種促進劑的促進效果依然符合Traube規(guī)則。在保溫時間為60 min時，促進劑10-4-10處理滌綸織物的減量率達到了40%左右，促進劑1227、8-4-8處理滌綸織物的減量率也達到了10%左右，而促進劑6-4-6對滌綸纖維的促進效果并不明顯，在保溫120 min后其減量率依然未達到10%，且其減量率略高于不加促進劑的滌綸織物。此外，在滌綸纖維堿減量過程中，隨著堿減量處理時間的延長，后期溶液中滌綸纖維的水解產(chǎn)物增加，導(dǎo)致溶液黏度增大，反而使得促進劑分子和OH-在溶液中的擴散速率下降，即使得滌綸酯鍵的水解反應(yīng)速率有所下降；因此，在滌綸堿減量工藝確定的條件下，可通過適當(dāng)延長保溫時間來增加滌綸纖維的減量率。綜合考慮各種影響因素，在氫氧化鈉和促進劑用量確定的條件下，促進劑10-4-10可選擇98 ℃保溫20～40 min，促進劑8-4-8、1227可選擇98 ℃保溫90～180 min。

圖5 時間對滌綸減量率的影響Fig.5 Influence of time on deweighting ratio of polyester

2.5 織物強力分析

選擇滌綸原樣和滌綸堿減量處理樣品(NaOH為12.5 g/L，8-4-8為0.1 mmol/L，升溫至98 ℃，保溫處理60 min)進行強力測試。測得在該工藝條件下堿減量加工處理后織物的減量率為23.9%，強力損失率為23.5%。

2.6 織物形貌分析

圖6示出滌綸堿減量處理前后的SEM照片?？梢钥闯觯瑴炀]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加光滑；但出現(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、比表面積增大，改善了織物手感。

圖6 滌綸織物的SEM照片(×5 000)Fig.6 SEM images of polyester fabric. (a) Original polyester; (b) Deweighted polyester

3 結(jié) 論

1)烷基咪唑類Gemini離子液體促進劑可用于滌綸織物的堿減量加工，且促進劑對滌綸堿減量的促進效果與分子中烷烴鏈的長短相關(guān)，其促進規(guī)律符合Traube規(guī)則，烷烴鏈越長，則促進劑分子對滌綸纖維的吸附作用越好，對OH-的富集作用越好。

2)滌綸堿減量工藝加工過程中加入烷基咪唑類Gemini離子液體促進劑，可明顯降低氫氧化鈉用量，提高減量率。

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