木漿纖維水刺非織造布超支化聚合物功能改性

何俊俊，王 晴，楊建忠

(1.西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 前言

超支化聚合物是一類區(qū)別于傳統(tǒng)線性聚合物的樹枝狀聚合物，具有高度支化三維立體結(jié)構(gòu)的聚合物。樹狀大分子的分子具有完美的分枝結(jié)構(gòu)，整個(gè)分子中無(wú)缺陷，因此樹狀大分子的單分子形狀是圓球形的；而超支化聚合物的分子中有缺陷，整個(gè)分子不完全對(duì)稱，所以超支化聚合物的單分子形狀為橢球形[1-3]。超支化聚合物這種獨(dú)特的支化結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)決定了它的特殊性能，賦予超支化聚合物與普通線型高分子不同的特殊性能，比如：良好的流動(dòng)性、低粘度、成膜性、結(jié)晶性、膠束特性、多功能性、良好的溶解性等。此外，利用超支化聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)處理，還可以賦予超支化聚合物其他一些特殊的性能，如光物理及光化學(xué)性能、吸附及解吸附性能等[4-6]。

近年來(lái)，已經(jīng)有大量超支化聚合物在涂料工業(yè)、聚合物共混改性、藥物緩釋、導(dǎo)電材料和電致發(fā)光材料、納米材料制備等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，但其在紡織領(lǐng)域上的應(yīng)用研究還很少[7]。本文主要研究超支化聚合物對(duì)水刺非織造布的功能改性，從而提高水刺非織造布的吸濕性能，通過(guò)對(duì)改性前后水刺非織造布性能的對(duì)比，研究超支化聚合物對(duì)水刺非織造布結(jié)構(gòu)，物理性能，吸濕性能等方面的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器

實(shí)驗(yàn)材料：四乙烯五胺、丙烯酸甲酯(化學(xué)純)、甲醇(AR分析純)、木漿纖維水刺非織造布。

實(shí)驗(yàn)主要儀器:HJ-5型多功能恒溫?cái)嚢杵?江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)；YRE-201D型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、HH-WO型智能數(shù)顯多功能油水浴鍋、SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)；THZ-82型水浴恒溫振蕩器(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)；GZX-GF-101AB2型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海華聯(lián)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備公司恒昌儀器廠)。

1.2 超支化聚合物(HBP)的合成與表征

1.2.1 合成

將95g的四乙烯五胺放在四口燒瓶中，用冰水浴冷卻至10℃以下，用恒壓漏斗緩慢滴加43g丙烯酸甲酯和90g甲醇的混合溶液，四乙烯五胺和丙烯酸甲酯的摩爾比是1:1。滴加完畢后，在低溫下(10℃～20℃)反應(yīng)12h，得到淡黃色透明液體，然后將其轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的茄形燒瓶中，在熱油水浴中減壓蒸發(fā)除去甲醇，熱油水浴升溫至150℃后繼續(xù)減壓反應(yīng)4h，反應(yīng)結(jié)束后，能夠得到粘稠狀的淡黃色超支化聚合物(HBP)。

1.2.2 表征

(1)超支化聚合物(HBP)紅外光譜圖

把合成的超支化聚合物HBP放在紅外燈下照射烘干水分、將HBP涂在溴化鉀(KBr)上面，對(duì)超支化聚合物HBP進(jìn)行傅里葉紅外光譜測(cè)試，結(jié)果如圖1。

圖1 HBP紅外光光譜圖

如圖1，曲線A是丙烯酸甲酯和四乙烯五胺化合物Michael加成反應(yīng)后得到的中間體的紅外吸收，其在 1704 cm-1處具有酯基(-CO2CH3)的 C=O 伸縮振動(dòng)。當(dāng)反應(yīng)生成聚合物后，酯基與氨基相互反應(yīng)，B曲線中在 1631 cm-1處出現(xiàn)了酰胺基團(tuán)(-CONH-)的 C=O 伸縮振動(dòng)，這與文獻(xiàn)[8]報(bào)道相一致。

(2)超支化聚合物(HBP)紫外光譜圖

將干燥的超支化聚合物HBP溶解在水中，使HBP的濃度為0.5g/L。測(cè)量HBP溶液在220nm～400nm內(nèi)的紫外光譜吸收性能，結(jié)果如圖2。

圖2 HBP紫外光光譜圖

如圖2，超支化聚合物HBP在220nm和300nm左右有兩個(gè)比較強(qiáng)的吸收峰，說(shuō)明HBP具有一定的紫外吸收能力。

1.3 水刺非織造布的功能改性

1.3.1 超支化聚合物HBP水溶液的配制

首先配制高濃度超支化聚合物水溶液，取50毫升的HBP和450毫升的水放入燒杯加熱攪拌，得到500mL濃度為100g/L的HBP水溶液，定容。然后稀釋高濃度水溶液，分別配制2g/L、4g/L、8g/L、16g/L的HBP水溶液各100mL。

1.3.2 浸漬法整理水刺非織造布

準(zhǔn)備100mL的去離子水，將上述4種不同濃度的HBP水溶液與去離子水(分別在五個(gè)燒杯內(nèi))放入水浴恒溫振蕩器，設(shè)置浸漬溫度為50℃，水浴溫度升至設(shè)置溫度時(shí)，將提前準(zhǔn)備好的水刺非織造布分別放入去離子水和濃度為2g/L、4g/L、8g/L、16g/L的HBP水溶液以及純水中浸漬20min，然后放入烘箱烘干，共做五組實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試

1.4.1 克重實(shí)驗(yàn)

采用電子天平測(cè)量五組水刺非織造布的克重，每個(gè)試樣面積為100cm2，將天平清零后，把試樣平整地放在電子天平上，然后關(guān)上玻璃門，讀取并記錄數(shù)據(jù)。

1.4.2 厚度實(shí)驗(yàn)

采用手提式織物厚度儀測(cè)量五組水刺非織造布的厚度，并記錄數(shù)據(jù)。

1.4.3 拉伸斷裂強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)

將五組水刺非織造布每組裁剪20cm×5cm的試樣各五個(gè)，采用YG065型電子織物強(qiáng)力儀測(cè)定。首先，打開電源，設(shè)置隔距(即夾持長(zhǎng)度)為100mm，拉伸速度為100mm/min后，將已裁剪的試樣用上下夾鉗夾好，按“拉伸”鍵進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

1.4.4 芯吸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(即毛細(xì)管效應(yīng)實(shí)驗(yàn))

將五組水刺非織造布每組裁剪25cm×3cm的試樣各五個(gè)，采用YG871L毛細(xì)管效應(yīng)儀測(cè)定。首先，調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)腳，讓水準(zhǔn)泡處于中心位置，調(diào)節(jié)橫梁升降調(diào)節(jié)器，檢查不銹鋼標(biāo)尺與水槽中的液體是否在同一水平線，假如不在同一水平線，就重調(diào)水平調(diào)節(jié)腳，直至調(diào)到同一水平線；然后，打開電源，將溫度設(shè)置為20℃，時(shí)間設(shè)置為5min，將事先準(zhǔn)備好的試樣夾在橫梁試樣夾上，按計(jì)時(shí)鍵開始實(shí)驗(yàn)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

1.4.5 回潮率實(shí)驗(yàn)

在常溫常壓下，將五組水刺非織造布分別稱重并記錄數(shù)據(jù)，然后將它們放入干燥箱，將干燥箱溫度設(shè)置為105℃，干燥時(shí)間為2小時(shí)，烘完后稱重并記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 克重實(shí)驗(yàn)

克重實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，如下圖3所示：

圖3 克重變化圖

由圖3中可以看出，改性后的水刺非織造布克重比未改性的較大些，并且隨著HBP水溶液濃度的增加而增大。由此可見，水刺非織造布浸漬后由于吸附了端氨基超支化聚合物分子而使非織造布的克重有所增加，并且水溶液濃度高的，吸附的HBP分子越多，因此克重隨HBP水溶液濃度的升高而增加。

2.2 厚度實(shí)驗(yàn)

厚度實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，如下圖4所示：

圖4 厚度變化圖

從圖4中可以看出，浸漬整理后的水刺非織造布的厚度稍大于未整理的非織造布，并隨水溶液濃度的升高而有所增加。由此可見，吸附了超支化聚合物分子后，厚度會(huì)有所增大，并隨濃度的升高而增大。

2.3 拉伸斷裂強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)

拉伸斷裂強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，如下圖5所示：

圖5 拉伸斷裂強(qiáng)力變化折線圖

由圖5可以看出，未改性的水刺非織造布強(qiáng)力與經(jīng)不同濃度超支化聚合物水溶液改性后的強(qiáng)力數(shù)據(jù)有些許波動(dòng)，且改性后非織造布強(qiáng)力略微大于未經(jīng)改性的，但波動(dòng)幅度不大。因此，超支化聚合物的改性對(duì)水刺非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力沒(méi)有很明顯的影響，甚至可能會(huì)增強(qiáng)非織造布的強(qiáng)力。

2.4 芯吸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(毛細(xì)管效應(yīng)實(shí)驗(yàn))

芯吸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，如下圖6所示：

圖6 芯吸效應(yīng)變化折線圖

從圖6中可以看出，經(jīng)過(guò)超支化聚合物改性后的水刺非織造布芯吸高度高于未改性的水刺非織造布，并且芯吸高度隨著濃度的升高而增高。因此，超支化聚合物能提高水刺非織造布的吸水性，并且超支化聚合物水溶液濃度越高，芯吸效果越好。

2.5 回潮率實(shí)驗(yàn)

回潮率計(jì)算公式：

回潮率=(G-G0)/G0×100%

G為試樣的烘前質(zhì)量(g)；G0為試樣的烘后質(zhì)量(g)。

下表1為回潮率實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 回潮率實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可制得折線圖，如下圖7所示。

圖7 回潮率變化折線圖

圖7中可以看出，超支化聚合物改性后的水刺非織造布回潮率高于未改性的，并隨著濃度的升高而增加。因此，超支化聚合物能夠提高水刺非織造布的吸濕性能，并且超支化聚合物水溶液濃度越高，吸濕性能越好。

3 結(jié)論

(1) 制備出具有超支化結(jié)構(gòu)的化合物HBP，是采用了四乙烯五胺、丙烯酸甲酯和甲醇這三種試劑，該化合物能溶于水。通過(guò)測(cè)試克重和厚度，可以看出，超支化聚合物分子成功吸附到了水刺非織造布，所以采用浸漬法可成功改性水刺非織造布。

(2) 通過(guò)測(cè)試改性前后水刺非織造布的拉伸強(qiáng)力，可以發(fā)現(xiàn)超支化聚合物浸漬整理對(duì)水刺非織造材料的強(qiáng)力影響不大，說(shuō)明可以在不影響非織造布強(qiáng)力的情況下改善其他性能。

(3) 在改性前后水刺非織造布吸濕性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中可以看出，超支化聚合物能提升水刺非織造布的吸水性能，水刺非織造布的回潮率有所提高。