聚氨酯/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的拒水性能

（南昌理工學(xué)院，江西南昌 330044）

棉織物穿著舒適，與人體肌膚具有良好的親和性，深受人們的喜愛，是最常用的服裝面料之一。棉織物纖維分子上存在大量羥基，親水性強(qiáng)，因而棉織物易被潤(rùn)濕和滲透，影響其在服裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)服裝面料的要求越來(lái)越高，在保持棉織物舒適性的同時(shí)增加其拒水性能，可以擴(kuò)大棉織物的應(yīng)用范圍［1-4］。棉織物的拒水整理就是將疏水物質(zhì)附著于棉織物表面或內(nèi)部，或改變棉織物表面結(jié)構(gòu)，以降低棉織物的表面張力，達(dá)到拒水的目的［5-6］。目前常用的拒水劑有脂肪烴類、含氟類和有機(jī)硅類化合物，脂肪烴類拒水劑拒水效果好，但耐洗性、透氣性、耐磨性較差，使用受到限制；含氟類化合物拒水效果好，但是價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境存在一定的危害性；有機(jī)硅類拒水劑對(duì)環(huán)境友好，但是穩(wěn)定性較差［7-8］。聚氨酯（PU）是由氨基甲酸酯形成的高分子化合物，具有柔韌性好、黏結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)［9-10］。

本研究以自制的聚氨酯/有機(jī)硅水凝膠對(duì)棉織物進(jìn)行整理，制備了具有拒水能力的功能性棉織物，并且研究了PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物應(yīng)用于服裝的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：棉織物（半漂布，經(jīng)緯密度為40×40，裁切尺寸為5 cm×20 cm），聚四氫呋喃醚二醇、二丁基二月桂酸錫、異佛爾酮二異氰酸酯、二羥甲基丙酸、1,4-丁二醇、異丙醇、聚醚氨基硅油、三乙胺（分析純），實(shí)驗(yàn)用水為自制去離子水。

儀器：Nicolet IS 10 型傅里葉紅外變換光譜儀（FT-IR），日立SU 1510 型掃描電子顯微鏡（SEM），DSA 25 型接觸角測(cè)量?jī)x，INSTRON 5590 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，Phabr Ometer 織物手感評(píng)價(jià)系統(tǒng)，TSE-2型噴淋式拒水試驗(yàn)機(jī)，F(xiàn)X3000-3H 型靜壓透水性試驗(yàn)儀，WSB-3A 型數(shù)字白度儀。

1.2 PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的制備

稱取一定量聚四氫呋喃醚二醇加入三口燒瓶中，加熱至120 ℃，抽濾1 h，自然冷卻至室溫，加入0.1%的二丁基二月桂酸錫和異佛爾酮二異氰酸酯，加熱至90 ℃，加入二羥甲基丙酸，反應(yīng)90 min 后滴加適量1,4-丁二醇和異丙醇，保持60 min，冷卻至5 ℃，加入聚醚氨基硅油保溫90 min，加入三乙胺中和1 h，加入去離子水，攪拌并分散乳化，得到PU/氣凝膠乳液。將棉織物浸水潤(rùn)濕后脫水，再浸入PU/氣凝膠乳液中保持5 min，二浸二軋，70 ℃預(yù)烘5 min，130 ℃焙烘5 min，得到PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物。

PU 整理棉織物的制備方法類似：首先稱取一定量聚四氫呋喃醚二醇加入三口燒瓶中，加熱至120 ℃，抽濾1 h，自然冷卻至室溫，加入0.1%的二丁基二月桂酸錫和異佛爾酮二異氰酸酯，加熱至90 ℃，加入二羥甲基丙酸，反應(yīng)90 min 后滴加適量1,4-丁二醇和異丙醇，保持60 min，冷卻至5 ℃，保溫90 min，加入三乙胺中和1 h，加入去離子水并攪拌。將棉織物浸水潤(rùn)濕后脫水，再浸入PU/氣凝膠乳液中保持5 min，二浸二軋，70 ℃預(yù)烘5 min，130 ℃焙烘5 min。

1.3 測(cè)試

靜態(tài)水接觸角：將棉織物固定在載玻片上并放置于測(cè)試平臺(tái)上，選取中心點(diǎn)和靠近4 角的點(diǎn)分別滴加5 μL 水滴，測(cè)量靜態(tài)水接觸角，測(cè)5次，取平均值。

拒水性和抗靜水壓：參考AATCC 22—2005《拒水性能測(cè)試：噴淋法》和AATCC 127—2001《防水性：抗靜水壓試驗(yàn)》測(cè)試，測(cè)5次，取平均值。

耐水洗性能：參照GB/T 8629—2017《紡織品 試驗(yàn)用家庭洗滌和干燥程序》，洗滌不同次數(shù)后測(cè)試棉織物的靜態(tài)水接觸角、拒水性和抗靜水壓。

斷裂強(qiáng)力：將棉織物固定于儀器上，參考GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》測(cè)試，控制斷裂時(shí)間為（20±5）s，測(cè)5塊試樣，取平均值。

白度：參考GB/T 8424.2—2001《紡織品 色牢度試驗(yàn)相對(duì)白度的儀器評(píng)定方法》測(cè)試。

柔軟性：將棉織物做調(diào)濕平衡處理，參考AATCC 66—2010 評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果取值范圍為0～100，值越大樣品的柔軟性越好。

透氣性：參考GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試，測(cè)5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 FT-IR

由圖1a 可知，3 270 cm-1處特征峰對(duì)應(yīng)纖維素聚合物中—OH氫鍵的伸縮振動(dòng)，2 895、1 315 cm-1處特征峰分別對(duì)應(yīng)棉織物—CH 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，1 160 cm-1處特征峰對(duì)應(yīng)棉織物C—O—C 的伸縮振動(dòng)。由圖1b 可知，3 388 cm-1處特征峰對(duì)應(yīng)聚氨酯的—NH，2 930、2 859 cm-1處特征峰分別對(duì)應(yīng)脂肪鏈中—CH2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 530、1 260 cm-1處特征峰分別對(duì)應(yīng)—NH 和—CH2的振動(dòng)，1 070 cm-1處特征峰對(duì)應(yīng)C—O—C 的伸縮振動(dòng)。圖1a和圖1b 的圖譜差異表明和—OH 之間通過(guò)氫鍵形成了相互作用，PU 和棉織物結(jié)合在一起。由圖1c可知，950、845 cm-1處特征峰分別對(duì)應(yīng)Si—OH 的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，表明有機(jī)硅顆粒的存在［11］。

圖1 棉織物(a)、PU 整理棉織物(b)和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物(c)的FT-IR 圖譜

2.1.2 表面形貌

由圖2 可知，棉織物表面被PU 覆蓋后纖維結(jié)構(gòu)消失不見，可在棉織物表面看到一層膜狀物質(zhì)，這是由于PU 在棉織物纖維表面成膜；經(jīng)過(guò)PU/有機(jī)硅水凝膠整理的棉織物表面也存在薄膜結(jié)構(gòu)，但薄膜由多個(gè)規(guī)則無(wú)序的塊狀物質(zhì)堆積而成，因而PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物表面比PU 整理更粗糙。

圖2 棉織物(a)、PU 整理棉織物(b)和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物(c)的SEM 圖

2.2 拒水性能

靜態(tài)水接觸角可以較為直觀地表現(xiàn)PU 或PU/有機(jī)硅水凝膠覆蓋對(duì)棉織物疏水性能的影響。棉織物纖維中存在著大量的—OH，親水性極強(qiáng)，未整理時(shí)，棉織物接觸水珠后會(huì)瞬間被潤(rùn)濕；PU 或PU/水凝膠整理的棉織物接觸水珠時(shí)，可明顯觀察到水珠的形成，在外力作用下，水珠可從棉織物表面掉落而不會(huì)使棉織物潤(rùn)濕，拒水性能大大提高。由表1 可知，PU整理棉織物的靜態(tài)水接觸角為96.7°，拒水性為80分，抗靜水壓為1.87 kPa，這是由于PU 本身表面能較低，具有良好的疏水性；PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的靜態(tài)水接觸角為102.4°，比PU 整理棉織物略上升，拒水性為90分，抗靜水壓為2.02 kPa，這可能是由于PU 和有機(jī)硅水凝膠兩種疏水性材料復(fù)合后進(jìn)一步降低了其表面能，導(dǎo)致整理棉織物接觸角進(jìn)一步增大［12］。

表1 棉織物、PU 整理棉織物和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的拒水性能

2.3 耐水洗性能

PU 和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的耐水洗性能見表2。

表2 PU 和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的耐水洗性能

由表2 可知，隨著水洗次數(shù)的增加，PU 和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的接觸角、拒水性和抗靜水壓均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。水洗50 次后，PU 整理棉織物的靜態(tài)水接觸角下降了16.8%，但仍有80.4°，拒水性為70 分，仍具有較好的疏水性。PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物經(jīng)過(guò)50次水洗后靜態(tài)水接觸角下降了10.9%，達(dá)到91.2°，拒水性為80 分，相比PU 整理棉織物具有更好的耐水洗性能，這是由于加入有機(jī)硅后，硅羥基與棉織物纖維發(fā)生交聯(lián)作用，使得PU/有機(jī)硅水凝膠與棉織物結(jié)合得更牢固。

2.4 服用性能

由表3 可知，PU 整理后，棉織物的白度下降，但PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的白度比原棉織物大，表明有機(jī)硅的引入可以增大棉織物的白度；PU 整理棉織物的透氣性快速降低，添加有機(jī)硅后，透氣性有所增加；PU 和PU/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物的柔軟度均增加，棉織物的使用舒適性提高；整理棉織物的強(qiáng)力存在一定的損失，PU 整理棉織物的經(jīng)向和緯向分別損失5.3%和4.6%，損失不大，添加有機(jī)硅后可進(jìn)一步減少棉織物的強(qiáng)力損失。

表3 拒水整理棉織物用作服裝的性能

3 結(jié)論

利用浸軋法制備聚氨酯/有機(jī)硅水凝膠整理棉織物，靜態(tài)水接觸角為102.4°，拒水性為90 分，抗靜水壓為2.02 kPa，表明棉織物具有良好的拒水性能；白度、柔軟度和斷裂強(qiáng)力均有所增加，表明棉織物在服裝領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。聚氨酯/有機(jī)硅水凝膠整理的棉織物經(jīng)過(guò)50 次水洗后接觸角為91.2°，仍具有較好的拒水性能。