毛织物纳米SiO2拒水拒油功能整理研究

叶远静

(福建省纤维检验局，福建 福州 350026)

毛织物纳米SiO2拒水拒油功能整理研究

叶远静

(福建省纤维检验局，福建 福州 350026)

为改善毛织物的性能，赋予其拒水拒油功能性，通过自制纳米SiO2整理液整理纯毛织物，分析了各种工艺因素对拒水拒油效果的影响。通过工艺参数优化，得出最佳工艺路线。

溶胶-凝胶；纳米；二氧化硅；拒水拒油；功能整理

纳米材料具有奇异的表面效应和体积效应，超双疏性(拒水拒油)是纳米材料的奇异性能之一。通过后整理将纳米颗粒植入到织物表层，可使织物纤维表面呈现出纳米尺寸低凹的表面，由于纳米粒子具有巨大的比表面积和表面能，可使吸附气体原子稳定存在，在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油水无法与纤维表面直接接触，在织物表面形成一个均匀、间隙极其微小的保护结构，从而使织物具有超双疏性[1]。

作为高档纺织品的毛织物，由于羊毛的缩绒性，洗涤时会出现尺寸不稳定和毡缩现象，使衣料发生变形，故开发有自然拒水拒油功能的面料具有很大的应用价值。目前在拒水拒油功能整理方面，普遍采用碳氟化合物，但该类整理剂价格昂贵且有一定的生物毒性。作为常用纳米材料的纳米SiO2，因其表面存在大量不饱和的残键以及不同键合状态的羟基，表面因缺氧而偏离了稳定的硅氧结构，故具有很高的活性。

本文通过自制纳米SiO2整理剂,将其用于纯毛织物的后整理。通过对制得纳米材料性能表征和整理工艺的优化,研究了整理毛织物的拒水拒油性能。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

1.1.1 材料

2/2纯毛斜纹,9.7×2/9.7×2，1.5 m2；正硅酸四乙酯(TEOS)，无水乙醇，氨水，以上均为AR级；超分散剂PSE(自制)；水性聚氨酯，去离子水(自制)。

1.1.2 仪器

78HW-1型恒温磁力搅拌机；KQ-100B型超声波清洗器；101-1AB型干燥箱；P-B1型电动轧车；Y813型织物沾水度测定仪；Mastersizer 2000型纳米激光粒度仪；NANOSCOPE Ⅲa型原子力扫描探针显微镜；KYKY-2800B型高性能扫描电子显微镜；NICOLET5700型傅立叶红外光谱仪。

1.2 纳米SiO2的制备[2-3]

按摩尔比n(TEOS)∶n(乙醇)∶n(氨水)∶n(水)=1∶54∶10∶0.63，先将2/3体积的无水乙醇与氨水、去离子水充分混合配成原液A，再将另1/3体积无水乙醇与TEOS混合配成滴加液B。常温下不断搅拌，按如下步骤滴加完，即得均匀稳定的乳白色纳米SiO2悬浊液。

A→滴加部分B→母液→滴加定量的B→反应20 min→滴加定量的B→反应20 min→…→纳米SiO2。

反应可表示如下：

Si-OR + HOH→Si-OH + ROH

Si-OR + HO-Si→Si-O-Si + ROH

Si-OH +HO-Si→Si-O-Si + H2O；

注：式中R为-C2H5

1.3 毛织物拒水拒油整理

1.3.1 整理剂的配制

将所得纳米SiO2悬浊液按所需浓度添加去离子水稀释，并按1.6 mg/L加入超分散剂PSE，搅拌15 min，再滴加适量水性聚氨酯，在40℃水浴中高速搅拌10 min,然后超声30 min,即得均匀、稳定、乳白色的纳米SiO2整理剂。

1.3.2 整理工艺

以所配制分散液为整理剂，将织物按如下工艺进行整理，分析纳米SiO2的浓度、预烘温度、烘燥因子对实验结果的影响，以得到一条最佳的工艺路线(纳米SiO2浓度假设Si+4全部转化为SiO2的质量百分比浓度)。

预处理→浸润(20 min)→二浸二轧(轧余率70%)→预烘→烘焙

1.4 测试[4]

1.4.1 纳米微粒表征

纳米微粒FTIR分析：将1.2中制备好的纳米悬浊液用离心机使纳米颗粒离心沉淀，置于滤纸中使其自然干燥后，再在电热鼓风烘箱中先低温预烘干，再升高温度至140℃烘约20 min，使残存其中的水、氨水和乙醇完全蒸发，取出所得白色粉末，用研体充分研碎后，利用傅立叶变换红外光谱仪分析其分子结构。

其它：用激光粒度仪测试整理液中纳米粒子的粒径大小及分布情况；用原子力扫描探针显微镜观察纳米微粒形貌；用扫描电子显微镜观察纳米粒子在整理后织物纤维上的分布状态。

1.4.2 拒水性测定

根据GB/T 4745-2012《纺织品 防水性能的检测和评价 沾水法》，利用沾水度测定仪喷淋织物，根据试样的润湿程度，对照评级样照和评级文字评定等级。

1.4.3 拒油性测定

根据GB/T 19977-2005《纺织品 拒油性 抗碳氢化合物试验》，采用一系列表面张力不同的碳氢化合物所组成的标准试液，从低到高逐渐检测。

2 结果与讨论

2.1 纳米微粒表征

2.1.1 纳米SiO2的FTIR分析(见图1)

图1 纳米SiO2红外光谱图

从所得FTIR图1中可以看出，在波长范围内有5个较明显的波峰。在波数为1082.4 cm-1、800.3 cm-1和460 cm-1处出现的波峰分别代表Si-O-Si的反对称伸缩振动、对称伸缩振动和弯曲振动，这三峰在红外光谱图上峰强明显较大，尤其是1082.4 cm-1处，这证明所得微粒主体成分为Si-O-Si网络骨架结构，与SiO2基本相同，也说明微粒聚合程度较好，反应中缩聚较完全。另外，在波数为3000 cm-1的Si-OC2H5特征峰处未见明显波峰。可见，在纳米材料制备过程中，TEOS已完全水解。在波数为952.7 cm-1处代表Si-OH的伸缩振动，在波数为1638.3 cm-1出现的波峰则代表-OH的弯曲振动，均已非常微弱。另外，在波数为3466 cm-1附近未见明显代表反对称-OH的伸缩振动的特征峰。以上分析说明，所得微粒与SiO2成分基本吻合，证明是二氧化硅，且微粒缩聚程度较好。另外，从图1可以看出，未见明显干扰波峰，可见所得SiO2纯度非常高。

2.1.2 整理剂中纳米SiO2粒径分布

纳米SiO2性能好坏直接影响着整理的效果。纳米颗粒的粒径越小，其表面活性越强，表面效应越明显，整理织物的拒水拒油性越好，纳米粒子与织物表面纤维结合也会越紧密，耐洗牢度更好；纳米颗粒的粒径越小，配制整理液所需的粘合剂等材料就会越少，整理后织物的手感、透气性也会更好。为此，必须对纳米SiO2粒径进行测试表征。由图2可知,所得纳米SiO2经分散处理后在整理液中平均粒径为46.3 nm，且分布较为集中，具有良好的分散度。

图2 纳米SiO2粒度分布图

2.1.3 整理剂中纳米SiO2的形貌

整理剂中纳米SiO2的原子力扫描探针显微镜(SPM)照片见图3、图4。在照片中可以看出纳米SiO2颗粒的形态近似球形，形貌规整，粒径在100 nm以内。

图3 纳米SiO2正面SPM图

图4 纳米SiO2侧面SPM图

2.2 整理工艺因素探讨

在拒水拒油功能整理中，我们知道，浴比不是影响效果的主要因素，效果的好坏更多取决于整理剂浓度、预烘温度和烘燥情况。为此，本实验中主要对纳米SiO2浓度、预烘温度和烘燥因子进行分析考虑。

2.2.1 纳米SiO2浓度变量实验

将所得纳米SiO2配制成不同浓度的整理液，进行单因素效果研究。其中，浴比1∶10，预烘80℃×30 min，烘焙140℃×5 min。结果如图5所示。

从图5中可以看出，浓度在2.4%以下时，随着整理剂浓度的升高，拒水拒油效果都呈上升趋势。当浓度进一步升高时，其效果变化不明显。由于纳米SiO2浓度过大时会对整理后织物手感等服用性能造成影响，故浓度以2.4%为最佳。

图5 纳米SiO2量与拒水拒油等级关系

2.2.2 预烘温度变量实验

按纳米SiO2浓度1.2%，浴比1∶10，烘燥因子120℃×10 min，改变预烘温度，预烘30 min,进行预烘温度变量实验。结果如图6所示。

图6 预烘温度与拒水拒油等级关系

我们知道，采用传统的碳氟化合物类拒水拒油整理剂整理面料时，预烘温度对结果影响不大。由上图可以看出，采用纳米SiO2整理时，预烘温度对其整理效果有一定的影响，但也不是主要的影响因素。拒水拒油整理效果均随着预烘温度的升高平稳变化，但变化幅度较小，且当温度超过100℃基本趋于稳定。出现此结果的原因是由于在溶剂的蒸发过程中，易使整理剂出现泳移现象，纳米颗粒会随溶剂向织物表面移动，导致纳米颗粒在织物表面分布不均匀。若预烘温度较低，烘干试样所需时间则相对较长，泳移现象表现更明显，更易出现纳米颗粒在织物表面堆积，从而降低了整理效果，同时也会导致耐洗牢度下降。随着温度的升高，烘干所需时间变短，泳移过程缩短，更有益于纳米颗粒的均匀分布。综上，预烘温度取100℃为宜。

2.2.3 烘燥因子变量实验

按纳米SiO2浓度2.4%，浴比1∶10，预烘100℃×30 min处理整理样，改变烘燥因子，进行烘燥因子变量实验。结果如图7所示。

图7 烘燥因子与拒水拒油等级关系

从图1中可以看出，随着烘燥因子温度升高，拒水拒油等级均呈明显上升趋势，证明焙烘因子对试样拒水拒油效果有很大影响。这缘于较高的温度能使整理剂在织物表面有较好的固化效果，使表面张力进一步降低。当温度达到140℃时，拒水效果已达到最好，拒油效果也已达5级，而拒油效果仍能随温度升高缓慢提高，但由于过高的温度会损伤织物，使织物强力下降，故不宜采用。

从上述结果得出，对此毛织物拒水拒油整理的最佳工艺为：纳米SiO2浓度2.4%，预烘温度100℃，烘燥因子为140℃×5 min。下面是一些相关效果图。图8是整理后试样经扫描电镜放大6000倍后纳米颗粒在毛纤维表面上的状态图，图9和图10分别为整理前后织物的拒水拒油效果图(左为整理前原样照，右为整理后样照)。

图8 整理后毛纤维表面的SEM图片(6000倍)

3 结论

3.1 采用溶胶-凝胶法，成功制得了单分散的球

形纳米SiO2颗粒，其形貌规整，粒径在100 nm以内。用其所配纳米整理剂平均粒径为46.3 nm,分布集中且整理液均匀稳定、分散性良好。

图9 整理前后拒水效果图

图10 整理前后拒油效果图

3.2 经自制纳米SiO2整理剂整理后的毛织物具有良好的拒水拒油性能。通过工艺参数优化，在最佳工艺路线：纳米SiO2浓度2.4%，浴比1∶10，预烘100℃，焙烘140℃×5 min处理后，拒水拒油等级均能达到5级。

[1] 张宝才，王梅珍，王昶，林红.纳米技术在精纺毛织物上的应用[J].毛纺科技，2004，(11)：23—25.

[2] 何斌，王相田，刘伟.纳米SiO2水溶胶的制备技术研究及应用[J].上海化工，2000,(9)：14—17.

[3] 赵丽.纳米微米二氧化硅球形颗粒的制备与表征[D].武汉：武汉理工大学，2003.

[4] 狄剑锋.织物拒水拒油整理及其性能检测[J].上海纺织科技，2003,31(4)：52—54.

Research on Nano SiO2Water and Oil Repellent Functional Finish of Wool Fabrics

YeYuanjing

(Fujian Textile Fiber Inspection Institute, Fuzhou 350026, China)

To improve performances of wool fabrics, and attain the function of water and oil repellent, pure wool fabrics were finished by the self-made nano SiO2finishing liquor, and the effect of various process factors on the water and oil repellent was analyzed. And the optinum process was obtained.

sol-gel; nano; silicon dioxide; water and oil repellent；functional finish

2014-10-19

叶远静(1978—)，男，江西九江人，工程师。

F062.9

A

1009-3028(2014)06-0004-04