基于二氧化硅与DM-3668B的涤纶织物疏水疏油整理

张璐璐, 董 晶, 蒋谨凡, 高加勇, 杜金梅

(1.江南大学 a.生态纺织教育部重点实验室;b.江苏省功能纺织品工程技术研究中心, 江苏 无锡214122；2.莱美科技股份有限公司, 浙江 长兴 313109)

基于二氧化硅与DM-3668B的涤纶织物疏水疏油整理

张璐璐1, 董 晶1, 蒋谨凡2, 高加勇2, 杜金梅1

(1.江南大学 a.生态纺织教育部重点实验室;b.江苏省功能纺织品工程技术研究中心, 江苏 无锡214122；2.莱美科技股份有限公司, 浙江 长兴 313109)

采用自制的二氧化硅纳米溶胶对涤纶织物进行预处理, 再利用疏水剂DM-3668B对预处理织物进行疏水疏油处理, 探讨了预处理液中二氧化硅溶胶所占比例及DM-3668B质量浓度对涤纶织物疏水性能的影响.研究发现：直接利用溶胶(不经稀释)进行预处理, 且在DM-3668B质量浓度为40 g/L的工艺条件下, 涤纶织物的疏水性能较单纯采用DM-3668B进行处理有较大提升, 同时, 织物对橄榄油展现了较好的疏油性能；二氧化硅和DM-3668B联合整理涤纶织物后, 二氧化硅溶胶能均匀地分散在织物表面, DM-3668B处理不影响预处理中二氧化硅在涤纶纤维上的分布；联合整理的织物具有很好的耐淋水、耐静水压性能, 织物断裂强度增大, 同时二氧化硅有利于缓解高温处理下织物白度下降的问题.

疏水；疏油；涤纶；二氧化硅溶胶；DM-3668B

随着生活水平的提高, 纺织品的功能整理日益受到人们的关注.目前, 多数面料存在易被水润湿、易被油剂沾污等问题，这导致面料打理费时费力、洗涤用水量大、洗涤剂污染环境等问题.消费者对纺织面料的防水、防油、易去污性能提出前所未有的高要求[1-3].织物的疏水疏油性是指织物对水及低表面张力油类的阻拒性能.疏水疏油整理的目的是阻止水及油对织物的润湿, 整理后织物仍然保持透气透湿性能.疏水疏油整理织物首先用于生产军服、防护服, 现已广泛用于制作运动服、旅行包、伞具、帐篷等, 国内外市场上对这类面料的需求正在逐年增加[4-5].涤纶(PET)纤维断裂强度和弹性模量高、尺寸稳定性好, 耐光、热性能优异, 抗氧化剂、还原剂、酸能力强, 织物挺括抗皱性好, 具有良好的洗可穿性[6].上述涤纶纤维的优良性能使涤纶织物在纺织领域占有非常大的市场.开发高效涤纶疏水疏油整理方法, 具有非常重要的作用[7].文献[8-10]研究表明, 增加疏水材料的表面粗糙度能提高材料的疏水性能.疏水剂DM-3668B为高浓度环保型有机氟化合物, 整理的织物具有疏水疏油效果, 但未见其与二氧化硅溶胶联合使用的相关报道.本文在DM-3668B整理涤纶织物的基础上, 对涤纶进行二氧化硅溶胶预处理, 通过赋予织物一定的表面粗糙程度的方法提高织物的疏水性能.

1 试 验

1.1 材料、药品及仪器

材料: 涤纶织物, 经、纬纱线线密度皆为5.55tex，经、纬密分别为109和81根/10 cm.

药品: DM-3668B(德美化工), 正硅酸四乙酯(TEOS)、氨水、无水乙醇、橄榄油(国药集团化学试剂公司, 分析纯).

仪器: Aven 26700-300型数字显微镜接触角测试仪(美国盈爱iNEQ集团), 磁力搅拌器(英国STUART公司), 织物渗水性测定仪(温州大荣纺织仪器有限公司), YG(B)026D-250型电子织物强力机(温州大荣纺织标准仪器厂), YB-1813型喷淋测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司), Datacolor650型反射分光光仪(美国Datacolor公司), SU-1510型扫描电子显微镜(日本HITACHI公司), Nano-zs90型纳米粒度及Zeta电位分析仪(英国MALVERN公司).

1.2 疏水疏油涤纶织物的制备

1.2.1 二氧化硅溶胶制备

在磁力搅拌下, 将 6 mL TEOS用恒压漏斗滴加到含有 15 mL氨水和 200 mL乙醇混合溶液的圆底烧瓶中, 在常温下继续搅拌反应 3 h, 可制备出平均粒径为 200 nm左右的二氧化硅纳米溶胶.

1.2.2 二氧化硅溶胶预处理涤纶织物

将涤纶织物分别浸渍在二氧化硅溶胶的稀释水溶液中(溶胶占总处理液的质量分数分别为0, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%), 浸渍5min后, 采用两浸两轧工艺, 轧余率为90%～100%, 80 ℃烘干.

1.2.3 疏水剂DM-3668B处理涤纶织物

将二氧化硅溶胶预处理的涤纶织物分别浸渍在含DM-3668B质量浓度为20, 30, 40, 50, 60 g/L的水溶液中, 采用两浸两轧工艺, 轧余率为90%～100%, 100 ℃烘干1 min后, 180 ℃焙烘0.5 min.

1.3 试验结果表征

1.3.1 静态接触角测量

在织物的不同位置分别滴加10 μL的蒸馏水或橄榄油, 利用数字显微镜测量液体在织物上的接触角, 每个布样至少取5个点测量, 取平均值作为该布样的静态接触角.

1.3.2 表面形貌分析

采用扫描电子显微镜观察织物表面形貌, 放大倍数为 5 000.

1.3.3 淋水性能测试

参照AATCC-22—2011《防水性: (沾水、淋水试验)》进行织物耐淋水测试.将试样棉织物紧绷在沾水仪的绷架上, 取250 mL冷水迅速倾倒至玻璃漏斗内, 使水在25～30 s内淋洒于棉织物表面, 依据测试标准进行评级.

1.3.4 耐水压测试

参照AATCC-127—2011《耐水性: 流体静压测试》进行织物耐水压测试.在静水压测定仪上, 将布样平置于夹持器上, 把螺杆旋紧使之密闭.当水透过试样并在布面上出现3滴水珠时即为测试的终点.读取水柱的高度, 用毫米水柱来表示试样的耐水压大小, 测量5次取平均值，并最终转化为以Pa为试样的耐静水压单位.

1.3.5 断裂强力测试

参照GB/T 3923—2013《织物拉伸性能断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》检测织物断裂强度.沿着织物的经向裁剪5块25 cm×6 cm的试样, 在宽度方向将1 cm扯去边纱使其最终宽度为 5 cm进行织物强力测试.调节强力仪上下布夹间距离为 10 cm, 控制断裂时间在(20±3)s内.记录织物断裂强度, 测量5次取平均值.

1.3.6 白度测试

在反射分光光度仪上测试织物白度.采用D65光源, 标准观察者, 9 mm孔径, 含镜面反射.每个样品都对折两次, 然后在织物表面不同位置测3次反射率, 仪器自动取平均值.

1.3.7 耐洗牢度测试

参照AATCC-61—2010标准, 将织物放进耐洗色牢度试验机中按照标准水洗程序水洗, 设定温度为49 ℃, 每45 min为一个水洗程序, 相当于5次普通家庭洗涤.测量经过5次水洗程序即25次普通家庭洗涤后织物的接触角, 对比观察其耐水洗牢度.

1.3.8 二氧化硅溶胶颗粒尺寸及分布

取定量自制二氧化硅溶胶, 用无水乙醇稀释1 000倍, 取其中少量稀释液采用纳米Zeta电位分析仪测试乳液颗粒尺寸及分布情况.测试条件为25 ℃恒温5min后, 循环15次.

2 试验结果及分析

2.1 涤纶织物疏水疏油性能

2.1.1 二氧化硅溶胶质量分数的影响

由粒径分析仪测得制备的二氧化硅纳米溶胶的平均粒径为227.6 nm, 聚合物分散性指数(PDI)为0.100.通过改变二氧化硅溶胶的质量分数, 研究预处理液中二氧化硅溶胶质量分数对DM-3668B处理涤纶织物疏水性能的影响.试验结果如图1所示, 其中所采用DM-3668B的质量浓度为40 g/L.由图1可知, 不进行二氧化硅溶剂预处理而仅进行DM-3668B疏水处理的织物, 静态水接触角为142°, 随着二氧化硅溶胶在预处理液中所占比例的增加, 接触角总体趋势是逐渐增大, 当用所制备的二氧化硅溶胶直接进行预处理(未经稀释), 再经疏水剂整理后, 涤纶织物静态水接触角达到156°, 织物达到了超疏水效果.由于预处理采用轧烘工艺, 稀释二氧化硅溶胶导致织物表面获得的二氧化硅颗粒数量减少, 即织物的表面粗糙程度受到影响从而影响织物的接触角.

图1 二氧化硅溶胶的质量分数对涤纶织物疏水效果的影响Fig.1 Influence of the mass fraction of silica sol in solution to the hydrophobicity of PET fabric

2.1.2 疏水剂DM-3668B用量的影响

单独使用自制二氧化硅溶胶处理涤纶织物, 不使用DM-3668B降低其表面能量, 经整理后的涤纶织物疏水效果没有明显变化, 即在未整理的涤纶织物上滴加10 μL水滴后, 水滴在5 s内渗入织物, 而经二氧化硅溶胶预处理的织物, 水滴在10 s内渗入织物.因为试验制备的二氧化硅溶胶未经高温煅烧, 硅球表面含有丰富的硅羟基, 其为亲水基团.所以, 单纯的二氧化硅溶剂预处理对涤纶的疏水性能提高作用不大.依据杨氏方程可知, 降低材料的表面能量有助于提高液体对该材料上的接触角, 即提高材料的疏水/疏油性能.疏水剂DM-3668B作为一种含氟疏水疏油整理剂, 其可在织物表面形成致密的交联.氟碳化合物的表面能能量较低, 整理织物后可有效降低织物表面能量.通过改变DM-3668B质量浓度研究其对经二氧化硅溶胶预处理织物疏水性能的影响, 试验结果如图2所示.

图2 DM-3668B质量浓度对涤纶织物疏水效果的影响Fig.2 Influence of the mass concentration of DM-3668B to the hydrophobicity of PET fabric

研究发现, 当DM-3668B质量浓度低于20 g/L时, 水滴易于渗透进入涤纶织物, 即疏水剂用量过低不足以在织物表面形成有效覆盖[11].由图2可知, 随着DM-3668B质量浓度的增加, 织物疏水效果明显提高, 当质量浓度为40 g/L时, 达到了最高静态水接触角.再继续增大疏水剂质量浓度, 织物的疏水效果不升反降.这可能是由于过量的疏水剂分子在织物表面形成了二层吸附, 即多余的疏水剂的疏水链段吸附在织物表层疏水剂的疏水链段上, 导致其非疏水部分外露, 从而降低了织物的疏水性能.所以, 为了达到最好的疏水效果, 经100%未稀释的二氧化硅溶胶预处理的涤纶织物选择DM-3668B疏水处理的质量浓度应为40 g/L.

10 μL水滴和橄榄油在经二氧化硅和DM-3668B联合整理的涤纶织物及仅进行DM-3668B疏水剂处理的涤纶织物上的照片如图3所示.虽然二氧化硅和DM-3668B联合整理的涤纶织物(图3(d), 125°)与仅进行DM-3668B处理的涤纶织物(图3(c), 122°)相比, 其对橄榄油的疏油效果相差不大, 但是对疏水效果有较大影响(图3(b)的156°及图3(a)的142°).

图3 液珠(10 μL)在涤纶织物上的照片Fig.3 Image of liquid (10 μL) on PET fabric

未经任何处理、仅经DM-3668B疏水剂处理、二氧化硅溶胶处理、二氧化硅与DM-3668B联合处理的涤纶织物的表面形貌SEM图如图4所示.由图4可知： 单纯的DM-3668B处理(图4(b))对于织物表面形貌、粗糙程度(图4(a))没有任何影响；制备的二氧化硅溶胶可均匀地分散在纤维表面(图4(c))；DM-3668B处理对织物已有的二氧化硅微球分布基本不产生影响(图4(c)和4(d)).图4(b)与4(d)充分显示了二氧化硅溶胶处理后织物表面粗糙程度有很大提高. 根据Wenzel和Cassie-Baxter理论[2]可知, 增加低表面能物质的表面粗糙度可以提高其疏水性, 这也解释了为什么经二氧化硅和DM-3668B联合处理的涤纶织物的疏水效果要优于仅进行DM-3668B疏水处理的织物, 即增加材料表面粗糙程度可提高织物的疏水性能.

图4 织物表面形貌SEM图Fig.4 SEM image of surface morphology of PET fabric

2.3 涤纶织物物理性能

疏水整理前后织物的物理性能如表1所示.

表1 涤纶织物疏水整理前后物理性能

由表1可知, 单纯采用二氧化硅溶剂预处理涤纶织物, 对织物的疏水性能(耐淋水、静水压)、断裂强度及白度影响不大.仅经DM-3668B疏水剂处理和二氧化硅与DM-3668B联合整理的涤纶织物的耐淋水性能优异, 都达到了5级.二氧化硅与DM-3668B联合整理的涤纶织物的耐静水压性能超过仅采用DM-3668B疏水剂处理的涤纶织物.两种工艺整理的涤纶织物的断裂强度较未经处理织物均有所提高, 其中联合整理的织物断裂强度最高.这可能是由于DM-3668B疏水剂的疏水基在织物纤维上向外整齐排列, 使纤维之间的摩擦发生在相互滑动的疏水基之间, 纤维的摩擦因数大大降低, 从而织物在受到外力时纱线易于滑动, 应力分散, 这减少了织物由于应力集中而导致的大分子断裂.经单纯DM-3668B疏水剂处理后织物白度下降, 这可能是由于高温焙烘下, 涤纶发生脆损.但是经过二氧化硅溶胶预处理, 可以有效缓解白度下降的问题, 可见二氧化硅有助于提升织物的白度.

牢度对于织物改性或纺织品整理的效果评价非常重要.依据AATCC 61—2010标准进行5次循环洗涤(相当于25次普通家庭洗涤)后织物的水及橄榄油接触角数据如表2所示.由表2可知, 单独使用DM-3668B疏水处理涤纶织物与联合二氧化硅溶胶共同整理涤纶织物, 经过25次普通家庭水洗后, 织物都能保持良好的疏水/疏油性能, 具有较好的耐水洗性.由此可见, 二氧化硅溶胶预处理不会对DM-3668B疏水剂与涤纶织物之间的亲和力产生重大影响, 而且DM-3668B在涤纶织物表面能够形成致密的交联, 将二氧化硅颗粒与织物包覆, 使其不易脱落.

表2 水洗前后涤纶织物的接触角

3 结 语

本文通过改变自制二氧化硅溶胶在预处理液所占比例及疏水剂DM-3668B的质量浓度，探讨了二氧化硅及DM-3668B对涤纶织物疏水效果的影响.研究发现, 二氧化硅不经稀释直接进行预处理的涤纶织物疏水效果最好.为了达到最佳的疏水效果, 应采用二氧化硅溶胶预处理的涤纶织物且DM-3668B的质量浓度为40 g/L.尽管二氧化硅预处理对于提高织物疏油性能影响不大, 但其能有效增大DM-3668B整理涤纶织物的疏水效果.基于二氧化硅和DM-3668B联合整理的涤纶织物具有优异的耐淋水、静水压性能；同时, 能够提高织物的断裂强度, 有效解决白度下降的问题.整理工艺采用轧烘焙工艺, 可连续化生产.二氧化硅预处理虽然对织物疏水性能有较大提高, 但疏油性能提高不显著. 今后的研究方向需进一步研究其他尺寸二氧化硅能否有效提高织物的疏油性能, 制备出超疏水疏油织物.

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(责任编辑: 杨 静)

Hydrophobic and Oleophobic Treatment of Polyester Fabric Based on SiO2and DM-3668B

ZHANGLulu1,DONGJing1,JIANGJinfan2,GAOJiayong2,DUJinmei1

(a.Key Laboratory of Eco-textiles, Ministry of Education;b.Jiangsu Engineering Technology Research Center for Functional Textiles, 1.Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 2. Laimei Sci-Tech Inc., Changxing 313109, China)

Hydrophobic and oleophobic polyester fabric was prepared via the pretreatment of silica sol made in lab and the treatment of hydrophobic agent (DM-3668B). The influence of the ratio of silica sol in solution and the mass concentration of DM-3668B to the hydrophobicity of polyester fabric was studied. It was found that if polyester fabric was treated with silica sol which had not done any dilute during pretreatment before and with 40 g/L of DM-3668B, the treated fabric would be more hydrophobic than fabric which was only treated by DM-3668B. The treated fabric was oleophobic to olive oil. It was also found that silica sol could be evenly distributed on the fabric and the following DM-3668B had almost no influence on the distribution of silica. Fabric treated with silica sol and DM-3668B had good resistance to water spray and penetration of water under hydrostatic pressure. The breaking strength and whiteness of treated fabric were increased compared with the fabric treated only with DM-3668B. It was found that silica could help reduce the whiteness loss caused by high temperature treatment.

hydrophobic; oleophobic; polyester; silica sol; DM-3668B

1671-0444 (2017)03-0388-05

2016-05-13

国家自然科学基金资助项目(51203065); 江南大学自主科研计划重点资助项目(JUSRP51622A)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

张璐璐(1992—)，女,山东东营人，硕士研究生，研究方向为纺织品功能整理.E-mail：zll2608@163.com 杜金梅(联系人)，女，副教授，E-mail：jinmei_du@jiangnan.edu.cn

TS 195.6

A