咪唑类离子液体对涤纶的碱减量加工

曹机良 孟春丽 曹毅 闫凯 李元青

摘要： 采用溴化1-十四烷基，3-甲基咪唑（1-14）、溴化1-十四烷基，3-己烷基咪唑（6-14）、溴化1-十四烷基，3-癸烷基咪唑（10-14）三只离子液体作为涤纶织物的碱减量促进剂，研究了氢氧化钠和促进剂用量，以及碱减量温度、时间等因素对涤纶织物碱减量的影响，并与常规碱减量促进剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）比较，测试了碱减量涤纶织物的减量率。结果得出：咪唑类离子液体可用于涤纶织物碱减量加工促进剂，并可有效提高碱减量加工效率，提高碱剂利用率；降低工艺中碱剂的用量，可通过控制工艺温度与保温时间来改变织物的减量率；试验得出促进剂对涤綸碱减量促进效果为10-14>CTAB>6-14>1-14，其中咪唑类离子液体促进剂的促进效果与促进剂分子中碳链长度呈现正相关。

关键词： 涤纶；烷基咪唑；离子液体；碱减量；水解

中图分类号： TS195.523

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2017）12-0021-05

Abstract： Three ionic liquids （1-14 alkyl bromide，3-methylimidazole （short as 1-14），1-14 alkyl bromide，3-hexane imidazole （short as 6-14），1-14 alkyl bromide，3-decane imidazole （short as 10-14）） were applied as the accelerants for alkali deweighting of polyester fabrics to study the effects of the dosage of sodium hydroxide and accelerants as well as the temperature and time of alkali deweighting on alkali deweighting of polyester fabrics were analyzed， and the results were compared with the results of conventional alkali deweighing accelerator sixteen alkyl methyl bromide （CTAB）. Meanwhile， the deweighting rate of polyester fabrics was tested. The results show that imidazolium ionic liquid can be used as alkali deweighting accelerant of polyester fabrics， and can effectively improve the processing efficiency of alkali deweighting， enhance the utilization rate of alkali agent and reduce the dosage of alkali agent. By controlling the temperature and time， the deweighting rate of the fabric can be changed. The results show that the promotion effect of accelerants on alkali deweighting of polyester fiber is as follows：10-14>CTAB>6-14>1-14. The promotion effect of imidazole ionic liquid accelerant is positively correlated with the length of carbon chain in the accelerant molecule.

Key words： polyester fabrics； alkylimidazole； ionic liquid； alkali deweighting； hydrolysis

涤纶纤维的碱减量过程是聚酯大分子链在碱剂中的多相水解过程，在碱剂作用下最终水解生成对苯二甲酸钠及乙二醇[1-2]。涤纶纤维经碱减量处理之后可改善合成纤维自身的缺陷，获得手感柔软、光泽柔和，以及具有较好的悬垂性、保水性，滑爽而富有弹性，使之具有真丝绸的效果[3]。涤纶碱减量工艺加工过程中，单一使用氢氧化钠条件下，氢氧化钠的消耗量较大、利用率低，容易造成生产浪费，且生产排放废液中过高的碱剂含量使得废水处理较为繁琐，无疑将增加企业生产成本[4-6]。因此，寻找一种涤纶纤维碱减量加工促进剂，以提高碱剂利用效率，降低工艺中碱剂用量，成为一个研究方向。离子液体属于复合型离子表面活性剂，是一种新型的溶剂，具有亲水亲油的特性，且物理、化学稳定性好，可回收再利用。在纺织印染行业的应用，可实现生产的低碳环保与节能减排。季铵盐类离子液体促进剂属于阳离子型表面活性剂，被广泛应用于涤纶碱减量工艺研究[7-9]，在溶液中，由其双亲特性会吸附于纤维表面，同时促使碱剂中电离的OH-离子富集于纤维表层，促使OH-离子与涤纶纤维酯键的水解反应，从而提高涤纶碱减量效果[10-11]。

本试验将溴化1-十四烷基，3-甲基咪唑（1-14）、溴化1-十四烷基，3-己烷咪唑（6-14）、溴化1-十四烷基，3-癸烷咪唑（10-14）及CTAB作为涤纶织物的碱减量促进剂，通过探究涤纶碱减量工艺加工的影响因素，分析离子液体在涤纶碱减量加工过程中的促进效果，从而得出咪唑类离子液体用于涤纶碱减量的可能性。

1 试 验

1.1 材料与仪器

织物：涤塔夫（市售，210T）。

试剂：氢氧化钠（分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司）；十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；不对称烷基咪唑类离子液体：1-14、6-14、10-14（自制）。试验所用碱减量促进剂结构式如图1所示。

仪器：HD026H型织物强力机（南通宏大实验仪器有限公司），Quanta 250型扫描电子显微镜（捷克FEI公司）。

1.2 碱减量工艺

氢氧化钠xg/L，碱减量促进剂ymol/L，浴比1︰50，室溫开始处理，以1℃/min升温至T℃，保温处理tmin，再降温水洗、烘干。

1.3 测试方法

1.3.1 减量率测定

分别测试出涤纶织物碱减量处理前后织物的绝对干重，由以下公式即可求得减量率。

减量率/%=W1-W2W1×100（1）

式中：W1为碱减量加工前织物的绝对干重，g；W2为碱减量加工后织物的绝对干重，g。

1.3.2 强力测定

用HD026H型织物强力机，分别测试出原坯布断裂强力S1及处理试样断裂强力S2，由以下公式可求得织物的强力损失。

强力损失率/%=S1-S2S1×100（2）

式中：S1表示坯布断裂强力，N；S2表示处理后织物的断裂强力，N。

1.3.3 扫描电镜（SEM）测试

将粘有干燥涤纶织物试样的样品台放置于离子溅射仪中镀金，于抽真空状态下，用Quanta 250型扫描电子显微镜观察织物纤维形貌特征，其测试加速电压15kV。

2 结果与分析

2.1 NaOH用量对减量率的影响

碱减量促进剂2.5×10-5mol/L，室温开始处理，升温至98℃，保温处理60min，探究NaOH用量对涤纶碱减量效果的影响，测试结果如图2所示。由图2可知，随氢氧化钠用量的增加，涤纶织物减量率始终保持增加趋势，说明增加氢氧化钠的用量将促进涤纶减量率的提高。涤纶碱减量的过程即是聚酯分子链的水解过程，在这一过程中，NaOH作为碱剂可为水解过程提供较强的OH-离子作为亲核试剂，与纤维酯键发生亲核取代反应，使得酯键发生水解而断裂，纤维表面逐渐被碱剂刻蚀而形成凹槽。因此，随着NaOH含量的提高，溶液中游离的OH-离子含量增加，使OH-离子被涤纶纤维吸附的概率增加，即纤维表面可有更多的OH-离子与聚酯链发生亲核取代反应，使得织物减量率不断提高。另外，由图2可知，在相同碱剂用量条件下，碱减量促进剂的促进效果依次为10-14>CTAB>6-14>1-14，且10-14（溴化1-十四烷基，3-癸烷咪唑）的促进作用较其他三种碱减量促进剂的促进作用更加明显。这是因为四种促进剂的疏水性强弱不一，对于咪唑类离子液体促进作用1-14，6-14和10-14，随着其疏水碳链的增长，其疏水性增强，对涤纶的吸附性能也随之提高，故碱减量效果越显著；而常规碱减量促进剂CTAB的促进作用介于6-14和10-14之间，说明10-14的疏水性强于CTAB。由于碱减量过程中增加碱剂用量，纤维的强力损失也将同时增加，因此，综合考虑涤纶纤维碱减量后的各项性能，选择氢氧化钠质量浓度为10g/L。

2.2 碱减量促进剂用量对减量率的影响

采用NaOH 10g/L，室温开始处理，升温至98℃，保温处理60min，探究碱减量促进剂用量对涤纶碱减量效果的影响，测试结果如图3所示。涤纶碱减量促进剂多为阳离子表面活性剂，由于促进剂的两亲性能，在碱减量过程中促进剂会吸附于涤纶纤维表面，同时将碱液中OH-离子富集于涤纶纤维表面，提高纤维附近OH-离子浓度，促进了OH-离子与纤维酯键的水解反应，从而提高减量率。因此，碱减量促进剂的存在可提高碱减量过程中碱剂的利用率，降低碱减量过程中碱剂的用量，并提高碱减量效果。由图3可知，随碱减量促进剂的加入，涤纶纤维减量率逐渐提高。同时可知，四种碱减量促进剂对涤纶纤维的促进效果依次为10-14>6-14>CTAB>1-14，且碱减量促进剂10-14的用量为2×10-5mol/L时对涤纶纤维的减量率达到40%左右，高于CTAB和1-14两种碱减量促进剂在用量为8×10-5mol/L时对涤纶纤维的减量率。同时又可看出，当碱减量促进剂用量为6×10-5mol/L时10-14、6-14和CTAB三种促进剂对涤纶纤维的碱减量促进作用基本不再增加，这是因为随着促进剂摩尔浓度的增加，吸附在涤纶表面的促进剂增多，当10-14、6-14和CTAB三种促进剂摩尔浓度达到6×10-5mol/L时，其在涤纶表面已经达到饱和吸附，再增加促进剂摩尔浓度，减量率几乎不再增加。因此，在实际生产中可根据具体的生产要求选择合适的碱减量促进剂及其用量。

2.3 碱减量温度对减量率的影响

采用NaOH 10g/L，碱减量促进剂2.5×10-5mol/L，室温开始处理，升温至T℃，保温处理60min，探究工艺温度对涤纶碱减量效果的影响，测试结果如图4所示。由图4可知，随工艺温度的提高，涤纶纤维减量率逐渐增加，当温度达到90℃以后织物减量率快速增加，98℃时织物减量率较90℃时织物减量率提高将近一倍，说明提高碱减量工艺温度可促进涤纶的碱减量加工。这是因为涤纶纤维属热塑型纤维，存在玻璃化温度（Tg），又由于纤维大分子的良好共平面性，使得纤维间空隙较小，在工艺温度小于Tg时，碱剂只能作用于纤维表面，且水解速率较低。而当工艺温度高于Tg时，涤纶纤维由玻璃态向高弹态进行转变，纤维分子链段运动加剧，纤维间自由体积增加，碱剂进入纤维内部的几率增大，同时温度升高OH-离子与纤维酯键的反应活性提高，水解速率增加。在工艺生产过程中，应适当提高工艺温度，或者可加入某种纤维膨化剂，促进低温条件下涤纶纤维的膨化，增加纤维分子链间空隙，进而促进涤纶纤维的碱减量过程。因此，本试验工艺根据促进剂的促进效果不同可选择保温温度为90～98℃。

2.4 碱减量时间对减量率的影响

采用NaOH 10g/L，碱减量促进剂2.5×10-5mol/L，室温开始处理，升温至98℃，保温处理tmin，探究保温时间对涤纶碱减量效果的影响，测试结果如图5所示。由图5可知，随工艺加工时间的延长，涤纶织物减量率逐渐增加，且用碱减量促进剂10-14处理的涤纶织物其减量率增加效果最为明显。随时间的延长，OH-离子由表及里对涤纶纤维进行水解，同涤纶纤维分子链中酯键的反应就更加充分，碱减量效果就更好。因此，在工艺处方确定的条件下，可通过控制工艺保温时间来改变涤纶织物的减量率。

2.5 织物性能测试

2.5.1 强 力

选择涤纶原样和涤纶碱减量样品（NaOH 10g/L，10-14 2.5×10-5mol/L，升温至90℃，保温处理60min）进行强力测试，结果如表1所示。由表1可知，采用10-14作为碱减量促进剂，碱减量温度为90℃的条件下保温60min时，织物的减量率达到22.4%，强力损伤为21.7%。

2.5.2 SEM

由涤纶碱减量前后的SEM表征（图6）可知，涤纶原样的表面较为光滑，且覆盖一些杂质，经碱减量处理后涤纶织物的表面更为光滑，表面出现明显的“凹槽”，说明经碱减量处理后涤纶被“剥皮”，且纤维表面出现“凹槽”，使涤纶纤维变细、比表面积增大，改善了织物的手感。

3 结 论

1）咪唑类离子液体促进剂用于涤纶纤维的碱减量加工，可有效提高涤纶碱减量效果；促进剂的双亲特性可将氢氧根离子富集于纤维表面，进而促进纤维酯键的水解反应，且咪唑类离子液体的疏水性越强其碱减量促进作用更显著。

2）对于不同疏水碳链长度的咪唑类离子液体作为促进剂，涤纶碱减量工艺加工中可采用NaOH 10g/L，碱减量促进剂2.5×10-5mol/L，在90～98℃条件下保温60min，具体温度视促进剂的疏水性而定，所得织物可获得较好的碱减量加工效果。

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