聚氨酯/有机硅水凝胶整理棉织物的拒水性能

（南昌理工学院，江西南昌 330044）

棉织物穿着舒适，与人体肌肤具有良好的亲和性，深受人们的喜爱，是最常用的服装面料之一。棉织物纤维分子上存在大量羟基，亲水性强，因而棉织物易被润湿和渗透，影响其在服装领域的广泛应用。随着经济的发展，人们对服装面料的要求越来越高，在保持棉织物舒适性的同时增加其拒水性能，可以扩大棉织物的应用范围［1-4］。棉织物的拒水整理就是将疏水物质附着于棉织物表面或内部，或改变棉织物表面结构，以降低棉织物的表面张力，达到拒水的目的［5-6］。目前常用的拒水剂有脂肪烃类、含氟类和有机硅类化合物，脂肪烃类拒水剂拒水效果好，但耐洗性、透气性、耐磨性较差，使用受到限制；含氟类化合物拒水效果好，但是价格昂贵且对环境存在一定的危害性；有机硅类拒水剂对环境友好，但是稳定性较差［7-8］。聚氨酯（PU）是由氨基甲酸酯形成的高分子化合物，具有柔韧性好、黏结强度高等优点［9-10］。

本研究以自制的聚氨酯/有机硅水凝胶对棉织物进行整理，制备了具有拒水能力的功能性棉织物，并且研究了PU/有机硅水凝胶整理棉织物应用于服装的可能性。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：棉织物（半漂布，经纬密度为40×40，裁切尺寸为5 cm×20 cm），聚四氢呋喃醚二醇、二丁基二月桂酸锡、异佛尔酮二异氰酸酯、二羟甲基丙酸、1,4-丁二醇、异丙醇、聚醚氨基硅油、三乙胺（分析纯），实验用水为自制去离子水。

仪器：Nicolet IS 10 型傅里叶红外变换光谱仪（FT-IR），日立SU 1510 型扫描电子显微镜（SEM），DSA 25 型接触角测量仪，INSTRON 5590 型万能材料试验机，Phabr Ometer 织物手感评价系统，TSE-2型喷淋式拒水试验机，FX3000-3H 型静压透水性试验仪，WSB-3A 型数字白度仪。

1.2 PU/有机硅水凝胶整理棉织物的制备

称取一定量聚四氢呋喃醚二醇加入三口烧瓶中，加热至120 ℃，抽滤1 h，自然冷却至室温，加入0.1%的二丁基二月桂酸锡和异佛尔酮二异氰酸酯，加热至90 ℃，加入二羟甲基丙酸，反应90 min 后滴加适量1,4-丁二醇和异丙醇，保持60 min，冷却至5 ℃，加入聚醚氨基硅油保温90 min，加入三乙胺中和1 h，加入去离子水，搅拌并分散乳化，得到PU/气凝胶乳液。将棉织物浸水润湿后脱水，再浸入PU/气凝胶乳液中保持5 min，二浸二轧，70 ℃预烘5 min，130 ℃焙烘5 min，得到PU/有机硅水凝胶整理棉织物。

PU 整理棉织物的制备方法类似：首先称取一定量聚四氢呋喃醚二醇加入三口烧瓶中，加热至120 ℃，抽滤1 h，自然冷却至室温，加入0.1%的二丁基二月桂酸锡和异佛尔酮二异氰酸酯，加热至90 ℃，加入二羟甲基丙酸，反应90 min 后滴加适量1,4-丁二醇和异丙醇，保持60 min，冷却至5 ℃，保温90 min，加入三乙胺中和1 h，加入去离子水并搅拌。将棉织物浸水润湿后脱水，再浸入PU/气凝胶乳液中保持5 min，二浸二轧，70 ℃预烘5 min，130 ℃焙烘5 min。

1.3 测试

静态水接触角：将棉织物固定在载玻片上并放置于测试平台上，选取中心点和靠近4 角的点分别滴加5 μL 水滴，测量静态水接触角，测5次，取平均值。

拒水性和抗静水压：参考AATCC 22—2005《拒水性能测试：喷淋法》和AATCC 127—2001《防水性：抗静水压试验》测试，测5次，取平均值。

耐水洗性能：参照GB/T 8629—2017《纺织品 试验用家庭洗涤和干燥程序》，洗涤不同次数后测试棉织物的静态水接触角、拒水性和抗静水压。

断裂强力：将棉织物固定于仪器上，参考GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能 第1 部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》测试，控制断裂时间为（20±5）s，测5块试样，取平均值。

白度：参考GB/T 8424.2—2001《纺织品 色牢度试验相对白度的仪器评定方法》测试。

柔软性：将棉织物做调湿平衡处理，参考AATCC 66—2010 评价，测试结果取值范围为0～100，值越大样品的柔软性越好。

透气性：参考GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测试，测5次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 表征

2.1.1 FT-IR

由图1a 可知，3 270 cm-1处特征峰对应纤维素聚合物中—OH氢键的伸缩振动，2 895、1 315 cm-1处特征峰分别对应棉织物—CH 的对称伸缩振动和弯曲振动，1 160 cm-1处特征峰对应棉织物C—O—C 的伸缩振动。由图1b 可知，3 388 cm-1处特征峰对应聚氨酯的—NH，2 930、2 859 cm-1处特征峰分别对应脂肪链中—CH2的对称伸缩振动和不对称伸缩振动，1 530、1 260 cm-1处特征峰分别对应—NH 和—CH2的振动，1 070 cm-1处特征峰对应C—O—C 的伸缩振动。图1a和图1b 的图谱差异表明和—OH 之间通过氢键形成了相互作用，PU 和棉织物结合在一起。由图1c可知，950、845 cm-1处特征峰分别对应Si—OH 的伸缩振动和弯曲振动，表明有机硅颗粒的存在［11］。

图1 棉织物(a)、PU 整理棉织物(b)和PU/有机硅水凝胶整理棉织物(c)的FT-IR 图谱

2.1.2 表面形貌

由图2 可知，棉织物表面被PU 覆盖后纤维结构消失不见，可在棉织物表面看到一层膜状物质，这是由于PU 在棉织物纤维表面成膜；经过PU/有机硅水凝胶整理的棉织物表面也存在薄膜结构，但薄膜由多个规则无序的块状物质堆积而成，因而PU/有机硅水凝胶整理棉织物表面比PU 整理更粗糙。

图2 棉织物(a)、PU 整理棉织物(b)和PU/有机硅水凝胶整理棉织物(c)的SEM 图

2.2 拒水性能

静态水接触角可以较为直观地表现PU 或PU/有机硅水凝胶覆盖对棉织物疏水性能的影响。棉织物纤维中存在着大量的—OH，亲水性极强，未整理时，棉织物接触水珠后会瞬间被润湿；PU 或PU/水凝胶整理的棉织物接触水珠时，可明显观察到水珠的形成，在外力作用下，水珠可从棉织物表面掉落而不会使棉织物润湿，拒水性能大大提高。由表1 可知，PU整理棉织物的静态水接触角为96.7°，拒水性为80分，抗静水压为1.87 kPa，这是由于PU 本身表面能较低，具有良好的疏水性；PU/有机硅水凝胶整理棉织物的静态水接触角为102.4°，比PU 整理棉织物略上升，拒水性为90分，抗静水压为2.02 kPa，这可能是由于PU 和有机硅水凝胶两种疏水性材料复合后进一步降低了其表面能，导致整理棉织物接触角进一步增大［12］。

表1 棉织物、PU 整理棉织物和PU/有机硅水凝胶整理棉织物的拒水性能

2.3 耐水洗性能

PU 和PU/有机硅水凝胶整理棉织物的耐水洗性能见表2。

表2 PU 和PU/有机硅水凝胶整理棉织物的耐水洗性能

由表2 可知，随着水洗次数的增加，PU 和PU/有机硅水凝胶整理棉织物的接触角、拒水性和抗静水压均呈现下降趋势。水洗50 次后，PU 整理棉织物的静态水接触角下降了16.8%，但仍有80.4°，拒水性为70 分，仍具有较好的疏水性。PU/有机硅水凝胶整理棉织物经过50次水洗后静态水接触角下降了10.9%，达到91.2°，拒水性为80 分，相比PU 整理棉织物具有更好的耐水洗性能，这是由于加入有机硅后，硅羟基与棉织物纤维发生交联作用，使得PU/有机硅水凝胶与棉织物结合得更牢固。

2.4 服用性能

由表3 可知，PU 整理后，棉织物的白度下降，但PU/有机硅水凝胶整理棉织物的白度比原棉织物大，表明有机硅的引入可以增大棉织物的白度；PU 整理棉织物的透气性快速降低，添加有机硅后，透气性有所增加；PU 和PU/有机硅水凝胶整理棉织物的柔软度均增加，棉织物的使用舒适性提高；整理棉织物的强力存在一定的损失，PU 整理棉织物的经向和纬向分别损失5.3%和4.6%，损失不大，添加有机硅后可进一步减少棉织物的强力损失。

表3 拒水整理棉织物用作服装的性能

3 结论

利用浸轧法制备聚氨酯/有机硅水凝胶整理棉织物，静态水接触角为102.4°，拒水性为90 分，抗静水压为2.02 kPa，表明棉织物具有良好的拒水性能；白度、柔软度和断裂强力均有所增加，表明棉织物在服装领域具有应用前景。聚氨酯/有机硅水凝胶整理的棉织物经过50 次水洗后接触角为91.2°，仍具有较好的拒水性能。