溶膠-凝膠技術(shù)在精紡毛織物防氈縮整理中的應(yīng)用研究.pdf

1、以γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)為前驅(qū)體、有機(jī)醇和水為溶劑制備得到的溶膠，通過軋-烘-焙整理可以賦予羊毛織物良好的防氈縮性能，是一種極具潛力的非氯防氈縮整理方法。但溶膠制備過程中有機(jī)醇的大量使用，不僅污染環(huán)境，也限制了溶膠-凝膠技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，織物整理過程中焙烘溫度過高，也是急需解決的問題。
　　 本論文首先以GPTMS為前驅(qū)體、水為溶劑、鹽酸為催化劑制備了酸性GPTMS硅醇鹽水溶膠。納米粒度分析表明，這種

2、不使用有機(jī)醇的方法可制得均勻穩(wěn)定的硅醇鹽水溶膠。這是由于鹽酸的催化作用，水/GPTMS硅醇鹽界面能夠有效發(fā)生反應(yīng)，而且硅醇鹽水解生成的甲醇有利于消除水/硅醇鹽界面，可使反應(yīng)在分子水平上均勻進(jìn)行。經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化，GPTMS硅醇鹽水溶膠最佳制備工藝為：pH=3.5(鹽酸調(diào)節(jié))、水與GPTMS硅氧烷的摩爾比值(R值)為35(GPTMS用量為272.5g/L)、攪拌30分鐘。熱重分析表明，該溶膠的凝膠轉(zhuǎn)變溫度為75.0℃，此時(shí)體系失重率為68.

3、99％。
　　 同時(shí)，使用FT-IR曲線、29Si核磁共振譜圖并結(jié)合織物氈縮性能實(shí)驗(yàn)，研究了R值在10-100間變化時(shí)，GPTMS用量對硅醇鹽溶膠和凝膠結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)R=35時(shí)凝膠以三維網(wǎng)狀T3結(jié)構(gòu)為主，此時(shí)羊毛織物的防氈縮性能最好；R值低于35時(shí)，凝膠中線性交聯(lián)的T2結(jié)構(gòu)含量增多，羊毛織物的防氈縮性能降低；而R值高于35，凝膠雖也以三維網(wǎng)狀T3結(jié)構(gòu)為主，但織物防縮性能發(fā)生下降，這是由于溶膠中有效物質(zhì)含量降低所致。這些

4、研究結(jié)果從理論上解釋了R=35為GPTMS硅醇鹽水溶膠最佳濃度的原因。固體13C-NMR顯示在該溶膠和凝膠制備過程中，與硅原子相聯(lián)的甲氧基全部發(fā)生反應(yīng)，僅少量環(huán)氧鍵發(fā)生了開環(huán)，表明制備過程中主要是通過GPTMS水解生成硅羥基進(jìn)而發(fā)生縮聚反應(yīng)形成凝膠。
　　 然后，通過研究焙烘溫度對羊毛織物氈縮性能的影響，提出GPTMS硅醇鹽水溶膠對精紡羊毛織物防氈縮整理的建議工藝條件為：軋-烘-焙工藝，二浸二軋，軋液率為70％-80％，烘干80

5、℃×3分鐘、焙烘160℃×3分鐘。此時(shí)織物面積氈縮率為3.2％，符合國際羊毛局全毛織物“機(jī)可洗”標(biāo)準(zhǔn)(織物面積氈縮率≤6％)。整理后羊毛織物的手感、斷裂強(qiáng)力與斷裂延伸度變化均在20％以內(nèi)，存在一定泛黃現(xiàn)象。當(dāng)焙烘溫度高于160℃時(shí)織物氈縮性能反而下降，經(jīng)模擬降溫實(shí)驗(yàn)證明，這種現(xiàn)象是由于焙烘處理后織物降溫速度過快、溫差過大造成纖維表面干凝膠膜部分發(fā)生破損所致。
　　 為進(jìn)一步降低整理所需熱處理溫度，本論文又分別制備了二氧化鈦水溶膠

6、和二氧化鈦/尿素水溶膠作為添加劑，分別與GPTMS硅醇鹽水溶膠復(fù)配，研究復(fù)合水溶膠整理后羊毛織物的防氈縮性能。研究發(fā)現(xiàn)，按照鈦酸丁酯：醋酸：HCl：水摩爾比為1:6:0.014:100、以及鈦酸丁酯：醋酸：HCl：水：尿素為1:6:0.014:100:3的配方，能夠分別制備穩(wěn)定的二氧化鈦溶膠和二氧化鈦/尿素溶膠，兩種溶膠粒徑均分布于1-6nm之間；將其分別與GPTMS硅醇鹽溶膠復(fù)配進(jìn)行防氈縮整理時(shí)，二氧化鈦溶膠與二氧化鈦/尿素溶膠添加量

7、分別為復(fù)合體系總質(zhì)量的2.7％、2.9％，可以將焙烘溫度從單獨(dú)使用GPTMS硅醇鹽溶膠的160℃降至140℃，此時(shí)織物面積氈縮率分別為2.7％、2.0％，不僅符合國際羊毛局“機(jī)可洗”標(biāo)準(zhǔn)，而且符合國際市場的技術(shù)要求(織物面積氈縮率≤3％)。同時(shí)整理后織物泛黃現(xiàn)象明顯減輕。復(fù)合溶膠的防氈縮整理建議工藝條件為：二浸二軋，軋液率為70％-80％，烘干80℃×3分鐘、焙烘140℃×3分鐘。
　　 另外，使用XRD、13C核磁共振譜圖、2

8、9Si核磁共振譜圖譜與熱重分析等分析測試技術(shù)，對上述溶膠與凝膠的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了研究。XRD結(jié)果顯示，經(jīng)140℃焙烘制得的二氧化鈦凝膠為銳鈦礦晶型，二氧化鈦/尿素凝膠則以銳鈦礦晶型為主體，存在少量向金紅石轉(zhuǎn)化的晶型。與GPTMS硅醇鹽凝膠相比，GPTMS硅醇鹽/--氧化鈦凝膠的29Si-NMR譜圖中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的T3含量下降，而線性結(jié)構(gòu)的T2含量顯著增加；其13C-NMR譜圖分析顯示，凝膠中較多環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)生成聚合物。這個(gè)結(jié)果表明，盡管G

9、PTMS硅醇鹽/二氧化鈦凝膠中線性結(jié)構(gòu)的T2含量增加，但由于其中環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)生成聚合物與硅羥基縮聚產(chǎn)生協(xié)同作用，使其防氈縮效果比單獨(dú)使用GPTMS硅醇鹽溶膠更優(yōu)。熱重分析表明，凝膠轉(zhuǎn)變溫度從復(fù)配前的75.0℃降至56.9℃，體系失重率為62.85％，說明復(fù)配二氧化鈦溶膠后加速了體系凝膠化過程，使得復(fù)合溶膠可在較低焙烘溫度下處理而賦予羊毛織物優(yōu)良的防氈縮性能。GPTMS硅醇鹽/--氧化鈦/尿素復(fù)合凝膠的13C-NMR譜圖分析表明，GPTM

10、S硅醇鹽/二氧化鈦/尿素復(fù)合凝膠中僅少量環(huán)氧鍵發(fā)生開環(huán)；其29Si核磁共振譜圖顯示，縮聚以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的T3為主要存在形式，因此硅羥基縮聚反應(yīng)是膠凝過程的主導(dǎo)因素。熱重分析結(jié)果表明，該復(fù)合凝膠的形成溫度由復(fù)配前的75.0℃降至61.6℃，此時(shí)失重率為67.90％，說明復(fù)配加速了硅羥基縮聚反應(yīng)，從而降低了防氈縮整理的焙烘溫度。
　　 本論文還以AEAPTMS為前驅(qū)體制備堿性防氈縮水溶膠，并利用AEAPTMS與酸性染料(C.I.Ac

11、id Green16)作用發(fā)生變色的現(xiàn)象，研究溶膠在纖維內(nèi)部的分布和探討溶膠-凝膠技術(shù)的防氈縮原理。研究表明，采用AEAPTMS為前驅(qū)體(R=55，AEAPTMS用量為183.2g/L)制得的堿性硅醇鹽水溶膠和軋-烘-焙工藝(二浸二軋，軋液率70％-80％，烘干80℃×3分鐘、焙烘180℃×3分鐘)處理羊毛織物時(shí)，羊毛織物面積氈縮率為2.2％，但整理后織物色澤泛黃嚴(yán)重，這是羊毛高溫受損與凝膠中氨基受熱后產(chǎn)生發(fā)色基團(tuán)共同作用的結(jié)果?？梢娺@

12、種方法不宜用于工業(yè)化防氈縮整理。
　　 在變色研究中發(fā)現(xiàn)，羊毛纖維先用C.I.Acid Green16染料染色(并去除浮色)再經(jīng)AEAPTMS硅醇鹽溶膠整理、濕熱處理后，在整個(gè)纖維橫截面中發(fā)生均勻色變現(xiàn)象，有力地證明納米溶膠顆粒能夠滲入了纖維內(nèi)部，并在其中均勻分布。通過色變現(xiàn)象與整理前后羊毛纖維SEM照片表明，納米級溶膠顆粒不僅吸附于纖維表面，而且滲入到羊毛纖維內(nèi)部并均勻分布其中；在受熱膠凝過程中，內(nèi)部與表層的溶膠相互交聯(lián)、成膜

13、、封閉鱗片，賦予織物耐久的防氈縮性能。
　　 最后，本論文探討了AEAPTMS與GPTMS硅醇鹽水溶膠協(xié)同作用時(shí)，進(jìn)行較低溫焙烘(120℃)防氈縮整理的可能性。研究中發(fā)現(xiàn)，采用AEAPTMS/GPTMS硅醇鹽水溶膠兩浴法整理織物時(shí)，可以在120℃的焙烘溫度下達(dá)到優(yōu)良的防氈縮效果。兩浴法建議整理工藝為：軋液率為70％-80％，先二浸二軋AEAPTMS硅醇鹽水溶膠(R=160，AEAPTMS用量為71.6g/L)，80℃×3分鐘烘干

14、；再二浸二軋GPTMS硅醇鹽水溶膠(R=60，GPTMS用量為179.3g/L)，80℃×3分鐘烘干，焙烘120℃×3分鐘。整理后織物面積氈縮率為1.8％，織物存在一定程度泛黃。
　　 AEAPTMS/GPTMS硅醇鹽復(fù)合凝膠的29Si、13C核磁共振譜圖分析顯示，復(fù)合凝膠中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的T3為主要存在形式，GPTMS上的環(huán)氧鍵基本都發(fā)生了開環(huán)反應(yīng)，這是由于AEAPTMS中的氨基對環(huán)氧基團(tuán)起了催化開環(huán)的作用；熱重分析表明，復(fù)合溶