抗起毛起球整理用熱反應型WPU的合成及應用

白慧英 趙振河 劉宗旭

收稿日期：2013-06-30

作者簡介：白慧英（1988-），女，在讀研究生。研究方向：染整助劑的合成與研發。E-mail：baihuiying0808@126.com。

指導老師：趙振河，男，教授。

摘要：以異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚多元醇為主要原料，以異丙醇為溶劑，合成了反應型水性聚氨酯整理劑，既保持了聚氨酯的彈性，又具有極好的反應活性，可以賦予織物各種功能，提高紡織品的附加價值。介紹了該類整理劑在純棉針織物抗起毛起球整理中的應用。

關鍵詞：水性聚氨酯（WPU）；抗起毛起球；應用

中圖分類號：TQ433.4+32 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）11-0053-04

水性聚氨酯（WPU）是以水為介質乳化分散而成的[1]，可用于紡織品整理。反應型WPU在織物后整理上的應用國內大多處于科研階段[2]。德美公司率先實現工業化生產的反應型WPU整理劑是通過控制聚氨酯主鏈的分子質量，并引入各種官能團，使其能夠均勻穩定地溶于水中，以便對紡織品進行加工處理。這種WPU不但可以滲透到紗線內部，而且可以釋放活性基團與纖維分子及其他整理劑發生交聯反應，同時聚氨酯分子間也進行反應，以化學鍵的形式交聯，形成立體網狀結構，賦予織物許多功能性，如防縮、防皺、抗靜電、抗起毛起球等[3～5]。將該類整理劑用于棉、粘膠等纖維的整理，可有效地解決天然纖維織物易起毛起球的難題。由于它不含甲醛，屬于環保型織物整理劑[6]。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及藥品

異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），工業級，德國拜耳；聚醚三元醇、聚酯二元醇，工業級，杭州久靈化工；2，2-二羥甲基丙酸（DMPA），工業級，江蘇海安石化有限公司；亞硫酸氫鈉，分析純，天津市致遠化學試劑有限公司；異丙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司；二正丁胺、甲苯，化學純，陜西華星實驗科技有限公司；溴甲酚綠、濃鹽酸，分析純，陜西華星實驗科技有限公司；三乙胺，分析純，天津市大茂化學試劑廠；蒸餾水。

1.2 主要儀器

熱定型機LA-205，日本株式會社；起毛起球測試儀YG502N，南通宏大實驗儀器有限公司；軋車MU505T，北京紡織機械器材研究所；數字白度儀DSBD-1，南通宏大實驗儀器有限公司。

1.3 試樣規格

純棉針織布15 cm×15 cm。

1.4 WPU的合成方法

1.4.1 聚醚型WPU的合成

在三口燒瓶中，按計量投入聚醚三元醇，在真空度103 Pa條件下緩慢升溫到130～140 ℃，恒溫1.5 h，停止抽真空；緩慢降溫至30 ℃左右，按計量滴加IPDI，再緩慢升溫至70～75 ℃，反應2 h，降溫至0～10 ℃加入封端劑及適量異丙醇溶劑，高速攪拌30 min，加蒸餾水分散、乳化1 h，制得聚醚型WPU。

1.4.2 聚酯型WPU的合成

在三口燒瓶中，按計量投入聚酯二元醇，在真空度103 Pa條件下緩慢升溫到130～140 ℃，恒溫1.5 h，停止抽真空；緩慢降溫至35 ℃左右，按計量滴加IPDI，緩慢升溫至75～80 ℃，反應2 h。降溫至75 ℃左右加入擴鏈劑DMPA，擴鏈溫度80～85 ℃，擴鏈1.5 h。加入三乙胺中和10 min，加蒸餾水分散、乳化1 h，制得聚酯型WPU。

1.5 織物整理

純棉針織白布浸軋（自制水性聚氨酯80～120 g/L，JFC 10 g/L，二浸二軋，軋余率75%）→預烘（80 ℃/3 min）→焙烘（170 ℃/（1～2）min）→熱水洗（50 ℃/5 min）→冷水洗、烘干。

1.6 分析測試方法

1）外觀

肉眼觀察預聚體或乳液的色澤、透明度、外部狀態等。

2）貯存穩定性

參考GB 6753.4—86[7]，將一定量的乳液裝入暗色瓶中，加蓋密封，置于陰涼處，室溫保存。定期觀察乳液的狀態，若有分層現象，上層清液體積越大，其貯存穩定性越差。

3）離心穩定性

用800型高速離心機，在轉速3 000 r/min、時間30 min的條件下測試乳液的穩定性，觀察溶液是否分層。

4）固含量

按照GB/T 2793—1995進行。

5）游離異氰酸酯基含量[8]

用二正丁胺/甲苯法進行測定。

6）手感評定

整理后織物手感評定：需至少4人觸摸評定織物，評定結果（相對于原樣）可分為柔軟、較軟、不變、較硬和硬等5個級別。

2 結果與討論

2.1 乳液性能的影響因素

2.1.1 n（-NCO）/n（-OH）（R值）對乳液性能的影響

IPDI和三元醇是合成預聚體的主要原料：IPDI構成產物的硬段，提供了強度、耐磨性等性質，對產物的力學性能貢獻最大；三元醇構成軟段部分，提供了柔順性、彈性等性質。R值是影響乳液性能的重要因素之一。在其他工藝條件不變的情況下，通過改變R值來研究乳液性能的變化，結果見表1。

由表1發現，當R值為2時，預聚體產生凝膠，這是因為-OH含量過多，導致交聯度過大，無法繼續反應；當R值≥3時，預聚體的外觀正常，反應也順利進行。當R值達3～5時，預聚體的外觀均比乳液的外觀透明，這是乳化階段聚合物發生相反轉的結果，且在此范圍內，隨著R值的增加，交聯成分含量相應減少，乳液的外觀經歷了從微透明到半透明的過程。當R值大于5時，乳液的外觀為白色石灰水狀，這是因為IPDI的含量過多，致使殘余的-NCO基團較多，在乳化階段與水劇烈反應，所得乳液粒徑較大，外觀不透明且穩定性差。

2.1.2 預聚溫度對乳液性能的影響

若反應溫度過高，反應速率過快，引起暴聚或產生凝膠，進而導致反應失敗；若溫度過低，反應速率較慢，不利于反應的進行，反應時間長導致能耗的增加。

由圖1可以看出，在反應初期，隨著反應時間的增加，各曲線都呈現明顯下降趨勢，且最后趨于平穩。這是因為在初始階段，-NCO和-OH的含量較高，碰撞機會較多使得反應速率較快，迅速聚合為二聚體、三聚體、四聚體等。隨后，低聚物間繼續反應，分子質量緩慢增加，-NCO含量降低。溫度高反應速率快，剩余的-NCO越少。隨著時間的推移，-NCO含量降低，反應速率也逐漸減慢，最終反應達到或接近理論終點。以R值取4.0為例，其-NCO含量理論初始值為13.13%，終點值為6.89%。溫度70 ℃、反應150 min時的剩余-NCO含量為6.94%，接近理論終點值。而反應溫度75 ℃、80 ℃時反應速度過快，導致副反應增加，-NCO含量均低于理論值，故反應溫度以70 ℃為宜。

2.2 應用性能的影響因素

2.2.1 聚醚/聚酯質量比對抗起毛起球性能的影響

純棉針織物經過煮、漂等前處理工序的加工，其表面會產生許多絨毛，經過一段時間的穿著和靜電作用，織物表面會起毛起球，影響美觀和舒適感。封閉型的聚醚型聚氨酯在高溫下會釋放-NCO基團，與纖維的-OH發生交聯反應，避免纖維間的遷移；而聚酯型聚氨酯能在織物表面形成強韌的薄膜，耐摩擦、拉伸強度高、彈性好，并有一定的親水性。用2種WPU混合整理織物可改善纖維間的粘接力，減少紗線毛羽，減少靜電，有利于抗起毛起球。

從表2可見，隨著聚醚質量比下降，抗起毛起球性能提高，當質量比為5/5時，各項指標均較好。但是隨著聚酯質量比增加，手感會有一定下降，這可能由于聚酯成膜，從而影響到手感質量。而白度幾乎沒有下降。

2.2.2 WPU織物整理SEM 表征

對空白織物和經過整理劑整理的織物進行噴金處理，透過掃描電鏡在電子掃描點下觀察纖維相結構，見圖2。

由圖2可以看出，織物經浸軋整理后，織物表面附有一層薄膜，說明整理劑與織物發生了交聯。

3 結論

（1）以IPDI和聚醚/聚酯多元醇為主要原料，n（-NCO）/n（-OH）為4.0合成了WPU。

（2）在70 ℃預聚150 min，游離-NCO達到理論值。

（3）聚醚/聚酯質量比為5∶5時，抗起毛起球效果達到最佳。

參考文獻

[1]徐培林，張淑琴.聚氨酯材料手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：708-713.

[2]康平，宋文生，李雪娟，等.水性聚氨酯的發展、分類、合成及應用[J].材料導報，2007，16（3）：377-380.

[3]易翔，何德良.水性聚氨酯化學改性研究進展[J].上海涂料，2009，47（2）：28-31.

[4]劉景芳，李樹材.封閉型水性聚氨酯的研究進展[J].涂料工業，2003，33（10）：36-39.

[5]劉玉海，趙輝，李國平，等.異氰酸酯[M].北京：化學工業出版社，2004：134，144-153，162-180，193-211.

[6]許戈文，等.水性聚氨酯材料[M].北京：化學工業出版社，2007：1-2.