陽離子水性聚氨酯固色劑離子強度對其應用性能的影響

邊志華，權 衡

（1. 雅培眼力?。ê贾荩┲扑幱邢薰?，浙江 杭州 310018；2. 武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430073）

目前，市場上的活性染料濕摩擦牢度提升劑產品幾乎均為陰離子聚氨酯高分子結構[1,2]。這種產品不僅難以規模化生產，而且助劑分子的擴散、吸附能力較弱且助劑的使用量較大，加之助劑分子剛性較強，導致明顯惡化紡織品的柔軟手感[2，3]。

本課題以氨基硅烷偶聯劑對季銨化陽離子水性聚氨酯進行化學封端，獲得一種成膜柔軟且具有較強化學活性和適度陽離子性的有機硅改性水性聚氨酯齊聚物。該助劑通過封閉染料陰離子基團并熱固成膜以增加纖維抱合力、減少毛羽、降低摩擦阻力、阻斷染料向摩擦濕布表面的轉移等途徑，顯著改善陰離子染料的濕摩擦牢度。

由于助劑的陽離子強度會顯著影響纖維和陰離子染料對助劑分子的吸附能力和助劑分子的擴散性能，進而影響其在纖維表面的分布和成膜性。因此，本文將重點討論助劑的陽電性與其固色能力之間的聯系。

1 試驗

1.1 織物、藥品及儀器

染色織物：純棉45×45/120×100、活性紅B-3BF染色（未使用固色劑）、染料用量5% (owf)。

主要藥劑：聚乙二醇2000、N-甲基二乙醇胺、1,4-丁二醇、溴丁烷等均為化學純試劑，異氟爾酮二異氰酸酯、聚四氫呋喃2000、端氨基三乙氧基硅烷偶聯劑等均為工業品。

主要設備：中樣染色機（SDM-20L）、摩擦刷洗色牢度儀（Y571N）、激光粒度分析儀（BT6300S）。

1.2 助劑制備

首先，將混合聚醚二醇于真空、加熱條件下脫水1.5-2.0h；體系降溫至60℃后，投入二異氰酸酯和催化劑并逐漸升溫至85℃下反應3h。之后，降溫至40℃并在1h內分多次投入混合擴鏈劑，再于60℃下維持反應 1h。隨后，在 40℃下勻速投入氨基硅烷偶聯劑，繼續維持反應 50℃×0.5h，完成對聚氨酯初聚體剩余異氰酸酯基團的封閉。最后，升溫至55-60℃并加入季銨化試劑，維持對助劑分子中叔胺擴鏈劑的季銨化反應0.5h；中和、乳化。

1.3 固色工藝

工作液40℃、二浸二軋→脫水→烘干（100℃）→140℃×3min。

1.4 性能測試

染色紡織品摩擦色牢度參照《紡織品耐摩擦色牢度測試方法（GB/T 3920-1997）》進行測評；

織物柔軟度參照文獻[4]中描述的斜面法進行測試；

織物親水性參照文獻[5]中描述的滴水法進行測試；

乳液的粒徑及其分布采用40g/L的助劑乳液進行測試。

表1 助劑分子的陽離子強度設計—陽離子型叔胺擴鏈劑含量的變化

2 結果與討論

為考察陽離子型濕摩擦牢度提升劑離子強度對其應用性能的影響，我們通過改變離子型擴鏈劑（N-甲基二乙醇胺）與非離子擴鏈劑（1,4-丁二醇）之間的比例，獲得了具有不同正電荷密度的助劑樣品 H-1，H-2，H-3（表 1）。

2.1 叔胺擴鏈劑含量與助劑乳膠粒粒徑

表2中的數據顯示：助劑分子適中的陽離子強度有助于助劑乳液粒徑的減小，其粒徑分布也較窄。

這是由于隨著聚氨酯高分子中離子型單體比例的提高，分子鏈的親水性增加，提高了聚合物分子的水合作用，減少了分子鏈間的相互纏繞，有利于聚合物相的微細分散，使乳膠粒數目增加，粒徑相應減?。蝗欢舴肿渔湹碾x子強度過高，會造成乳膠粒雙電層厚度和粒子流動動力學體積增加，這又會導致粒徑增大且乳液粘度較大。

因此，助劑乳液的粒徑大小及其分布同時受到以上2種因素的作用。當陽離子單體比例較小時，隨其比例的增加，聚氨酯分散體的粒徑逐步減小且變化明顯；當陽離子單體比例較高時，隨其比例的增加，聚氨酯分散體的粒徑反而開始變大。

表2 助劑分子的陽離子強度與乳液粒徑的關系—陽離子型叔胺擴鏈劑含量的變化

2.2 叔胺擴鏈劑含量與助劑的應用性能

在聚氨酯型活性染料濕摩擦牢度提升劑分子結構中，陽離子單體具有以下三方面的積極作用：

（1）改善聚氨酯分子的親水性，使乳液具有良好的穩定性、擴散性和滲透性；

（2）提高聚氨酯膠膜的機械強度；

（3）有助于纖維和染料對助劑分子的吸附，助劑用量相對較小。

因此，助劑具有一定的陽離子性對于其固色性能的改善是由好處的。然而，若助劑的陽離子強度過高，又會帶來如下弊?。?/p>

（1）乳膠粒變粗、乳液粘度增加而影響助劑對纖維的滲透能力；

（2）由于助劑吸附太快而導致吸附的均勻性較差；

（3）前期吸附在纖維上的助劑分子對后續擴散的助劑分子產生的斥力較大，而導致助劑的吸附量較低。

表3 助劑分子的陽離子強度與其應用性能—陽離子型叔胺擴鏈劑含量的變化

可見，助劑的固色效果同時受到上述兩個相反作用的影響，其陽離子強度存在一個最佳范圍（如 8%左右）。以上分析可由表 3中的數據表現出的固色后染色紡織品的濕摩擦牢度隨助劑分子的陽離子強度的增加而先升后降這一現象得到驗證。

此外，助劑分子中的季銨化陽離子基團對于其膠膜的柔軟手感和親水性具有積極貢獻，尤其是在助劑的用量較高，纖維上皮膜的連續性較好時更是如此。事實上，本項目制備的樹脂型活性染料濕摩擦牢度提升劑產品不但不會惡化染色紡織品的柔軟手感，甚至對其柔軟手感還具有改善的作用。

2.3 叔胺的季銨化程度與助劑乳膠粒粒徑

為賦予產物較好的親水性，得到粒徑較小的助劑乳液，我們嘗試制備了含有較高比例叔胺型擴鏈劑的助劑樣品，并通過對部分擴鏈劑進行季銨化達到控制產物陽離子強度的目的（表4）。

表4 助劑分子的陽離子強度設計—叔胺型擴鏈劑季銨化度的變化

表5 助劑分子的陽離子強度與乳液粒徑的關系—叔胺型擴鏈劑季銨化度的變化

表6 助劑分子的陽離子強度與其應用性能—叔胺型擴鏈劑季銨化度的變化

表 5再一次證實，選擇助劑分子中叔胺擴鏈劑的含量為 8%左右是較為適宜的（I-1）。隨叔胺擴鏈劑季銨化程度的降低，助劑分子的親水性下降，導致助劑乳液的粒徑變大，分布變寬；叔胺擴鏈劑的季銨化程度低于80%時，這種趨勢變得非常明顯?？紤]到離子強度較小的助劑分子對纖維的飽和吸附量較高，我們認為助劑的季銨化程度定為85%左右較為適宜，同時適當提高叔胺擴鏈劑的中和度，以獲得粒徑較小的乳液。

正如我們先前的分析：季銨化程度較高的助劑分子，其陽電性較強。盡管助劑可在較短的時間內完成擴散和吸附過程，但纖維對助劑分子吸附的均勻性較差、吸附量較低。這種情況下，助劑在纖維上形成皮膜的均勻性和連續性均較差，當然不會表現出最佳的固色效果。相反，季銨化程度較低的分子，其陽電性較弱。盡管纖維對助劑的飽和吸附量較高、吸附的均勻性較好，但由于分子的擴散速度較慢，難以在工藝時間內完成擴散過程，導致吸附量不足。因此，助劑在纖維上形成皮膜的連續性不好，導致其固色效果不能令人滿意。

具有適中陽離子強度的助劑分子（I-3）才能夠在規定的工藝條件下較好地完成向的纖維的擴散和吸附過程，并達到相對較高的吸附量和良好的吸附均勻性，獲得最佳的固色效果。

需要指出的是：處理后染色織物的親水性取決于助劑皮膜的連續性和助劑分子本身的親水性。一般情況下，助劑的用量越大或助劑分子對纖維的吸附均勻性越好、吸附量越大，其在纖維上成膜的連續性將會越好，織物的親水性下降得就越顯著（譬如I-3）。一旦助劑皮膜在纖維上形成連續分布，其親水性就僅僅受制于助劑分子本身的親水性，不再持續降低。因此，我們看到當助劑的陽離子強度較低時（即助劑分子的親水性較弱），隨施加在染色紡織品上的助劑量的增加，織物的親水性下降得越明顯（I-4）。

3 結論

（1）具有適中陽離子強度的陽離子水性聚氨酯乳液乳膠粒粒徑較小且粒徑分布較窄；這樣的助劑分子對纖維的吸附較為均勻、吸附量較大，固色效果良好；

（2）助劑分子中季銨化的陽離子基團對處理后織物的親水性及柔軟手感具有積極意義；

（3）處理后染色紡織品的親水性取決于助劑皮膜的連續性和助劑分子本身的親水性；助劑用量較大時，其分子的離子強度越低，對固色織物親水性的影響就越大。

[1]陳榮圻．提高活性染料深濃色染色織物濕摩擦牢度[J]．印染，2004，(7):20-22.

[2]劉慶艷，賀江平，權衡．活性染料染色織物摩擦牢度提升劑應用性能研究[J]．印染助劑，2009，26(5):29-32.

[3]王婷, 權衡．活性染料濕摩擦牢度提升劑的工藝研究與應用[J]．武漢科技學院學報，2009，22 (4):22-24.

[4]劉國良．染整助劑應用測試[M]．北京: 中國紡織出版社，2005．266-267.

[5]劉國良．印染助劑的測試和應用[J]．染整技術，2004，26(1):51-52.