UV光固化樹脂用于PET無紡布的親水改性研究

周雪蕾 沈錦玉 李玖明 朱海霖 郭玉海

摘 要：為了在不破壞PET無紡布結構的前提下對其進行親水改性，本文采用丙烯酸樹脂為預聚物，甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）為親水單體，1-羥基環己基苯甲酮（184）為光引發劑，乙酸乙酯為溶劑，通過UV光引發自由基聚合法進行滌綸（PET）無紡布的親水改性。結果表明，當丙烯酸樹脂與HEMA固含量為總量的10%，丙烯酸樹脂與HEMA的質量比為1∶1，184質量分數為2%，PET無紡布的純水通量為37 928 kg/m2/h，接觸角為58.26°時為UV固化親水改性最優配比。掃描電鏡（SEM）顯示親水改性劑牢固地包覆在PET纖維表面，改性后PET無紡布的孔隙率降低。經丙烯酸樹脂和HEMA改性后的PET無紡布親水持久性和對沙土混合廢水的過濾性能較好。

關鍵詞：滌綸無紡布；紫外光固化；親水改性

中圖分類號：TQ637.83

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）03-0040-05

Hydrophilic Modification of PET Non-woven Fabrics by UV Light-cured Epoxy

ZHOU Xuelei1， SHEN Jinyu2， LI Jiuming3， ZHU Hailin1， GUO Yuhai1

（1.Key Laboratory of Fiber Materials and Processing Technology， Zhejiang Sci-Tech University，

Hangzhou， 310018； 2.National Textiles and Garment Quality Supervision

Inspection Center （Zhejiang Tongxiang）， Zhejiang， Tongxiang， 314500；

3.Hangzhou Tianshan Precision Filter Material Co.，Ltd，310018）

Abstract：In order to carry out hydrophilic modification of PET non-woven fabric without the damage to the structure of PET non-woven fabric， hydrophilic modification of PET non-woven fabric was implemented with UV light-initiated free radical polymerization by using acrylic resin as the prepolymer， HEMA as the hydrophilic monomer， Irgacure184 as the light initiation agent and ethyl acetate as the solvent. The results show that the optimal process conditions are as follows： mass fraction of acrylic resin and HEMA 10%， mass ratio of acrylic resin and HEMA 1∶1， mass fraction of Irgacure184 2%， pure water flux of the PET non-woven fabric 37 928 kg/m2/h， and contact angle 58.26°. SEM image shows that the hydrophilic modifier is firmly coated on the surface of PET fiber； the porosity rate of PET non-woven fabric decreases after the modification； PET non-woven fabric modified by acrylic resin and HEMA has good hydrophilic persistence and filtering property for mixed sand and soil wastewater.

Key words：PET non-woven fabric； UV light curing； hydrophilic modification

滌綸（PET）無紡布具有成本低、重量輕、耐腐蝕、力學性能及化學穩定性好等優點，作為一種分離材料和基布材料，已得到廣泛的應用[1]。然而由于PET纖維的疏水性強，表面張力較低，限制了其在水處理方面的應用，因此需對其進行親水改性。PET無紡布常用的改性方法有原絲改性[2-3]、化學接枝改性[4-5]、化學形態結構改性[6-7]、吸水整理劑的物理吸附[8-9]等，但這些方法存在破壞PET無紡布結構和親水持久性差等缺點。

根據PET無紡布的高孔隙率的結構特點，本文提出采用UV光引發丙烯酸樹脂和親水型單體甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）進行自由基聚合并交聯，在PET無紡布纖維表面包覆一層親水性良好的聚合物涂層，在不破壞PET無紡布結構的前提下，對其進行親水改性，原理示意圖如圖1所示。本文研究了丙烯酸樹脂、HEMA和1-羥基環己基苯甲酮（184）對PET無紡布親水性能和結構的影響。

1 實驗部分

1.1 材 料

PET無紡布（厚度6 mm，平方米質量80 g/m2，佳聯達無紡布有限公司），丙烯酸樹脂和Irgacure184（南京嘉中化工科技有限公司），HEMA（上海光易化工有限公司），乙酸乙酯和無水乙醇（分析純，杭州高晶精細化工有限公司）。

1.2 親水PET無紡布的制備

將PET無紡布浸漬于無水乙醇去除雜質，在60 ℃下烘干冷卻備用。將丙烯酸樹脂、HEMA、光引發劑184和乙酸乙酯按常規配比混合，丙烯酸樹脂質量分數10%，HEMA質量分數40%，光引發劑184質量分數3%，乙酸乙酯質量分數47%。在轉速為800 r/min條件下攪拌1 min，形成親水改性溶液。將PET無紡布浸漬于此親水改性溶液中5 min，取出，60 ℃下烘干，在UV燈（波長200～450 nm，功率4 kW）下反應交聯固化，反應時間為20 s，制得親水改性的PET無紡布。

1.3 測試及表征

采用場發射掃描電鏡（FESEM，EVO MA 25，德國卡爾蔡司公司）觀察PET無紡布的表面微觀形貌；采用傅里葉紅外光譜儀（FTIR，NICOLE5700，美國Thermo公司）測試PET無紡布改性前后的官能團信息；采用AutoPore9500型壓汞儀（麥克默瑞提克上海儀器有限公司）測試PET無紡布的孔隙率；采用K100全自動表面張力儀（德國克呂氏公司）測試PET無紡布的靜態水接觸角，平行測定3次，取平均值。

1.4 純水通量和親水持久性測試

采用自制的錯流微濾裝置（圖2）測試PET無紡布的純水通量。將無紡布置于錯流裝置中，控制壓差盡量小，按式（1）計算純水通量。將PET無紡布在錯流微濾裝置中連續沖洗10 h，每間隔2 h后放入烘箱烘干，測試純水通量，用于評價無紡布的親水持久性。

Jw=VA·t（1）

式中：Jw為滲透通量，kg/m2/h；V為透過液體積，L；A為復合膜有效面積，m2；t為過濾時間，h。

1.5 過濾性能測試

利用錯流微濾裝置（圖2）測試膜的過濾性能。將改性無紡布置于裝置上，過濾沙土混和廢水，控制壓差為10 kPa。利用濁度儀（WGZ-4000，上海昕瑞儀器儀表有限公司）測定過濾前后的濁度。濁度去除率的計算如式（2）所示：

濁度去除率/%=T-T0T×100（2）

式中：T0為濾液濁度，NTU；T為廢水濁度，NTU。

2 結果與討論

2.1 PET無紡布親水改性條件優化

2.1.1 丙烯酸樹脂和HEMA的固含量對PET

無紡布表面接觸角和純水通量的影響

丙烯酸樹脂和HEMA的固含量對PET無紡布表面接觸角和純水通量的影響如圖3所示，對孔隙率的影響如表1所示。由圖3可知，恒定丙烯酸樹脂與HEMA的質量比為1∶4，光引發劑質量分數為3%，隨著丙烯酸樹脂和HEMA質量分數的增加，無紡布表面接觸角減小；當固含量為10%時，表面接觸角下降至61.38°，之后趨于穩定。純水通量則隨著丙烯酸樹脂和HEMA固含量的增加先增大后減小。這是因為丙烯酸樹脂和HEMA聚合交聯形成親水膜，包覆在PET纖維表面，形成親水層，導致無紡布的表面接觸角降低，純水通量增大，但當質量分數大于10%時，親水包覆層較厚，堵塞PET無紡布的孔隙，使得孔隙率下降（表1），因此純水通量有所降低。根據上述實驗結果，本實驗中丙烯酸樹脂和HEMA最佳總固含量為10%。

2.1.2 丙烯酸樹脂和HEMA的比例對PET無紡

布表面接觸角和純水通量的影響

圖4為丙烯酸樹脂和HEMA的比例對PET無紡布的表面接觸角和純水通量的影響。如圖4所示，恒定丙烯酸樹脂和HEMA的固含量為10%，光引發劑的質量分數是3%，隨著HEMA的比例增大，無紡布表面接觸角減小；當樹脂和單體的質量比為1∶1時，表面接觸角趨于穩定，純水通量則一直增大。這是因為純丙烯酸樹脂親水性較差，而HEMA分子中有羥基，親水性好，因此隨著HEMA比例的增大，表面接觸角降低，純水通量增大。

圖5為丙烯酸樹脂和HEMA的比例對無紡布親水持久性的影響。由圖5可知，當采用丙烯酸樹脂和HEMA的質量比為1∶4和1∶8的改性體系和純HEMA改性體系時，PET無紡布的純水通量隨著沖洗時間的增加而明顯下降。這是因為HEMA是單官能團單體，聚合后形成的線性分子與PET纖維結合牢度差，連續長時間沖洗，附著在PET纖維表面的HEMA聚合物脫落導致純水通量減小。而丙烯酸樹脂是三官能團預聚體，與HEMA聚合形成三維體型交聯產物，牢固地包覆在PET纖維表面，不易脫落。因此當丙烯酸樹脂和HEMA的質量比是1∶1時，聚合后的親水劑與PET纖維結合牢固，親水持久穩定。

2.1.3 光引發劑184質量分數對PET無紡布表面

接觸角和純水通量的影響

圖6是光引發劑184的質量分數對PET無紡布表面接觸角和純水通量的影響。如圖6可知，恒定丙烯酸樹脂與HEMA固含量為10%，質量比為1∶1時，隨著184質量分數的增加，無紡布純水通量先增大后減小，表面接觸角先減小后增大。這是 因為當184質量分數增大時，溶液中自由基密度增大，引發聚合的鏈增多，從而使改性無紡布表面引入大量親水基團，表面接觸角降低，純水通量增大；但當184的質量分數繼續升高時，由于溶液中的自由基過多，易發生鏈終止，親水基團減少而導致無紡布親水性變差，純水通量降低。

2.2 UV固化親水改性對PET無紡布結構的影響

圖7為PET無紡布親水改性前后的SEM圖。由圖7可知，未改性的PET無紡布圖7（a）是原纖粘結的多孔結構，表面纖維排列松散，孔隙率高；親水改性后的無紡布圖7（b）纖維變粗，結點變大，涂膜牢固地附著在無紡布表層圖7（c）。圖8為PET無紡布親水改性前后的ATR-IR圖。HEMA（圖8c）在1 638 cm-1處出現CC鍵的伸縮振動峰，但在改性無紡布上（圖8b）未發現明顯的CC鍵伸縮振動峰，說明HEMA已聚合固定在PET無紡布表面[10]，提高了無紡布的親水性。

2.3 沙土混合廢水的過濾測試

圖9為沙土混合廢水的過濾通量和濁度去除率。由圖9可知，隨著過濾時間的增加，PET無紡布對沙土混合廢水的過濾通量和濁度去除率始終保持穩定，說明UV固化親水改性使PET無紡布能保持良好的親水性和過濾性能。

3 結 論

采用丙烯酸樹脂為預聚物，HEMA為親水單體，184為光引發劑，乙酸乙酯為溶劑，通過UV光引發自由基聚合法進行滌綸（PET）無紡布的親水改性，得出UV固化親水改性最優配方：丙烯酸樹脂與HEMA固含量為10%，丙烯酸樹脂與HEMA的質量比為1∶1，184質量分數為2%時，PET無紡布的純水通量為37 928 kg/m2/h，接觸角為58.26°。SEM照片顯示，丙烯酸樹脂和HEMA聚合形成的涂層牢固地附著在PET無紡布表面，無紡布的孔隙率有所減小。改性無紡布的親水持久性和對沙土混合廢水的過濾性能較好，連續過濾12 h后，過濾通量和濁度去除率基本保持穩定。

參考文獻：

[1] 張玥，王志成，張宇.親水性無紡布復合膜的制備及性能研究[J].化學與粘合，2014（1）：34-37.

[2] GOTOH K， YASUKAWA A， KOBAYASHI Y. Wettability characteristics of poly （ethylene terephthalate） films treated by atmospheric pressure plasma and ultraviolet excimer light[J]. Polymer Journal， 2011，43（6）：545-551.

[3] 楊梅.準分子紫外輻射對紡織品的表面改性[D].上海：東華大學，2010.

[4] IMORZ M， CˇERNAK M， IMAHORI Y， et al. Atmospheric-pressure plasma treatment of polyester nonwoven fabrics for electroless plating[J]. Surface and Coatings Technology， 2003，172（1）：1-6.

[5] LV J， ZHOU Q， ZHI T， et al. Environmentally friendly surface modification of polyethylene terephthalate （PET） fabric by low-temperature oxygen plasma and carboxymethyl chitosan[J]. Journal of Cleaner Production， 2016，118：187-196.

[6] 徐旭凡.殼聚糖對滌綸織物處理的探討[J].紡織學報，2003，24（5）：78-79.

[7] PHANEUF M D， QUIST W C， BIDE M J， et al. Modification of polyethylene terephthalate （Dacron） via denier reduction： effects on material tensile strength， weight， and protein binding capabilities[J]. Journal of Applied Biomaterials， 1995，6（4）：289-299.

[8] 隋燕玲，李紹權，楊可盈，等.殼聚糖/聚酯聚醚型親水整理劑[J].印染，2010，36（16）：28-29.

[9] YEN M S， HUANG C N. Aqueous reactive PU prepolymer containing sulfoisophthalate sodium for hydrophilic finishing and antistatic finishing of poly （ethylene terephthalate） fabrics[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2007，106（1）：599-610.

[10] 王建龍，王正祥.新型可紫外光固化水性聚氨酯的制備與表征[J].包裝學報，2012（4）：5-8.