TiO2水溶膠在棉織物多功能免燙整理中的應用

李朝暉

(江蘇工程職業技術學院 江蘇先進紡織工程技術中心,江蘇 南通226007)

棉織物常用的免燙整理劑分為無甲醛免燙整理劑和N-羥甲基酰胺類樹脂兩大類,后者含有甲醛。目前市場上常用的超低甲醛樹脂基本屬于N-羥甲基酰胺類樹脂,經過改性處理,不但防縮防皺效果好,而且能做到整理后織物上釋放的甲醛量小于75 mg/kg,符合生態紡織品中直接接觸皮膚類產品的要求。隨著技術的發展、生活水平的提高及氣候變化等原因,單一功能的產品已經不能滿足人們的需求[1]。市場上的功能整理劑基本都是單一功能型的,且由于整理劑的屬性及加工條件各不相同,有些甚至互相干擾,這不僅使得多功能整理的難度加大,而且整理效果也受到很大影響。溶膠-凝膠技術作為材料制備的新方法之一,越來越多地應用于紡織品功能整理中[2],且溶膠可以很容易進行摻雜改性,能夠賦予紡織品更多的功能,這為紡織品的多功能整理開辟了新的道路。本文以二氧化鈦水溶膠和超低甲醛樹脂作為整理劑,對棉織物進行多功能免燙整理,研究了整理工藝對產品性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料和儀器

試驗織物：純棉漂白機織物(29 tex×29 tex,236根/10 cm×236根/10 cm)。

藥品：自制TiO2水溶膠(鈦酸丁酯、冰醋酸、水的物質的量比為1∶8∶60);KH-1超低甲醛樹脂整理劑(工業級,泰州瑞洋立泰精化科技有限公司)

儀器：EL303電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司);HH-S11-1型電熱恒溫水浴鍋、101AB-1型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海華聯環境試驗設備公司恒昌儀器廠);SXJQ-1型數顯直流無級調速攪拌器(鄭州長城科工貿有限公司);PBI橫式壓染機、R-3自動定型烘干機(Rapid Co.Ltd);WSB-3A智能數字白度儀、YG(B)912E紡織品防紫外線測試儀(溫州大榮紡織儀器有限公司);YGH065/PC電子織物強力儀(萊州市電子儀器有限公司);NanoBrook 90 Plus Zeta納米粒度儀(美國布魯克海文儀器公司);PHS-3C精密p H計(上海儀電科學儀器股份有限公司)。

1.2 試驗方法

工藝處方：KH-1樹脂整理劑50-100 g/L;TiO2水溶膠20-100 g/L;乙酰丙酮(穩定劑)與TiO2的物質的量比為1∶1。

工藝流程：浸漬整理液(浴比1∶20,室溫,20 min)→軋液(軋余率80%)→烘干(80℃,3 min)→焙烘(150℃,2 min)。

1.3 性能測試

1.3.1 折皺回復角

參照GB/T 3819-1997《紡織品 織物折痕回復性的測定 回復角法》,采用垂直法測試織物的折皺回復角,以經緯向緩彈之和來表示織物的折皺回復角。

1.3.2 強力

參照GB/T 3923.1-2013《紡織品 織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,測試經向斷裂強力。

1.3.3 白度

參照GB/T 8424.2-2001《紡織品 色牢度試驗相對白度的儀器評定方法》,測試相對白度。

1.3.4 防紫外性能

參照GB/T 18830-2002《紡織品 防紫外性能的評定》,測試織物整理前后的抗紫外線效果,用UVA、UVB(紫外線透射比)和UPF(紫外線防護系數)表示,紫外線透射比越低,紫外線防護系數越高,說明織物抗紫外線效果越好。

2 結果與討論

2.1 制備TiO2水溶膠的攪拌速度對整理織物性能的影響

在制備TiO2水溶膠時,攪拌速度分別采用(710±20)r/min和(1 010±20)r/min,測得溶膠粒徑見表1。

表1 攪拌速度對TiO2水溶膠粒徑的影響

從表1中可以看出,轉速為(1 010±20)r/min下制備的溶膠粒徑明顯比在轉速為(710±20)r/min下制備的溶膠粒徑小的多,這說明攪拌速度越快,其溶膠粒徑越小。

選用兩種不同攪拌速度制得的TiO2水溶膠,溶膠用量40 g/L,KH-1用量70 g/L,p H值4.5,按照1.2.1的工藝流程進行整理,測定整理織物的性能,結果見表2。從表2可看出,與未整理織物相比,整理后織物的折皺回復角明顯增加,白度、斷裂強力有所下降。不同攪拌速度下制得的溶膠,對織物抗紫外效果有很大影響,但對其他性能的影響沒有明顯差別。

整理后的織物,在溶膠與樹脂的共同作用下,纖維之間發生了交聯反應,故折皺回復角明顯增加,白度、斷裂強力有所下降。此外,配置整理液時發現,加入乙酰丙酮后整理液明顯偏黃,這可能是造成織物白度下降的原因主要原因。

在(710±20)r/min轉速下制得的溶膠的粒徑較大,沒有明顯的抗紫外效果;在(1 010±20)r/min轉速下制得的溶膠的粒徑較小,有明顯的抗紫外效果。這是因為溶膠是靜電相互作用引起的,醋酸提供H+,吸附在粒子表面,從而在粒子表面形成雙電層,粒子表面的雙電層使粒子之間產生靜電排斥作用,當粒子之間的吸引力小于排斥力時,聚集的粒子分散成小粒子形成溶膠[3]。溶膠粒徑越小,粒子之間的相互吸引力也就越小,粒子之間相互碰撞聚集的幾率也就變小,溶膠的穩定性就會增加,與樹脂復配時的穩定性也增加,容易均勻附著在織物表面,形成空間網狀結構,從而具有更好的抗紫外性能。

綜合以上結果,確定選用(1 010±20)r/min的轉速制備的TiO2水溶膠進行整理工藝研究。

2.2 整理液p H值對整理織物性能的影響

固定TiO2水溶膠用量為40 g/L,KH-1用量為70 g/L,預烘溫度80℃,預烘時間3 min,焙烘溫度150℃,焙烘時間2 min,調節整理液的p H值,測定p H值的變化對整理織物性能的影響,測試結果見表3。

從表3可以看出,隨著整理液p H的增加,抗紫外性能逐漸提高,在p H值為4.5時達到最高,而后又有所下降。這可能與TiO2水溶膠的交聯成膜性能有關,在p H值等于4.5時成膜性最好,所以抗紫外性能最高。試驗中發現,當p H值等于6.0時,整理液開始出現渾濁,這說明,隨著酸性的進一步減弱,TiO2已不能以溶膠的形式存在,而以沉淀形式從整理液中析出,交聯成膜性能下降,抗紫外性能也隨之降低。

隨著整理液p H的增加,斷裂強力逐漸增大然后趨于穩定,這是因為棉纖維的纖維素大分子中的1,4-甙鍵對酸的穩定性很差,H+會使甙鍵發生斷裂,導致纖維受到損傷,造成強力下降;隨著p H值的增大,酸性變弱,斷裂強力也逐漸增大,p H值達到4.0以后,棉纖維的受損程度趨于穩定,強力不再有有明顯變化。

隨著整理液的p H的增加,織物的折皺回復角先增加然后又略有下降,在p H值等于4.5時,折皺回復角有最大值;p H值小于4.5時,織物的折皺回復角隨p H值增加而明顯增大;p H值大于4.5時,織物的折皺回復角隨p H值增加而略有下降。這可能是因為在弱酸條件下,TiO2的催化能力強,在p H值等于4.5時達到最強,促使樹脂與樹脂之間、樹脂與纖維之間能夠充分交聯。

隨著整理液的p H的增加,白度也是先增加然后趨于穩定,這可能是因為酸性較強時,棉纖維更容易受到損傷,導致泛黃,當p H值達到4以后,酸性變弱,棉纖維的受損程度趨于穩定,白度也逐漸趨于穩定。

綜合考慮,p H值取4.5。

2.3 TiO2水溶膠用量對整理織物性能的影響

固定KH-1樹脂用量為70 g/L,p H值4.5,80℃預烘3 min,150℃焙烘2 min,改變水溶膠的用量,測試溶膠用量的變化對織物性能的影響,測試結果見表4。

表2 制備TiO2水溶膠的攪拌速度對整理織物性能的影響

表3 整理液p H值對整理織物性能的影響

表4 TiO2水溶膠用量對整理織物性能的影響

從表4可以看出,隨著溶膠用量的的增加,織物的抗紫外性能逐漸提高,這是因為TiO2本身就具有很好的抗紫外性能,隨著溶膠用量的增加,織物上的TiO2含量增加,且交聯成膜也愈加充分,在溶膠用量達到40 g/L以后,整理后的織物都達到防紫外產品的要求。

隨著溶膠用量的增加,織物的折皺回復角逐漸增加并趨于穩定,當溶膠用量小于40 g/L時,折皺回復角隨溶膠用量的增加而增大;當溶膠用量達到40 g/L以后,折皺回復角的變化不再明顯,這是因為一方面TiO2對KH-1樹脂的催化作用,使樹脂與樹脂之間、樹脂與纖維之間能夠充分交聯,形成三維網狀結構,限制了棉纖維的移動,賦予棉織物較好的抗皺性能;另一方面溶膠在纖維表面形成二氧化鈦空間網狀結構,也阻礙了纖維發生扭曲形變,從而達到抗皺的效果。

隨著溶膠用量的增加,織物的斷裂強力一開始沒有明顯變化,當溶膠的用量達到80 g/L以后,斷裂強力逐漸下降。這是因為隨著溶膠用量的增加,TiO2交聯成膜程度以及樹脂與樹脂之間、樹脂與纖維之間的交聯程度都在增加,造成棉纖維的活動性能下降,在外力作用下容易造應力集中而導致強力下降。

隨著溶膠用量的增加,織物的白度也在逐漸降低。這是因為乙酰丙酮的用量與TiO2水溶膠用量是相關聯的,溶膠用量增加,乙酰丙酮的用量也在增加,造成白度逐漸降低。

綜合考慮,溶膠用量為40 g/L時效果最合適。

2.4 KH-1樹脂用量對整理織物性能的影響

固定TiO2水溶膠用量40 g/L,p H值4.5,80℃預烘3 min,150℃焙烘2 min,改變KH-1樹脂的用量,測試樹脂用量的變化對織物性能的影響,測試結果見表5。

從表5可以看出,隨著KH-1樹脂用量的增加,抗紫外性能和白度都沒有明顯變化,說明樹脂用量的變化基本不會影響織物的抗紫外性能和白度。

隨著KH-1樹脂用量的增加,織物的折皺回復角先逐漸增大,在樹脂用量達到70 g/L時折皺回復角出現最大值,然后折皺回復角略有下降并趨于平緩。這說明樹脂用量達到一定值以后,繼續增加樹脂用量,樹脂與纖維間的交聯程度不再增加,無法進一步提高折皺回復角。

隨著KH-1樹脂用量的增加,織物的斷裂強力逐漸下降,這是因為樹脂與樹脂之間、樹脂與棉纖維之間的交聯程度逐漸增加造成棉纖維的活動性能下降,在外力作用下容易造應力集中而導致強力下降。

綜合考慮,樹脂用量70 g/L為宜。

2.5 洗滌對整理織物性能的影響

按照TiO2水溶膠用量40 g/L,KH-1樹脂用量70 g/L,p H值4.5,80℃預烘3 min,150℃焙烘2 min的工藝條件整理織物,分別進行熱水洗和皂洗,在烘干后測試其前后性能變化,測試結果見表6。

表5 KH-1樹脂用量對整理織物性能的影響

表6 洗滌對整理織物性能的影響

從表6可以看出,經過熱水洗后,織物的折皺回復角略有下降,洗滌次數對折皺回復角沒有明顯影響。抗紫外性能隨著洗滌次數的增加反而有所提高,但次數過多,抗紫外性能又有所下降,這可能是由于熱水沸煮可改變納米二氧化鈦的構型,改善與織物的結合牢度,提高了抗紫外能力,但煮的次數過多可能會造成織物上二氧化鈦的流失,導致抗紫外性能又有所下降。熱水洗后斷裂強力有所下降,這可能是由于整理是在酸性條件下進行的,布面偏酸性,在沸煮時酸性對織物又會造成損傷,導致強力下降,多次熱水洗后,布面的酸性已基本消除,不會再進一步損傷織物,所以強力不再持續下降。熱水洗后,織物的白度逐漸上升,甚至比原布的白度還要好,這可能是織物上的乙酰丙酮被逐漸洗凈造成的。

經過皂洗后,織物白度大幅提高,比熱水洗的白度還要好,可能是堿性條件下皂片對乙酰丙酮的去除非常徹底。皂洗對折皺回復角和斷裂強力基本沒有影響。經過皂洗的織物的UVA和UVB透射率及UPF都有所降低,比熱水洗的效果差,可能是由于皂洗時流失的二氧化鈦更多,導致抗紫外性能下降。

3 結論

(1)以(1 010±20)r/min的轉速制備的TiO2水溶膠的整理效果好。

(2)TiO2溶膠免燙整理的最佳工藝為TiO2水溶膠用量40 g/L;KH-1樹脂用量70 g/L;p H值4.5;80℃預烘3 min;150℃焙烘2 min。

(3)整理后的織物熱水洗2～3遍,可以提高白度,進一步提升抗紫外性能。