智能調溫面料交聯工藝研究

張麗華

(西安汽車職業大學，陜西 西安710600)

0 引言

交聯是指通過化學方法將兩個或兩個以上的分子應用化學方法連接的過程。 一般在適合的溫度和催化劑催化條件下，織物中纖維素大分子的反應性羥基、交聯劑[1]中的特定官能團和交聯物質通過共價鍵相結合而形成線性或網狀體系。 織物通過纖維交聯從而提高纖維形態的彈性和穩定性等物理化學性能，纖維交聯劑能夠應用于各個領域，如棉、粘膠、苧麻等纖維素纖維織物和真絲等蛋白質纖維織物的抗皺免燙整理，多組分纖維織物的防脫防滑整理等。

在織物后整理中通常用到酰胺-甲醛類交聯劑、環氧化合物類交聯劑、多元羧酸類交聯劑及乙二醛交聯劑等幾種交聯劑。 其中酰胺-甲醛類交聯劑中的二羥甲基二羥基乙烯脲(DMDHEU，簡稱2D 樹脂)因其具有良好的水溶性且水溶液穩定性較好，再加之其來源廣、成本低、整理效果好等特點，從而廣泛應用于紡織品整理中。

本文用2D 樹脂[2-3]將復合PEG 相變材料[4-6]交聯到棉織物上并以交聯后織物增重率和強降率作為衡量指標，對交聯劑用量、聯合催化劑摩爾分數比、焙烘溫度及焙烘時間的研究來確定棉織物交聯的最佳交聯工藝，這對棉織物后整理效果優劣具有重要意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料、試劑及儀器

材料：5 塊1＋1 羅紋組織的純棉織物10cm×10cm(其中一塊空白對照)。

試劑：2D 樹脂(南通辰潤化工有限公司提供)，MgCl2·6H2O/檸檬酸(北京康普匯維科技有限公司提供)，復合PEG 相變材料(天津市科密歐化學試劑有限公司提供)。

儀器：YG(B)026D-500 型電子織物強力機(西安明克斯檢測設備有限公司提供)，電子天平(上海卓精電子科技有限公司提供)，DHG-9075 電熱恒溫鼓風干燥箱(上海晶壇儀器制造有限公司提供)等。

1.2 試驗原理

棉織物主要成分是纖維素纖維，是由較多β-D-吡暔葡萄糖基以(1-4)-β-苷鍵連接而成的線性高分子，高分子中的羥基會與2D 樹脂發生化學交聯。 與此同時，2D 樹脂中四個位置的羥基具有不同性質，其中較活潑的N-羥甲基在一定的催化劑濃度、焙烘溫度和焙烘時間下會與PEG 中的羥基發生反應生成不溶于水的物質。 在酸性條件下，其反應式如圖1、圖2。

圖1 PEG 與2D 樹脂反應基本形式

圖2 PEG、2D 與纖維素纖維反應基本形式

1.3 棉織物交聯工藝因素分析

為確定棉織物與相變材料的最佳工藝參數，本文對影響棉織物交聯的四個主要工藝參數進行研究分析。

1.3.1 2D 樹脂用量的確定

由于2D 樹脂交聯劑是擁有多羥甲基活性的合成樹脂初縮體，其外觀呈無色至微黃色的透明液體，在高溫及適宜的催化劑條件下會與相變材料和纖維發生交聯反應而形成穩定的線型或網狀結構。本研究就是依據2D 樹脂的這種特性將制備好的復合材料交聯在織物上。 隨外界環境的冷熱變化，織物中相變材料進行熱量的吸放來達到調溫目的。2D 樹脂用量分別確定為30 g/L、40 g/L、50 g/L、60 g/L、70 g/L、80 g/L。 其中MgCl2·6H2O/檸檬酸(10g/L)的摩爾分數比確定為10 ∶1，焙烘溫度為130℃，焙烘時間為3min，浴比固定為1 ∶20。 則2D樹脂用量與棉織物增重率以及強降率關系如圖3所示。

圖3 2D 樹脂用量與增重率以及強降率的關系

由圖3 可以看出，隨著2D 樹脂用量從30 g/L～80 g/L 的逐漸增加，總體來說，織物的增重率和強降率均增大。 增重率的增加是由于用以交聯的2D 樹脂用量增加，將更多的變相材料附著于織物上；而強降率的增加是因為隨著2D 樹脂與纖維素纖維中反應性羥基的結合破壞了織物本來的結構。由于2D 樹脂用量的多少會直接影響織物品質，用量過大會使織物手感等各項物理機械性能變差，用量過小則使交聯不充分而使織物活性變差。 為達到一定的交聯目的和擁有較優的各項物理機械性能。 綜合考慮，確定2D 樹脂用量為50g/L。

1.3.2 MgCl2·6H2O/檸檬酸摩爾分數比的確定

MgCl2·6H2O 在本研究中作為催化劑來使用，該試劑在焙烘條件下會受熱發生分解并伴有揮發性酸的釋放。 用MgCl2·6H2O 分解產生的酸效果還是不能滿足催化要求，必須另外加入有機酸來調節pH 值，共同促進交聯反應的進行。 經過資料查閱，分別選用催化劑MgCl2·6H2O/檸檬酸的摩爾分數比為4 ∶1、6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1、12 ∶1、14 ∶1。 而2D樹脂用量確定為50g/L，焙烘溫度固定到130℃，焙烘時間為3min，浴比1 ∶20。 則MgCl2·6H2O/檸檬酸與棉織物增重率以及強降率的關系如圖4 所示。

由圖4 可以看出，隨著催化劑摩爾分數比的增加，織物的增重率減小，而織物的強降率先減小后增大。 這是由于催化劑摩爾分數比較小時，比較適合交聯反應的進行，交聯程度也逐漸增大。 但隨著催化劑的持續增加而達到較大比例時，反應部分終止，原來的化學平衡也受到破壞而向逆向進行，并且尚未反應的變相材料只是吸附在織物表面而被洗掉。 強降率的先降后增是因為起初催化劑的比例適合交聯反應進行，隨著反應進行交聯程度增加使得織物變得結實，當這個比例達到10 ∶1時，反應過度而使反應平衡破壞逆向進行。 為體現織物的特殊智能性以及各項物理機械性能，確定的較優催化劑摩爾分數比為10 ∶1。

圖4 催化劑摩爾分數比與增重率以及強降率的關系

1.3.3 烘焙溫度的影響烘焙溫度的影響

烘焙溫度的高低對織物交聯效果也有顯著的影響，焙烘溫度過高可能會導致相變材料的炭化降解；焙烘溫度過低，則織物與復合相變材料的粘接牢度較差，甚至未能將相變材料交聯在織物上，而只是附在織物表面，雖然能達到較好的調溫性能但耐水洗以及耐久性較差。 通過相關資料查閱，分別確定焙烘溫度為110、120、130、140、150、160℃。 此時，確定2D 樹脂用量為50g/L，MgCl2·6H2O/檸檬酸的摩爾分數比10 ∶1，焙烘時間3min，浴比1 ∶20。則焙烘溫度與棉織物增重率以及強降率的關系如圖5 所示。

圖5 焙烘溫度與增重率以及強降率的關系

由圖5 中可以看出，隨著焙烘溫度的升高，織物的增重率和強降率整體呈現上升趨勢，但溫度超過150℃時，織物的增重率卻有所下降。 這是因為適當的高溫促進交聯反應的進行，但溫度過高炭化溶解程度加大，所以強降率和增重率都有所下降。綜合考慮織物所需性能，選擇焙烘溫度為130℃。

1.3.4 烘焙時間的影響

時間會對交聯效果也產生一定的影響，如果較高溫度對織物進行長時間焙烘，則會對織物造成不可逆轉的強力損失，通過資料查閱，確定焙烘時間為90、120、150、180、210、240s。 其中2D 樹脂用量為30g/L，MgCl2·6H2O/檸檬酸的摩爾分數比固定10 ∶1，焙烘溫度固定為140℃，浴比1 ∶20。 則焙烘時間與棉織物增重率以及強降率的關系如圖6所示。

圖6 焙烘時間與增重率以及強降率的關系

由圖6 中可以看出，隨著焙烘時間的增加，織物的增重率和強降率也相應的增加，但超過150 s時，增加顯著使得織物的各項性能下降，綜合考慮，選擇焙烘時間選為150 s。

2 棉織物交聯前后織物舒適性測試

2.1 測試材料及測試指標

2.1.1 測試材料

五塊純棉織物10 cm×10 cm(其中一塊空白對照)。

2.1.2 測試指標

透氣性，透濕性，吸水性及保溫性。

2.2 測試方法

依據國家標準GB/T5453-8 規定的測定方法，采用YG461E 數字式透氣量儀進行織物透氣性測試，其中織物測試面積約為100cm2，壓力差為13Pa/mmH2O。

采用YG(B)216X 型織物透濕量儀測試織物透濕量時，運用吸濕法進行測定，其中試驗箱的溫度設置到38.5℃，相對濕度設置到90%，風速設置到0.4m/s。

應用YG(B)871 型毛細管效應測定儀進行織物吸水性測試，向恒溫槽加入2500mL 濃度為0.5%左右的重鉻酸鉀溶液，溫度保持在272℃左右，測試時間設定為30min。

采用YG606D 型平板式織物保溫儀對織物保溫性測試。 試驗樣板的溫度設為36℃左右，外部環境溫度低于36℃，濕度為65.2%。

2.3 測試結果與分析

通過測試，測定結果如表1 所示。

表1 棉織物交聯前后各舒適性對比

透氣性是指空氣能透過織物的難易程度，是影響織物舒適性能[7-8]的重要因素。 由表1 可以看出，交聯后織物透氣性下降，這是因為纖維與纖維之間固著的變相材料使織物的橫密、縱密增加，從而織物會變得更緊密、更厚實。 此時，空氣難易透過織物，使得織物的透氣性下降。

透濕性是指織物通過傳遞作用將人體產生的汗液轉移到外界環境的能力，人體熱濕舒適性主要取決于自身產熱量和散熱量的平衡。 由表1 可以得出，交聯后的織物透濕性顯著大于交聯前，這是因為纖維素、2D 樹脂和相變材料三者之間發生了交聯反應，從而在纖維內部形成穩定的線型或網狀結構。 盡管通過整理織物中紗線之間的間隙變小，但水蒸氣分子的直徑僅為4×10-13m，這個值遠小于聚合物的孔徑。 產生的水蒸氣可以通過“吸附→擴散→解吸”的過程排出體外，并且相變材料自身就包含大量的親水基團，吸濕性較好，能通過親水性羥基傳遞水分子，故交聯相變材料后的織物透濕性較交聯前有較大提高。

吸水性是指織物對人體汗液的吸收能力，若織物的吸水性較好，就可以迅速吸收人體蒸發的汗液，使人體保持一種干爽狀態而產生舒適感。 由表1 可以看出，交聯后的吸水性較交聯前有所改善，主要是因為交聯在織物上的相變材料含有大量親水性基團，使水分更容易沿毛細孔隙上升或滲入，交聯后棉織物的芯吸高度高于交聯前的芯吸高度。

保溫性[8-9]是指織物兩面有溫差時，防止熱量從高溫側向低溫側傳遞的性能，是評價服裝舒適性能的主要指標之一。 由表1 可以看出，交聯后的棉織物保溫率稍微有所下降，但下降幅度較小，這主要是因為經過整理后原來填充在織物空隙中的靜止空氣被樹脂取代，樹脂的傳導系數較靜止空氣大，對流減弱最終導致織物保溫性能減弱，下降幅度小可能是由于交聯在織物上的聚乙二醇太少，紗線間空隙變化小，保溫率變化甚微。

通過對交聯前后棉織物的透氣性、透濕性、吸水性和保溫性進行測試，并對交聯前后織物熱濕舒適性變化進行對比分析，得出交聯后織物的透氣性和保溫性較交聯前有所下降，透濕量和吸濕高度增加，但是不會影響針織物的服用性能。

3 結論

(1)棉織物通過交聯工藝后，織物有一定的增重，說明相變材料聚乙二醇被成功交聯在織物上，但是經處理的織物頂破強力有所下降。

(2)通過交聯工藝研究，確定的最佳交聯工藝：2D 樹脂用量50g/L，MgCl2·6H2O/檸檬酸摩爾分數比10 ∶1，焙烘溫度為130℃，焙烘時間為150S，浴比為1 ∶20。

(3)對交聯后的棉織物熱濕性能進行測試，得出交聯后織物透氣性和保溫性有所下降，但能滿足針織物服用性能。