可聚合淀粉的制備及其疏水性能研究

李成卓

(西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048)

近年來(lái)，具有特殊潤(rùn)濕性的材料引起研究者的廣泛關(guān)注。其中，以自然界中的超疏水荷葉表面最為典型，這一自然現(xiàn)象激發(fā)了人們對(duì)超疏水仿生結(jié)構(gòu)的研究。超疏水織物以其獨(dú)特的不沾水性使其在農(nóng)業(yè)、國(guó)防、航空航天、油水分離等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1－2]，該特性也可賦予以織物為基底的表面自清潔和防污性能[3－4]。目前主要通過(guò)溶膠—凝膠法[5]、化學(xué)氣相沉積法[6]、模板法[7]、等離子刻飾法[8]、相分離法[9]、自組裝法[10]、靜電紡絲法[11]、浸漬法等[12]構(gòu)筑超疏水表面，其中，浸漬法具有操作簡(jiǎn)單、高效等優(yōu)勢(shì)，成為構(gòu)筑超疏水表面最有效的方法。

本文采用低溫超聲法制備淀粉分散液，以硅烷偶聯(lián)劑KH－570對(duì)淀粉進(jìn)行表面改性，進(jìn)一步與醋酸乙烯酯共聚，制備出疏水的淀粉分散液。用淀粉分散液和乳液共同處理織物，然后考察淀粉分散液和乳液的浸涂順序、不同浸涂次數(shù)及不同的織物基底種類對(duì)織物疏水性能的影響，通過(guò)FI－TR譜圖、SEM圖像、接觸角的測(cè)試、對(duì)織物的形貌、組成、疏水性等進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料:馬鈴薯淀粉(西安錦源生物科技有限公司)，十二烷基苯磺酸(分析純，麥克林化學(xué)試劑有限公司)，司盤－20(分析純，酷爾生物化學(xué)試劑有限公司)，過(guò)硫酸銨(APS，分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，KH－570(分析純，上海愛(ài)純生物科技有限公司)，乙酸乙烯酯(分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)，氫氧化鈉(分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司)，丙烯酸丁酯(分析純，麥克林化學(xué)試劑有限公司)，MQ硅樹脂(分析純，濟(jì)南硅科技新材料有限公司)。

儀器:鼓風(fēng)干燥箱(DHG－9070A型，上海豫康科教設(shè)備有限公司)，數(shù)控超聲清洗器(KQ2200DE型，昆山市超聲儀器有限公司)，傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 5700，美國(guó)Nicolet公司)，接觸角測(cè)量?jī)x(JW－360A，承德市成惠有限公司)，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Quanta－450型，英國(guó)牛津公司)。

1.2 乳液的制備

將丙烯酸丁酯18g、MQ硅樹脂5g、純水46g、0.92g司盤－20、過(guò)硫酸銨0.092g和十二烷基苯磺酸0.5g加入三口燒瓶中，放在數(shù)顯恒溫水浴鍋中以50℃～60℃反應(yīng)7.5h，得到試驗(yàn)用乳液。

1.3 可聚合淀粉的制備

稱取一定量的馬鈴薯淀粉置于100mL純水中配成分散液，以8±1℃低溫超聲75min，然后加入硅烷偶聯(lián)劑KH－570 0.03g，磁力攪拌24h。隨后將上述淀粉分散液與 0.92g司盤－20，過(guò)硫酸銨0.092g，十二烷基苯磺酸0.5g和一定量的乙酸乙烯酯加入到三口燒瓶中，在50℃～60℃反應(yīng)6h，獲得可聚合淀粉分散液。

1.4 織物預(yù)處理

將織物裁剪成4×4 cm的方塊，浸入2%的NaOH溶液中，于100℃煮30min，然后再用蒸餾水超聲清洗3次后于60℃烘干備用。

1.5 疏水織物的制備

先將織物分別浸入淀粉分散液和乳液中超聲10min，然后取出放入烘箱烘干備用。其中乳液浸涂1次，然后控制浸涂淀粉溶液的次數(shù)為1次，2次，3次和4次，比較浸涂淀粉分散液的次數(shù)對(duì)被乳液和淀粉溶液處理過(guò)的織物的疏水性能的影響。

1.6 測(cè)試與表征

1.6.1 紅外光譜(FTIR)測(cè)試

將乳液和淀粉溶液處理過(guò)的織物放在儀器上，測(cè)定其紅外光譜(FTIR)，掃描范圍為200cm－1～4000 cm－1。

1.6.2 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試

用掃描電鏡(SEM)觀察浸涂乳液和淀粉分散液的棉織物表面的微觀結(jié)構(gòu)。

1.6.3 接觸角的測(cè)定

在樣品表面滴體積為5μL的去離子水滴，用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定表面靜態(tài)接觸角(WCA)大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂覆棉織物的形成

圖1為淀粉分散液和乳液浸涂棉織物后的FTIR曲線。可以看出，在1740 cm－1處為C＝O的伸縮振動(dòng)譜帶，1240 cm－1處為C－O的伸縮振動(dòng)峰，1375 cm－1處為－CH3的伸縮振動(dòng)峰，這些均為聚乙酸乙烯酯的特征吸收峰。749 cm－1處為Si－C伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明硅烷偶聯(lián)劑的存在。1100 cm－1處為Si－O－Si伸縮振動(dòng)峰，證明了MQ硅樹脂的存在。3250 cm－1處為－OH的伸縮振動(dòng)峰，這是淀粉的特征吸收峰。這些說(shuō)明棉織物基體上含有可聚合淀粉分散液和乳液。

圖1 淀粉分散液和乳液涂覆棉織物的FTIR圖

圖2為淀粉分散液和乳液涂覆前后棉織物的SEM圖。可以看出，未涂覆棉織物表面光滑，無(wú)明顯溝壑；而乳液和改性淀粉分散液浸涂的棉織物纖維之間形成了微米級(jí)的溝槽，且溝槽內(nèi)出現(xiàn)了大量的微小突起，同時(shí)聚合物中的硅原子提供了低表面能物質(zhì)，由此構(gòu)筑了織物疏水表面。

圖2 棉織物表面的SEM圖

2.2 浸涂順序?qū)椢锸杷阅艿挠绊?/h3>

分別制備改性淀粉分散液和乳液質(zhì)量比為50:50，分先后順序浸涂棉織物兩次，考察浸涂順序?qū)椢锸杷阅艿挠绊懀Y(jié)果見(jiàn)表1。

表1 淀粉分散液與乳液的浸涂順序?qū)椢锸杷阅艿挠绊?/p>

表1可看出，先浸涂乳液再浸涂淀粉分散液所得的織物疏水效果更好。這是由于乳液給織物提供了更低的表面能，淀粉提高了織物的表面粗糙度，當(dāng)先涂淀粉分散液后涂乳液時(shí)，乳液覆蓋在織物表面上，包裹住了織物表面的納米淀粉顆粒，降低了織物表面的粗糙度，所以先涂乳液后涂淀粉分散液的織物效果好。

2.3 浸涂次數(shù)對(duì)織物疏水性能的影響

先用乳液浸涂純棉織物一次，接著用淀粉分散液浸涂棉織物，考察淀粉分散液浸涂次數(shù)對(duì)織物疏水性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 淀粉分散液的浸涂次數(shù)對(duì)織物疏水性能的影響

表2可以看出，隨著淀粉分散液的浸涂次數(shù)增加，棉織物的接觸角逐漸增大，當(dāng)浸涂3次后，接觸角增大到134.00°，繼續(xù)增加浸涂處理次數(shù)，綿織物的接觸角基本不變。這是因?yàn)榻康矸鄯稚⒁?次時(shí)，納米淀粉顆粒就已較為完全的覆蓋到棉織物表面，再增加浸涂次數(shù)，棉織物表面形貌幾乎沒(méi)有變化。故選擇淀粉分散液浸涂次數(shù)為3次。

2.4 不同基底織物對(duì)疏水性能的影響

用乳液對(duì)純棉、尼龍及滌綸分別浸涂1次，接著用改性淀粉分散液對(duì)上述織物分別浸涂3次，研究織物基底對(duì)疏水性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3，相應(yīng)的接觸角如圖3所示。

表3 不同基底織物對(duì)疏水性能的影響

圖3 乳液和淀粉分散液浸涂不同織物基底的接觸角照片

由表3和圖3可以看出，用乳液和淀粉分散液浸涂的棉織物基底顯示出更高的接觸角為134.25°，可賦予織物一定的疏水效果。這可能與淀粉粗糙面與棉織物具有更緊密的結(jié)合牢度有關(guān)。

3 結(jié)論

通過(guò)淀粉分散液與疏水乳液共同處理織物表面，可賦予織物疏水性。FT－IR分析證實(shí)了所得硅烷偶聯(lián)劑KH－570改性的淀粉分散液與疏水乳液所浸涂的織物的組成及結(jié)構(gòu)；SEM分析說(shuō)明成功構(gòu)筑了織物表面的微納結(jié)構(gòu)和低表面能。通過(guò)對(duì)浸涂順序、次數(shù)及不同織物基底對(duì)疏水效果的影響實(shí)驗(yàn)，得出先浸涂淀粉分散液再浸乳液所得的織物疏水效果更好，用淀粉分散液的浸涂次數(shù)為3次時(shí)接觸角可達(dá)到134.00°，以棉織物為基底形成的織物表面顯示了更好的疏水效果。