水性聚氨酯及其在紡織助劑中的應(yīng)用

杜曉晗

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215411）

聚氨酯是一種通過(guò)加聚反應(yīng)形成的高分子化合物，高強(qiáng)度、耐高溫、彈性好等特點(diǎn)使其在許多行業(yè)和領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。與國(guó)外相比，我國(guó)聚氨酯的生產(chǎn)應(yīng)用起步較晚，在生產(chǎn)加工技術(shù)以及工藝設(shè)備等方面均存在一定的差距。近年來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，聚氨酯的需求量持續(xù)提升，極大地推動(dòng)了我國(guó)聚氨酯生產(chǎn)的工業(yè)化進(jìn)程，將聚氨酯應(yīng)用于紡織助劑是我國(guó)紡織業(yè)生產(chǎn)的常見(jiàn)現(xiàn)象。

1 聚氨酯概述

1.1 聚氨酯

聚氨酯全稱聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU），屬于加聚反應(yīng)產(chǎn)生的嵌段高聚物，特有的軟、硬雙段結(jié)構(gòu)賦予其顯著的耐磨性、耐高溫性、強(qiáng)度以及彈性，在低溫下能夠表現(xiàn)出柔性與韌性相結(jié)合的手感。目前，聚氨酯作為泡沫塑料、涂料、黏合劑、彈性體的原材料，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋機(jī)電、船舶、車(chē)輛、建筑、紡織印染以及航空等[2]。

1.2 制備原料

結(jié)合目前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)況，制備聚氨酯所需的原料主要包括二（或多）異氰酸酯和含有活潑氫的聚酯或聚醚多元醇，生產(chǎn)過(guò)程還需要使用一些催化劑、擴(kuò)鏈劑以及穩(wěn)定劑等。

常用于聚氨酯生產(chǎn)的異氰酸酯主要有二異氰酸酯和三異氰酸酯兩類(lèi)。二異氰酸酯包括甲苯二異氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷-4,4’-二異氰酸酯（MDI）等8種。二異氰酸酯中的高度不飽和異氰酸酯基團(tuán)，能夠與聚酯多元醇或是聚醚多元醇的羥基發(fā)生反應(yīng)。此外，二異氰酸酯還擁有一定的毒性，根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)看，其毒性與飽和蒸氣濃度關(guān)聯(lián)緊密，一般濃度越大，4 h內(nèi)吸入物質(zhì)的毒性也越強(qiáng)。

聚氨酯的制備對(duì)聚酯多元醇的分子質(zhì)量、羥值以及酸值均有極高的要求，端羥基與異氰酸酯可以發(fā)生反應(yīng)并造成鏈終止，反應(yīng)生成物為酰胺以及一定量的二氧化碳。酰胺基能夠繼續(xù)和異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，生成物為酰脲基，會(huì)對(duì)聚氨酯的生產(chǎn)質(zhì)量造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，一般情況下，聚酯多元醇的酸值需控制在1 mg KOH/g以內(nèi)，0.3～0.5 mg KOH/g為宜，但酸值不宜小于0.2 mg KOH/g，否則會(huì)對(duì)聚氨酯生成的速度產(chǎn)生影響。目前，工業(yè)生產(chǎn)中比較常用的聚酯多元醇主要有聚乙二酸乙二醇酯二醇（PEA）、聚乙二酸乙二醇-丙二醇酯二醇（PEPA）、聚己二酸一縮二乙二醇酯二醇（PAG）等9種。

聚氨酯生產(chǎn)中使用催化劑的環(huán)節(jié)為二異氰酸酯和多元醇合成環(huán)節(jié)，催化劑的功能是提高反應(yīng)速率。如在使用異佛爾酮二異氰酸酯和羥基化合物制備聚氨酯時(shí)，若將二月桂酸二丁基錫作為催化劑添加，用量只需0.05%，即可將反應(yīng)時(shí)間縮短為7 h。有機(jī)錫以及叔胺類(lèi)化合物常用作聚氨酯制備的催化劑，從效果上來(lái)看，前者催化NCO/OH反應(yīng)的活性明顯優(yōu)于后者，且能大幅度提高反應(yīng)活性。在不加催化劑的情況下，假設(shè)其活性為1.0，則添加有機(jī)錫類(lèi)催化劑的活性可達(dá)到200。但需注意的是，二月桂二丁基錫具有較強(qiáng)的毒性，必須嚴(yán)格控制濃度，否則將會(huì)損害工作人員的身體健康。一般情況下，二月桂二丁基錫在空氣中的質(zhì)量濃度不超過(guò)0.1 mg/m3。叔胺類(lèi)化合物多用作聚氨酯和水發(fā)生反應(yīng)的催化劑，如聚氨酯泡沫塑料制備、發(fā)泡型聚氨酯黏合劑制備等，主要有3個(gè)品種，分別是三亞乙基二胺、三乙醇胺[N（CH2CH2OH）3]、三乙胺[N（CH2CH3）3][3]。

擴(kuò)鏈劑在聚氨酯的制備過(guò)程中，主要發(fā)揮擴(kuò)鏈和交聯(lián)的作用，主要成分為含有羥基或含有氨基的低分子質(zhì)量多官能團(tuán)，多與異氰酸酯共同使用，會(huì)對(duì)聚氨酯產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響，在異氰酸酯過(guò)量的情況下，也會(huì)與擴(kuò)鏈劑產(chǎn)生反應(yīng)，且產(chǎn)物可發(fā)揮交聯(lián)的作用。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，二甘醇、甘油、山梨醇等醇類(lèi)以及二乙烯三胺、3,3-二氯-4,4-二氨基二苯甲烷（MOCA）等胺類(lèi)常被用作擴(kuò)鏈劑[4]。其中，后者對(duì)人體的呼吸道具有強(qiáng)烈的刺激作用。因此，在使用過(guò)程中，操作人員要注意避免吸入含有該物質(zhì)的蒸汽。在生產(chǎn)過(guò)程中，MOVA多用于聚氨酯彈性體和黏合劑生產(chǎn)的擴(kuò)鏈劑。穩(wěn)定劑用于聚氨酯制備的主要作用是防止聚氨酯樹(shù)脂的老化、熱氧化以及光老化和水解，因此，一般會(huì)通過(guò)添加抗氧劑、光穩(wěn)定劑以及水解穩(wěn)定劑的方式避免這類(lèi)不利現(xiàn)象的發(fā)生。其中，光穩(wěn)定劑可以吸收紫外線，避免聚氨酯出現(xiàn)光老化現(xiàn)象，水解穩(wěn)定劑常用于聚酯型聚氨酯彈性體的生產(chǎn)過(guò)程。

2 水性聚氨酯在紡織助劑中的應(yīng)用

水性聚氨酯以水作為介質(zhì)，體系中所包含的有機(jī)溶劑較少，除了傳統(tǒng)溶劑型聚氨酯擁有的良好性能之外，水性聚氨酯還擁有節(jié)能、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、易加工等多種全新優(yōu)勢(shì)，在紡織助劑中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 用于天然纖維免燙、防皺、防縮整理劑

在棉和真絲等紡織品的生產(chǎn)中，常用的天然纖維具有一項(xiàng)共同的特性，即遇水膨脹和干燥收縮，先后經(jīng)過(guò)這兩個(gè)過(guò)程，天然纖維內(nèi)部的相對(duì)位置會(huì)出現(xiàn)明顯的變動(dòng)以及起皺現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)這類(lèi)現(xiàn)象、保障纖維位置的固定，通常會(huì)使用免燙整理劑。過(guò)去應(yīng)用比較廣泛的免燙整理劑為二羥甲基二羥基乙烯脲樹(shù)脂（DMDHEV），即2D樹(shù)脂，雖然能取得較好的效果，但在加工中會(huì)產(chǎn)生大量的甲醛，不僅會(huì)危害操作人員的身體健康并污染環(huán)境，還會(huì)在面料上形成一定的游離甲醛殘留，對(duì)產(chǎn)品消費(fèi)者的身體健康會(huì)造成損害[5]。因此，我國(guó)早在2003年就發(fā)布強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)紡織物的甲醛含量進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。在這種情況下，紡織業(yè)必須要找到一種全新的替代品。水性聚氨酯整理劑所包含的聚合物膜與纖維之間形成的化學(xué)鍵，使羊毛纖維變得更加平坦，起到防縮和防皺的效果。

2.2 用于織物涂層劑

聚氨酯涂層織物可用于制作具有防水、防羽絨等功能的面料，可耐水、耐寒、耐磨。不僅如此，還具有良好的彈性和手感[6]。如今，紡織業(yè)生產(chǎn)中使用的聚氨酯涂層劑主要可分為溶劑型和水型兩大類(lèi)。前者所用的溶劑主要有甲苯、DMF等，表現(xiàn)出較為明顯的毒性和易燃性。相較而言，水性聚氨酯則不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，且成膜良好，用于織物表面可以形成一層耐久性薄膜，起到防水作用。此外，水蒸氣可以通過(guò)聚氨酯無(wú)定型區(qū)擴(kuò)散至表面，使涂層織物獲得良好的防水透濕性能。

2.3 用于紡織固色劑

長(zhǎng)期以來(lái)，印染與服裝行業(yè)有一個(gè)技術(shù)難題，即活性染料、直接染料等陰離子染料染色織物的干濕摩擦牢度一直無(wú)法達(dá)到預(yù)期。將水性聚氨酯用作固色劑，經(jīng)過(guò)改性處理后，可以使織物獲得良好的透氣性以及耐磨性能。例如，我國(guó)常州大學(xué)化工學(xué)院的學(xué)者以有機(jī)錫作為催化劑，利用二異氰酸酯和聚酯多元醇生成了聚氨酯預(yù)縮體，之后與端基封閉劑氮甲基二乙醇胺（N-MDEA）或是甲乙酮肟進(jìn)行混合，在pH處于4～6的情況下，使用冰醋酸進(jìn)行中和處理，可獲得產(chǎn)物為季銨鹽類(lèi)陽(yáng)離子型水性聚氨酯，可用作紡織生產(chǎn)的固色劑[7]。在生產(chǎn)過(guò)程中，隨著烘焙溫度不斷升高，水性聚氨酯中被封閉的—NCO將會(huì)不斷被釋放，與織物和燃料上含有活潑氫的基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，在織物的纖維表面形成保護(hù)膜，強(qiáng)化燃料在織物上的附著力。

3 結(jié)語(yǔ)

水性聚氨酯擁有傳統(tǒng)溶劑型聚氨酯所不具備的優(yōu)良性能，將其應(yīng)用于紡織助劑中，可以促進(jìn)紡織業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提升，促使我國(guó)紡織業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。