聚季銨鹽的抗靜電性能

蘇 耿，姜亞潔，鞠洪斌，王亞魁，於水新，駱曄媛，耿 濤

（1.中國(guó)日用化學(xué)工業(yè)研究院，山西太原 030001；2.上海艾肯化工科技有限公司，上海 200333）

聚季銨鹽是一種陽(yáng)離子聚合物，電荷密度高、水溶性良好，在石油化工、造紙、水處理、日用化學(xué)品中具有較大的應(yīng)用價(jià)值［1-2］。纖維制品表面粗糙、電阻高，在生產(chǎn)或使用過(guò)程中表面摩擦易產(chǎn)生靜電，在易燃易爆場(chǎng)所會(huì)帶來(lái)安全隱患。聚季銨鹽的高電荷密度可以吸附、中和纖維制品中的負(fù)電荷，并且聚季銨鹽的線性長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)對(duì)纖維制品有較強(qiáng)的粘合作用，可以增強(qiáng)纖維制品的抗靜電能力［3-4］。本文以制備的聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PDMC）和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨/丙烯酰胺共聚物（CPAM）為抗靜電劑，研究聚季銨鹽的特性黏度、陽(yáng)離子度等以及對(duì)3種不同纖維織物的抗靜電性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC，質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，工業(yè)品，山東萬(wàn)多鑫化工有限公司），丙烯酰胺（AM，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，工業(yè)品，鑫甬生物化工股份有限公司），Na4EDTA、硝酸銀、鉻酸鉀（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑上海有限公司），K2S2O8（化學(xué)純，天大化學(xué)實(shí)驗(yàn)廠），聚酯布、腈綸布、棉布（上海持盈化工儀器科技有限公司）。

1.2 儀器

GZX-9240 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），PC68 數(shù)字式高阻測(cè)試儀（上海宙特電氣科技有限公司）。

1.3 聚季銨鹽的制備

PDMC（DMC 均聚物）：通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備。在配有冷凝器，磁力攪拌器，氮?dú)馊肟凇⒊隹诘乃目跓恐校瑢⒁欢緿MC 制成水溶液，通入氮?dú)?.5 h除去燒瓶中的氧氣，加入0.12 g 4.4×10-4mol K2S2O8和0.05 g 2.0×10-5mol Na4EDTA，加熱至68 ℃；將混合物在流動(dòng)的氮?dú)庀聰嚢? h，通過(guò)調(diào)整DMC 用量得到不同特性黏度的PDMC；將PDMC在丙酮、乙醇混合溶液中沉淀，50 ℃下真空干燥12 h，得白色固體PDMC，反應(yīng)式如下：

CPAM：通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備。為了研究陽(yáng)離子度對(duì)聚季銨鹽抗靜電性能的重要性，以AM 與DMC共聚的方法調(diào)節(jié)聚季銨鹽的陽(yáng)離子度，制備不同陽(yáng)離子度的CPAM，制備方法與DMC 均聚物的制備相似，反應(yīng)式如下：

1.4 測(cè)試

特性黏度：按GB/T 12005.1—1989測(cè)定。

陽(yáng)離子度：稱取適量提純干燥后的聚季銨鹽于250 mL 錐型瓶中溶解，加入5%的K2CrO4指示劑，用0.05 mol/L 的AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至磚紅色即為終點(diǎn)［5］。陽(yáng)離子度計(jì)算公式如下：

式中，c為AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；V為試樣所消耗AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，L；m為試樣質(zhì)量，g；m1、m2分別為DMC、AM的分子質(zhì)量。

紅外光譜（FT-IR）：采用KBr壓片后進(jìn)行測(cè)試。

抗靜電性能：根據(jù)GB/T 16801—2013《織物調(diào)理劑抗靜電性能的測(cè)定》進(jìn)行評(píng)估。將纖維織物裁切成10 cm×10 cm 大小，用中性的干肥皂片洗滌并在烘箱中干燥。室溫下將纖維織物在聚季銨鹽水溶液中浸泡10 min，在空氣中干燥3 h，然后置于45 ℃烘箱中干燥4 h。用數(shù)字式高阻測(cè)試儀測(cè)試不同種聚季銨鹽水溶液處理的纖維織物樣品抗靜電性。織物表面電阻Rs由儀器測(cè)試；表面比電阻ρs=2πRslnd/D，式中，D為環(huán)形保護(hù)電極內(nèi)徑（cm），d為測(cè)量電極直徑（cm），π 取3.141 6。抗靜電劑性能好壞由處理后的織物表面比電阻（Δρs）或表面比電阻對(duì)數(shù)值（Δlgρs）表示，數(shù)值越大，抗靜電性能越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR

由圖1可看出，對(duì)于AM：3 500～3 180 cm-（1—NH2），1 674 cm-1（CO），1 605 cm-1（C—N）；對(duì)于DMC：3 017～2 956、1 470 cm-1（C—H），1 712 cm-1（CO），1 624 cm-（1C—N），954 cm-［1—N(CH3)3］；對(duì)于PDMC：3 017～2 970、1 470 cm-（1C—H）弱于DMC，1 618 cm-1（C—N），943 cm-1［—N(CH3)3］，1 712 cm-1（CO）；對(duì)于CPAM：3 602～3 256 cm-1（NH2），1 644 cm-（1CO），2 959～2 987 cm-（1長(zhǎng)鏈—CH3，—CH2—），1 566 cm-（1C—N），944 cm-［1—N(CH3)3］。

圖1 AM（a）、DMC（b）、PDMC（c）、CPAM（d）的紅外光譜圖

2.2 聚季銨鹽的性能

2.2.1 陽(yáng)離子度、特性黏度

由表1 可看出，隨著DMC 用量從15%增至35%，PDMC 特性黏度從0.45 dL/g 增至1.38 dL/g，表明DMC用量對(duì)特性黏度影響很大。這是因?yàn)槿芤褐蠨MC 量越多，線性大分子PDMC越容易聚合，PDMC分子質(zhì)量增加，此時(shí)聚合的PDMC陽(yáng)離子度為100%。

由表2 的CPAM1～CPAM4 可以看出，單體質(zhì)量比為2∶1 時(shí)，CPAM 的特性黏度為2.09 dL/g，隨著單體質(zhì)量比降至1∶3，特性黏度降至0.79 dL/g。這是由于在相同條件下，DMC 的反應(yīng)性比AM 弱［5］，故隨著DMC 用量增加，聚合反應(yīng)活性降低。同時(shí)，隨著單體質(zhì)量比降低，CPAM中DMC的量增加，陽(yáng)離子性提高。

表2 CPAM 的陽(yáng)離子度、特性黏度

2.2.2 抗靜電性

由圖2可知，Δlgρs值隨著聚季銨鹽用量的增大先升高后趨于平緩，這主要是因?yàn)榫奂句@鹽用量增大，線性分子在聚酯布表面的吸附量逐漸增加，因此聚酯布的抗靜電效果變好。當(dāng)聚季銨鹽用量為2 g/L 時(shí)，線性分子被吸附在聚酯布表面的量基本達(dá)到最大化。

圖2 Δlg ρs值隨聚季銨鹽用量變化

2.3 聚季銨鹽性能對(duì)聚酯布抗靜電性的影響

2.3.1 特性黏度

由表3 可知，聚季銨鹽陽(yáng)離子度相同時(shí)，特性黏度越高，Δlgρs值越大，抗靜電性越好。這是因?yàn)榫奂句@鹽的特性黏度越高，線性分子上攜帶的電荷越多，而陽(yáng)離子基團(tuán)N+—(CH3)3可以中和聚酯布表面的負(fù)電荷，提高聚酯布的抗靜電能力。

表3 不同種類聚季銨鹽對(duì)聚酯布的抗靜電性

2.3.2 陽(yáng)離子度

由表3 可知，聚季銨鹽特性黏度接近時(shí)，陽(yáng)離子度越高，抗靜電性能越好。這是因?yàn)榫奂句@鹽的陽(yáng)離子度越高，其鏈上的N+—(CH3)3基團(tuán)增加，可以很好地中和聚酯布上的負(fù)電荷，改善聚酯布的抗靜電性。

2.4 聚季銨鹽對(duì)其他織物的抗靜電性

由表4 可知，聚季銨鹽對(duì)腈綸布的抗靜電性明顯高于棉布。這主要是因?yàn)槔w維織物的材質(zhì)不同。相比聚酯和腈綸，棉的吸濕性較高，很容易將產(chǎn)生的靜電荷通過(guò)水分子導(dǎo)走，故其表面電阻比其他纖維織物小。

表4 CPAM5 對(duì)不同織物的抗靜電性

3 結(jié)論

通過(guò)自由基聚合制備聚季銨鹽，聚季銨鹽對(duì)纖維織物的抗靜電性與其特性黏度和陽(yáng)離子度有關(guān)，二者指數(shù)越高，抗靜電效果越好。