新型有機硅改性聚丙烯酸酯類無氟防水劑的開發及在化纖面料上的應用

文 | 陳曉妹 陸志毅 方偉鎮

近年來，戶外運動如滑雪、登山、徒步、釣魚等在國內越來越受到追捧，人們對專業戶外設備的需求日益增加，服裝品牌商也不斷開發出更專業的功能服飾。在戶外服飾的眾多功能中，防水性能作為一種可視化效果強、容易測試的特殊功能，常常作為重要的宣傳點。目前最優秀的防水防油整理劑是含氟的有機聚合物，但這些防水防油整理劑基本含有全氟辛烷磺酸（PFOS）或其衍生物。隨著人們環保意識的增加以及環保法規日趨嚴格，含有全氟辛基類化合物的有機氟防水劑（C8防水劑）與全氟己基類化合物的有機氟防水劑（C6防水劑）正在區域性地逐步被限制和禁用。與氟系防水劑相比，無氟防水劑不易在生物體內沉積、容易降解、對人體無害，是更加環保安全的產品。

戶外運動面料以滌綸、錦綸等化學纖維為主，為應對復雜戶外環境，對服飾的功能整理也提出了多元化的需求，如具有超潑水性能、手感柔軟，同時對耐洗性能和洗后干燥方式也提出了更高的要求。本文以自制反應型硅油和丙烯酸酯類防水單體為原料，通過乳液聚合制備了新型有機硅改性聚丙烯酸酯類無氟防水劑，并研究了該無氟防水劑用量、焙烘溫度及時間、洗后干燥方式等因素對防水性能的影響，獲得了在不同面料上的最優整理工藝。同時對比了應用該新型無氟防水劑與市面上暢銷的無氟防水劑A、B整理后面料的防水性和耐洗性，考察了其在染廠大生產中的應用效果。

1 試驗

1.1 材料與儀器

材料：深藍色滌綸春亞紡面料（75 D×75 D，克重72 g/m2）、天藍色滌塔夫面料（50 D×50 D，克重45 g/m2）、綠色尼絲紡面料（40 D×40 D，克重55 g/m2）、米色錦綸塔絲隆面料（70 D×160 D，克重121 g/m2），市售；丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸異冰片酯、N-羥甲基丙烯酰胺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸鈉、氫氧化鋇，上海麥克林生化科技股份有限公司；二甲基十八烷基胺、XP-50、AEO-20、2,2-偶氮二（2-脒基丙烷）二鹽酸鹽、冰醋酸、氯乙烯，市售；交聯劑DM-3917G，廣東德美精細化工集團股份有限公司；反應型硅油，自制。

儀器：JJ6000型電子天平（上海精勝科學儀器有限公司）；P-AO型Rapid橫式小軋車（瑞比精密機械公司）；R-3型定形機（臺灣RAPID公司）；101A-2型烘箱（上虞市東盛試驗儀器廠）；YH-86型織物沾水度儀、Y089D型全自動縮水率試驗機（均為溫州方圓儀器有限公司）；HunterLab ultrascan VIS分光測色儀（美國HunterLab公司）；日立SU8010掃描電子顯微鏡（日本日立公司）。

1.2 新型無氟防水劑的制備

在燒杯中稱取適量丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸異冰片酯、自制反應型硅油、N-羥甲基丙烯酰胺，以適量二甲基十八烷基胺、XP-50、AEO-20為乳化劑，加入適量的冰醋酸及去離子水，攪拌條件下用超聲波乳化分散15 min，充分乳化后形成穩定的預乳液。將預乳液轉移到高壓反應釜中，使用氮氣置換高壓釜中的空氣后，添加占單體總質量0.5%的2,2-偶氮二（2-脒基丙烷）二鹽酸鹽作為引發劑，壓入氯乙烯，水浴加熱到62 ℃，保溫5 h后降溫出料。

1.3 后整理工藝

整理液配方：防水劑用量20 ～ 60 g/L，交聯劑DM-3917G的用量為防水劑用量的20%。

后整理工藝：一浸一軋（軋液率50% ～ 70%），焙烘溫度130 ～ 170 ℃，焙烘時間30 ～ 180 s，放置回潮（回潮條件：相對濕度65%±2%，溫度（20±2）℃，回潮24 h）。

1.4 測試

1.4.1 防水性能

按照AATCC 22-2017《紡織品防水性能的檢測和評價（沾水法）》測定及評級，將試樣上的潤濕圖案與標準圖卡對照評級，分數越高表示防水性能越好。耐洗性能測試按照GB/T 8629 — 2017《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》中的A型洗衣機4N程序，干燥方式：60 ℃烘干 1 h或室溫晾干24 h（溫度25 ℃，濕度60%）。

1.4.2 總色差

采用D65光源對面料進行測定，每個樣品測試 4組，取平均值，總色差ΔE表示面料在防水整理前后顏色的變化。ΔE越大，表示色差變化越大。

1.4.3 手感

采用手感評定法，以 5 位受過訓練的人員組成一個小組評估面料手感。先通過排序法決定手感最好和最差的面料，再將手感最好的面料定為 5 級，最差的定為 1級，其余的手感通過參照法得出，分為 1 ～ 5 級，數值越大，表示面料越柔軟。

1.4.4 手抓痕

將布樣疊成 8 層，用相同力度揉10次后展開，觀察布面白痕情況。

1.4.5 表觀形貌

采用日立SU8010掃描電子顯微鏡觀察面料表面成膜情況。

2 結果與討論

2.1 新型無氟防水劑應用工藝優化

無氟防水劑用量、焙烘溫度、焙烘時間、洗后干燥方式對面料防水效果的影響較大，因此以下圍繞這幾種因素進行討論。

2.1.1 新型無氟防水劑用量

按照1.3中的工藝，選擇新型無氟防水劑用量分別為20、30、40、50、60 g/L，焙烘溫度170 ℃，焙烘時間60 s，探究新型無氟防水劑用量對不同面料防水性能的影響，結果如表1 所示。由表1 可知，隨著新型無氟防水劑用量增加，面料防水性能逐漸提高，當防水等級達到90分后，防水效果隨無氟防水劑用量的增加趨緩。從整理后面料的防水性能以及新型無氟防水劑用量兩方面考慮，該無氟防水劑在滌綸春亞紡、滌塔夫、尼絲紡、錦綸塔絲隆面料上的用量分別為20 ～ 30、40 ～ 60、40 ～50、30 ～ 50 g/L時較好。

表1 新型無氟防水劑用量對面料防水等級的影響 分

2.1.2 焙烘溫度

由于實際應用過程中焙烘溫度對面料防水效果也有一定影響，按照1.3中的工藝，在最佳用量范圍內選擇較低的新型無氟防水劑用量，最終選擇該新型無氟防水劑在滌綸春亞紡、滌塔夫、尼絲紡、錦綸塔絲隆面料上的用量分別為20、40、40、30 g/L，焙烘時間60 s，探究焙烘溫度對面料防水性能的影響，結果如表2 所示。由表2 可知，隨著焙烘溫度的升高，面料防水性能也逐漸提高，這是由于焙烘處理后，防水劑與纖維交聯，防水基團有序排布在纖維的外側。隨著焙烘溫度的升高，分子排列更加規整，從而獲得更好的防水效果。當焙烘溫度為160 ℃時，面料防水性能達到最佳，170 ℃時，面料防水性能維持不變。由于實際應用過程中，化纖面料焙烘溫度一般在170 ～ 180 ℃，綜合考慮，焙烘溫度選擇170℃時較好。

表2 焙烘溫度對面料防水等級的影響 分

2.1.3 焙烘時間

按照1.3中的工藝，選擇該新型無氟防水劑在滌綸春亞紡、滌塔夫、尼絲紡、錦綸塔絲隆面料上的用量分別為20、40、40、30 g/L，焙烘溫度170 ℃，探究焙烘時間對面料防水性能的影響，結果如表3 所示。由表3 可知，焙烘時間由30 s增加到180 s，面料防水性能的提升并不明顯。延長焙烘時間反而會增加能耗，降低生產效率。綜合考慮，焙烘時間選擇60 s時較好。

表3 焙烘時間對面料防水等級的影響 分

2.1.4 洗后干燥方式

由于洗后干燥方式對于防水整理后面料的防水性能及耐洗性能有一定影響，在上述 4 款面料中選擇 2 款成分不同的滌塔夫和尼絲紡面料，由于低用量無氟防水劑整理后的面料在多次水洗后防水效果并不明顯，因此選擇該新型無氟防水劑用量為60 g/L，交聯劑用量為12 g/L，焙烘溫度170 ℃，焙烘時間60 s，探究洗后干燥方式即60 ℃烘干 1 h和室溫晾干24 h兩種條件對于同一種面料防水性能的影響，結果如表4 和表5 所示。由表4 和表5 可知，隨著水洗次數的增加，面料防水性能逐漸下降，這是由于面料表面的防水劑隨著洗滌次數的增加而逐漸脫落，影響其防水性能。干燥方式對防水劑洗后防水效果的影響較大，特別是水洗后室溫晾干的防水性能較低。另外，新型無氟防水劑與交聯劑DM-3917G搭配使用，洗滌30次后，面料室溫晾干防水等級可達80分（目前市場要求防水面料水洗30次后，室溫晾干防水等級仍能達到70分以上）。

表4 洗后干燥方式對滌塔夫面料防水等級的影響 分

表5 洗后干燥方式對尼絲紡面料防水等級的影響 分

2.2 表觀形貌

用掃描電鏡分別測試經60 g/L新型無氟防水劑整理前，整理后，整理后水洗10次、60 ℃烘干 1 h以及水洗10次、室溫晾干24 h滌塔夫面料表面的成膜情況，如圖1 所示。從圖1（a）中可以清晰地看到纖維表面凹凸不平，未被防水劑大分子覆蓋；圖1（b）中纖維表面被防水劑大分子覆蓋且纖維之間也有聚合物的黏連，此時面料表現出優異的防水性能；圖1（c）、圖1（d）中纖維上的部分防水劑大分子已經被洗掉，此時面料的防水性能出現不同程度的下降，但依然能明顯觀察到附著在纖維表面的顆粒附著物，表明即使經過10次洗滌，新型無氟防水劑在纖維表面仍然存在。

圖1 掃描電鏡圖

2.3 防水效果對比

將新型無氟防水劑與市場暢銷的無氟防水劑A和無氟防水劑B進行對比。選擇上述 4 款面料中 2 款成分不同的滌塔夫和尼絲紡面料進行防水整理，焙烘溫度170 ℃，焙烘時間60 s。

2.3.1 防水性能

選擇防水劑用量分別為30、40 g/L，測試不同種類防水劑對面料防水性能的影響，結果如表6 所示。由表6可知，與市售無氟防水劑A及無氟防水劑B相比，無論是滌塔夫還是尼絲紡面料，經過新型無氟防水劑整理后面料的防水性能有明顯提升。

表6 不同無氟防水劑整理后面料的防水等級 分

2.3.2 耐洗性能

戶外運動面料要求經防水整理后在多次洗滌以及室溫晾干條件下，防水性能沒有明顯下降。選擇防水劑用量為60 g/L，交聯劑DM-3917G用量12 g/L，測試經新型無氟防水劑整理后面料的耐洗性能，結果如表7 所示。由表7可知，新型無氟防水劑整理后的滌塔夫和尼絲紡面料水洗10次后防水效果明顯好于市售無氟防水劑A及無氟防水劑B，特別是洗后室溫晾干，防水性能仍達到80分以上。

表7 不同無氟防水劑整理后面料的耐洗性能 分

2.3.3 總色差

選擇防水劑用量為60 g/L，以未加工布樣為基準，測試防水整理后面料的總色差ΔE，結果如表8 所示。由表8 可知，在滌塔夫和尼絲紡面料上，新型無氟防水劑的總色差ΔE低于 1，色差變化明顯低于市售無氟防水劑A和無氟防水劑B。

表8 不同防水劑整理后面料的總色差

2.3.4 手感及手抓痕情況

由于無氟防水劑一般用量都比較大，防水劑容易堆積在纖維表面，形成致密的膜層，并未全部與纖維交聯，從而導致面料產生手抓白痕。選擇防水劑用量為60 g/L，對經防水整理后的面料進行手抓痕試驗，同時評價手感變化，結果如表9 所示。由表9 可知，新型無氟防水劑及市售無氟防水劑A、無氟防水劑B均使面料產生手抓白痕，但新型無氟防水劑手抓白痕情況較輕，且面料手感較好。

表9 不同防水劑整理后面料的手感及手抓痕情況

2.4 滌綸春亞紡防水面料大貨生產案例

大貨面料：240T藍色滌綸春亞紡。

工藝流程：新型無氟防水劑30 g/L，一浸一軋，170℃焙烘30 s，車速50 m/min。

測試標準：AATCC 22-2017。

測試結果：防水性能100分。

3 結論

以自制反應型硅油、丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸異冰片酯、N-羥甲基丙烯酰胺等為原料進行乳液聚合，制備了新型有機硅改性聚丙烯酸酯類無氟防水劑，同時對其應用工藝進行了優化。優化的工藝條件為：該新型無氟防水劑在滌綸春亞紡、滌塔夫、尼絲紡、錦綸塔絲隆面料上的用量分別為20 ～ 30、40 ～ 60、40 ～ 50、30 ～50 g/L；焙烘溫度為170 ℃，焙烘時間為60 s。經該無氟防水劑整理后的面料防水性能及耐洗性能較好，面料色變小，手感好，適用于大批量面料的防水加工。

參考文獻（略）