涤纶亲水整理剂LS的合成及应用

李保梅，赵雅琴，王少鹏

( 河北科技大学, 河北 石家庄 050018)

引 言

随着现代科技的不断发展，人们对衣服的各种性能要求也越来越高，特别是对织物风格及其服用性能的要求越来越高。涤纶纤维的一般性能如强力、耐磨性、回弹性和尺寸稳定性均能较好满足各种最终用途的需要，在服装领域的应用日渐增多。但涤纶是一种典型的疏水性纤维,吸湿率只有4%,作为贴身服用材料，它的穿着舒适性很差，尤其当人体出汗时，它排汗困难，给人闷热不适的感觉。由于涤纶的吸湿性很差，给织造带来一系列问题，如易积聚静电、易吸灰尘、去除油污渍难等。织物的亲水性与服用的舒适性密切相关，若改进了涤纶的亲水性，上述问题均可迎刃而解。为此，人们在改善涤纶亲水性能方面做了大量的研究工作[1]。

本课题将合成一种亲水整理剂对涤纶织物进行整理,处理的实质是要在涤纶织物的表面形成一层亲水性化合物,达到提高织物表面亲水性能的目的[2-3]。

1 实 验

1.1 实验原理

本实验采用邻苯二甲酸酐与聚乙二醇反应生成酯，再对涤纶处理。邻苯二甲酸酐分子式C8H4O3，分子质量148.11。俗称苯酐，结构式如下：

苯酐是白色针状晶体，熔点129～133 ℃，沸点284.5 ℃。密度1.527 g/cm3，易升华。稍溶于冷水，溶于热水并水解成邻苯二甲酸。溶于乙醇、苯和吡啶，微溶于乙醚。

苯酐具有一般有机酸酐的化学特性。如：与醇反应脱水生成酯，与热水和水蒸气反应生成酸或脱羧生成苯甲酸等。苯酐与聚乙二醇反应生成酯，苯环与酯键在一定温度下与涤纶纤维发生共结晶效应而固着于纤维表面，亲水链段向外排列在纤维的表面形成纤维的亲水表层而使涤纶织物具有亲水、抗静电、易去污等性能,从而改善织物的服用性能[4-6]。

一般的涤纶纤维的玻璃化温度Tg和结晶熔融温度Tm分别为69 ℃和267 ℃，于是要使亲水抗静电剂共聚物和涤纶纤维发生共晶结合，处理温度不能低于110 ℃，这就为亲水抗静电剂的整理工艺条件选择提供了理论参考依据。亲水抗静电剂整理工艺的处理温度应接近于共聚物熔融温度而不低于共聚物的玻璃化温度。

1.2 实验材料

市售具有拒水性的纯涤纶长丝机织物、苯酐(分析纯、天津市永大化学试剂开发中心)、聚乙二醇600(天津市大茂化学试剂厂)、聚乙二醇1 000(天津市大茂化学试剂厂)、聚乙二醇1 500(分析纯、天津市光复精细化工研究所)。

1.3 实验仪器

SD-A立式电动小轧车(广东省鹤山沙平宏发染整机械厂)、电热鼓风干燥箱(江苏省东台县电器厂)、小样定型烘干机(上海朗高纺织设备有限公司)、YG026A型电子织物强力机(常州市大华电子仪器有限公司)、YG(B)342D型织物感应式静电测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)。

1.4 实验方法

1.4.1 工艺流程

首先是苯酐和聚乙二醇反应，制备涤纶亲水整理剂，然后对涤纶织物进行整理，经过平行试验选出最优工艺。

实验工艺流程：制备涤纶亲水整理剂(搅拌、液封、150 ℃左右，4 h以上)→ 浸轧改性剂LS用量5%(owf)(二浸二轧，轧余率为100%)→ 烘干(80 ℃，5 min)→ 焙烘(200 ℃，1 min)→ 测试。

苯酐和聚乙二醇反应中，苯酐的熔点在130 ℃左右，合成反应温度150 ℃左右。工作液配制时需将反应生成的亲水整理剂用60 ℃热水溶解，据资料查得取亲水整理剂配制成实验所需用量5%(owf)，充分搅拌使其完全溶解，pH值4或5。对织物试样亲水整理不可在碱性条件下，织物也不可呈碱性，否则会破坏亲水整理剂[7]。

1.4.2 实验现象

在苯酐和聚乙二醇反应的时候，在反应1 h左右三口烧瓶壁上出现白色针状结晶体，并且反应液开始变黄，反应结束后生成物呈淡黄色透明油状液体。壁上的白色针状结晶是苯酐。

1.5 测试方法[8]

润湿时间测定: 将布平铺绷紧在一个烧杯上,用胶头滴管在距布面约0.5 cm处滴一滴水,开始记时, 直到水滴在布面上扩散至无镜面反射时为止,该时间为水滴扩散时间,以秒为单位。在布样上依次做同样的测试，观察织物左中右整理效果是否一致。用取数据平均值来衡量织物亲水性。一般来说，水珠渗入织物速度越快，整理后的织物吸水能力越强。

强力测定: 在YG026A型电子织物强力机上测定，每一试样在不同部位测试3次, 取其算术平均值。

耐洗性测定: 控制浴比1∶30，水温30 ℃，洗涤1 min，脱水烘干，上述操作为一次洗涤。洗涤5次，再测定试样润湿时间，相互比较。

抗静电性测试: 在YG(B)342D型织物感应式静电测试仪上测试。

2 合成工艺优选

2.1 合成反应温度对整理剂LS的影响

在三个不同温度下分别用苯酐与聚乙二醇1 000按物质的量比1∶1和1∶2的反应得到亲水整理剂，将得到的6种亲水整理剂LS分别按用量5%(owf)，室温下对涤纶织物两浸两轧，轧余率为100%，在烘箱于80 ℃烘5 min。测定润湿时间，如表1。

表1 反应温度对整理剂效果的影响

注：苯酐与聚乙二醇1 000的量比为1∶1。

表2 反应温度对整理剂效果的影响

注：苯酐与聚乙二醇1 000的量比为1∶2。

实验测得未经整理的织物润湿时间在3 min以上，对比表1、表2的实验数据可以看出,经整理的涤纶织物润湿时间明显缩短。

由表1、表2还可以看出，随着合成时反应温度的提高，经整理剂整理的涤纶织物的润湿时间也增加，即亲水效果下降。而且随着合成温度的提高，得到的整理剂色泽也随之加深。由于聚乙二醇容易在高温下产生热氧化和热降解反应，影响产物的色泽及亲水性能。因此随着合成温度的升高，聚乙二醇热氧化和热降解的程度加重，产物色泽加深。由于热氧化和热降解破坏了整理剂中聚乙二醇分子链的结构，进而影响整理剂的亲水性能。

综上所述，在这几个反应中，苯酐与聚乙二醇1 000按物质的量比1∶2合成时，最佳反应温度为155～165 ℃，此时整理剂的润湿时间最短，亲水效果最好，合成产物色泽也最浅，后整理时对织物的色光影响也最小。故本实验选用该温度下合成的整理剂。

2.2 反应时间对整理剂LS的影响

选用苯酐与聚乙二醇1 000的量比为1∶2，反应温度为155～165 ℃进行以下实验。实验结果见表3。

表3 反应时间对整理剂效果的影响

由表3可以看出，反应4 h合成的整理剂LS整理效果最好。如果反应时间过短，会造成反应不充分，整理剂LS整理效果下降。但是超过4 h，或者反应时间过长，润湿时间虽然变短，可变化不是很明显，但可能引发副反应，导致生成的产物色泽加深。由此可见，4 h内苯酐与聚乙二醇已经充分反应，综合考虑反应时间选4 h。

2.3 单体配比对整理剂LS的影响

选用苯酐与聚乙二醇的量比1∶1，反应温度为145～155 ℃的合成产物与苯酐与聚乙二醇的量比1∶2，反应温度为155～165 ℃的合成产物进行比较，反应时间均为4 h。将合成的亲水整理剂LS分别按用量5%(owf)，室温下对涤纶织物两浸两轧, 轧余率为100%，在烘箱于80 ℃烘5 min。测定润湿时间，结果如表4所示。

表4 单体配比对润湿性的影响

由表4可知，洗之前，苯酐与聚乙二醇按物质的量比为1∶2合成的亲水整理剂效果好于按1∶1合成的，但是洗5次之后，按1∶2合成的亲水整理剂效果比按1∶1合成的要差，即耐洗性差。主要是由于整理剂中的固着部分为苯环和酯键，按物质的量1∶1合成的整理剂中含有一个苯环和一个酯键，按物质的量1∶2合成的整理剂中含有一个苯环和两个酯键。整理剂中亲水部分为聚乙二醇分子链，聚乙二醇分子链含的氧原子越多，亲水性越好，但是耐洗性能会越差。

综上所述，苯酐与聚乙二醇按物质的量1∶1合成得到的整理剂，比按1∶2合成的整理剂处理的织物耐洗性能好，适用性更强，所以苯酐与聚乙二醇的物质的量比取1∶1为宜。

2.4 聚乙二醇聚合度对整理剂LS的影响

将在最佳合成温度下反应得到的整理剂分别配制成1%(owf)、3%(owf)、5%(owf)、7%(owf)的工作液，室温下涤纶织物两浸两轧，轧余率为100%，在烘箱于80 ℃烘5 min。测定润湿时间。

图1 聚乙二醇聚合度对亲水效果的影响

由图1可以看出，在苯酐与聚乙二醇的量比相同的情况下，经整理后的涤纶织物润湿时间随着聚乙二醇聚合度的增加而减少，即亲水性能提高。合成产物中起亲水作用的为聚乙二醇分子链，聚乙二醇分子链中含有大量氧原子，这些氧原子可以与水分子中的氢原子形成氢键，起到亲水作用。聚合度为1 500的聚乙二醇分子含的氧原子最多，亲水性能也就最好。聚合度为600的聚乙二醇分子含的氧原子最少，亲水性能也就最差。

因此，取聚合度为1 500的聚乙二醇合成涤纶亲水整理剂LS。

3 亲水整理工艺优选

3.1 整理剂LS用量对亲水性能的影响

将在最佳合成温度下反应得到的整理剂LS分别配制成1%(owf)、3%(owf)、5%(owf)、7%(owf)的工作液，室温下涤纶织物两浸两轧，轧余率为100%，在烘箱于80 ℃烘5 min。测定润湿时间。

图2 工作液用量对织物润湿时间的影响

由图2可以看出，整理剂的润湿时间随着工作液用量的增加而减小，即亲水性能随整理剂用量的增加而变得更好。因为亲水性整理剂是吸附固着在纤维表面，随着整理剂用量的增加，在相同的轧液率下，织物上所带的整理剂增多，使亲水整理剂能均匀而充分地附着在涤纶表面,使织物的表面形成一层严密的亲水薄膜,达到提高织物表面亲水性的目的。如果整理剂用量少，则不能充分地覆盖织物，整理效果不好；但用量过多，从图中可以看出，对润湿效果影响不大，会造成不必要的浪费。可见，当整理剂用量为5%(owf)时，织物表面完全被整理剂附着，此时织物的润湿性和耐洗性最佳，所以整理剂最佳用量选5%(owf)。

3.2 焙烘温度和时间对耐洗性的影响

将苯酐与聚乙二醇1 500按物质的量1∶1的比例，在最佳温度下合成的产物配制成5%(owf)的工作液。采用两浸两轧，轧余率为100%，在烘箱于80 ℃烘5 min，再在不同温度和时间下进行焙烘，测定润湿时间，进行比较。水洗5次，测定每次的润湿时间。

表5 焙烘温度和时间对整理剂LS耐洗性的影响

图3 焙烘温度和时间对织物耐洗性的影响

由表5和图3可以看出，焙烘温度为200 ℃，焙烘时间为90 s时，织物的耐洗性能最好。在160～200 ℃的范围内，随着焙烘温度和焙烘时间的增加，织物洗后的润湿时间逐渐减少，即耐洗性增加。在此温度范围内，焙烘温度和焙烘时间的增加，有助于整理剂中固着部分与涤纶织物的结合，即苯环和酯键与涤纶纤维共晶结合，所以耐洗性增强。焙烘温度为220 ℃时，润湿时间有所增加，亲水性能下降。过高的焙烘温度使整理剂中聚乙二醇分子链发生热氧化和热降解反应，导致亲水性能的下降。

综上所述，整理剂处理的织物的最佳工艺条件为焙烘温度200 ℃，焙烘时间90 s。

4 整理后织物的性能

使用最佳合成产物在最佳后整理条件下处理涤纶织物。检测织物的强力、色光和抗静电性能的变化，见表6。

表6 织物性能对比

由表6可以看出，经整理后的涤纶织物获得了良好的抗静电性能，静电电压的半衰期显著减小。这是由于亲水整理剂均匀附着在涤纶表面,使织物的表面形成一层亲水性化合物, 亲水薄膜有一定的导电性, 因此提高了织物的抗静电性。K/S值变小，说明整理后的织物的色泽较原布样浅，织物经高温焙烘时，部分分散染料从纤维中升华，致使K/S值变小。由于涤纶的耐热性能好，经高温焙烘后织物的强力基本没有发生变化。

5 结 论

(1)用苯酐和聚乙二醇反应合成涤纶亲水整理剂，最佳工艺为：苯酐和聚乙二醇的量比为1∶1，置于三口烧瓶内加液封、冷凝管，在145～155 ℃的温度和搅拌下约反应4 h合成，生成物为淡黄色透明油状液体。

(2)用合成的亲水整理剂对涤纶进行整理，最佳工艺为：涤纶织物试样浸轧改性剂LS用量5%(owf)(二浸二轧，轧余率为100%)、于80 ℃下烘5 min、再在200 ℃下焙烘90 s。在此工艺下整理的涤纶织物获得较好的亲水性，并具有一定的耐洗性。

(3)与未整理布样比较，整理后的涤纶织物不仅具有良好的亲水性，而且获得了良好的抗静电性能，半衰期显著减小。K/S值略有降低，但织物的强力基本无发生变化。

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