脂肪族非离子水性聚氨酯抗皱整理剂的应用于研究

      纯棉织物作为天然面料，凭借着柔软的手感、良好的透气性、穿着舒适和经济实惠等优点备受消费者青睐。但穿久了棉织物都会出现严重的缩水和皱褶，影响美观和舒适度，同时棉织物弹性也较差，为此众多研究者致力于棉织物的免烫抗皱整理上。出现褶皱的主要原因是纤维分子层之间发生相对滑移，形变较小时，可以完全回复；而形变较大时，就会产生永久褶皱，不再回复。综合近年来的研究，防皱整理剂都是具有两个或两个以上能和纤维素分子上羟基发生反应的官能团的物质，但不是所以能与纤维素反应的化合物都可以用作防皱整理剂，它们必须符合一定的条件：（1）交联键的长短要适中，这样既能达到防皱整理的目的，又可以使整理织物具有良好的物理机械性能。（2）交联键对酸、碱有良好的稳定性，吸氯性比较小，这样既可以增加织物的耐洗性，又在一定程度上不发生氯损现象。（3）反应性能适中，对有色织物的色泽染色牢度没有太大的影响。（4）无有害物质。满足以上要求的水性聚氨酯，作为一种绿色高分子材料，因具有弹性好、强度大和软硬度可调等优点被广泛用于涂料、胶黏剂、纺织助剂等领域。随着低碳和环保观念深入人心，水性聚氨酯材料正在成为新时代材料领域的一大热宠。聚氨酯免烫抗皱的大致过程是：首先合成封端型的聚氨酯，经过烘焙热处理解封出官能团-NCO，与纤维表面的-OH反应，这样就在纤维表面形成接枝涂层，阻止了纤维素分子层之间的滑移，从而达到抗皱效果。关于水性聚氨酯在棉织物免烫抗皱整理上的报道也屡见不鲜，但大都停留在阴离子聚氨酯抗皱整理剂和芳香族聚氨酯抗皱整理剂上。阴离子型整理剂稳定性较好，但与其他助剂的配伍性受到限制；而芳香族聚氨酯反应活性高，抗皱效果好，但容易黄变。

      本文选用脂肪族IPDI为主要原料，以PEG600为亲水性软段，合成非离子型聚氨酯抗皱整理剂，与其他助剂具有良好的配伍性，不易黄变。

1.实验

1.1 织物处理

        乳液稀释至20g/L，40g/L，60g/L，100g/L等一系列浓度的抗皱整理剂。裁剪棉布大小为5cm*10cm，采用二浸二轧工艺（轧余率80%）→预烘（70℃，3min）→焙烘（110-160℃，4min）→水洗→低温烘干，测试性能。

1.2 性能测试

（1） 乳液固含量在载玻片上准确称量乳液 m1 （ 1g 左右），置于50 ℃ 烘箱中烘干至恒重 m2 则固含量为： m2m1ⅹ100%
（2） 乳液稳定性测试量取10ml乳液于离心管内，分别放置在-10℃和60℃摄氏度环境下6h，取出恢复室温20℃，再放回实验。重复5次，观察有无分层聚结现象。
（3 ）乳液结构红外光谱分析（FT-IR）采用空白溴化钾压片涂覆法，红外灯下烘干，置于用美国Nicolet MAGNA 公司的MAGNA-IR550型傅里叶红外光谱仪分析共聚物结构，波谱范围4000~400cm-1，分辨率2cm-1。
（4 ）异氰酸根（-NCO）残余量测定采用二正丁胺测定法。
（5 ）封端率测定采用I2液滴定法测定。
（6 ）织物折皱弹性回复角测试
      按照GB/T3819-83,在室温20℃，相对湿度65%条件下，使用宁波纺织仪器厂生产的YG541A型织物折皱弹性仪测定织物的干态和湿态折皱弹性回复角（折皱弹性回复角为经向与纬向之和）。每个样品测定三次，取平均值。
（7） 织物强力测试
      按照GB3923-83，使用YG026C型电子织物强力机对整理后织物的断裂强力进行测定，拉伸速度50mm/min,夹持长度100mm，布宽50mm。每个样品测三次，取平均值。
（8 ）织物白度测试
      采用白度电脑配色仪对整理后织物白度进行测定，每个样品三次，取平均值。

2、结果与讨论

2.1 PEG600用量树脂合成的影响
      由于封端剂NaHSO3不溶于常规有机溶剂，封端反应中只能以水为封端剂载体，为了提高封端剂与预聚体的相容性，在预聚体中引入适量亲水链段是必要的。

      由表1可以看出，当预聚体中没有引入PEG或者引入量低于15%时，预聚体聚合过程很稳定，但是封端后会出现分层，这是因为尽管预聚体经过NaHSO3封端得到的磺酸盐是强亲水聚合物，但是如果预聚体没有足够的亲水性，会在封端反应过程中，因油水两相的相容性不好而难以顺利实现封端。当PEG用量高于30%时，预聚后期会出现凝胶爬杆的现象。这可能是因为PEG反应活性高，分子链柔顺性好，预聚体大分子相互缠结程度高导致。综合考虑，实验选择PEG600含量为20%作为亲水链段。

2.2 交联单体用量影响
      通过引入交联单体，使整理剂大分子呈现网状结构，经过烘焙处理接枝在织物上，限制棉纺织物纤维分子层间相对滑动，从而更好的起到免烫抗皱的效果。

      由表2可以看出，交联单体的含量直接影响着乳液的外观，稳定性和成膜性，随着交联含量的增加，乳液的粒径变大，透明性变差，较大粒子间碰撞导致稳定性变差。当交联高于2%时，成膜性变差。这是因为当交联含量较多时，聚合物分子之间互相缠绕，分子链自由移动受限，在成膜过程中存在较大的内应力，干燥后就容易形成裂纹，影响树脂的使用性能。综合考虑以上因素，交联单体选用2%较为适宜。

2.3 共聚物红外光谱（FT-IR）如图1：

      由图1可以看出，2270cm-1不存在-NCO特征峰，说明-NCO反应完全，3334cm-1为PU中氢键化的-NH伸缩振动吸收峰，氢键作用使得PU分子链硬段的有序排列及硬段与软段之间的微相分离。1713cm-1为C=O伸缩振动峰，1510cm-1为N-H弯曲振动和C-N伸缩振动峰，1150cm-1为C-O伸缩振动峰，这些都是PU的特征谱带。1240cm-1为磺酸盐和C-O振动吸收的重叠峰。

2.4 封端时间对封端率影响：

      由图2可以看出，随着封端时间的延长，封端率逐步提高，而当封端时间超过20min后，封端率增长缓慢，趋于定值。这是因为在封端过程中使用的是亚硫酸氢钠饱和水溶液，尽管亚硫酸氢钠与异氰酸酯反应活性远高于水与异氰酸酯反应的活性，但是随着亚硫酸氢钠反应的进行，浓度的减小，其反应也趋于变缓，而水与异氰酸酯的反应逐步凸显。由于封端率的测定是以亚硫酸氢钠的量为标准，所以这时候，封端率不再提高。

2.5 单体含量对乳液性能影响

（1 ）封端剂用量对封端率影响

      由于封端过程存在亚硫酸氢钠和水同异氰酸酯反应的竞争，所以适当增大亚硫酸氢钠用量可能导致封端率的增大，增强树脂的抗皱整理效果。
由图3可以看出， 当n（NaHSO3）/n（-NCO）取1时，接枝率仅为0.52，随着封端剂用量的增多，封端率逐渐提高，但是当n（NaHSO3）/n（-NCO）取1.2:1时，继续增大封端剂用量，封端率增大不明显。

（2） 助溶剂对封端率影响

      由于预聚体是聚氨酯大分子相互缠绕的聚集体，官能团被大量包覆，导致封端率较低。使用助溶剂稀释预聚体，可以有效提高封端率。这里选用选用乙醇和异丙醇的复合溶剂稀释预聚体，总量等于预聚体的质量。

      由图4可以看出，当助溶剂全部由乙醇组成时，封端率仅为0.51，这是因为乙醇与异氰酸酯的反应活性要高于水和空间位阻大的异丙醇，使得封端率较低。随着异丙醇的增多，封端率迅速增加，而当V（异丙醇）/V（乙醇）达1.5以后，封端率反而有所下降。这可能是因为异丙醇的增溶效果相对乙醇更差，导致封端剂与预聚体相容性不佳。所以实验中选用V（异丙醇）/V（乙醇）=1.5进行封端反应。

2.6 焙烘温度对织物性能影响

      由表3看出，随着焙烘温度升高，折皱回复角增加，白度下降，而断裂强力先增加后减小。这是因为高温可以促使抗皱整理剂充分解封和接枝在织物表面，同时整理剂具有一定交联效果使得织物处理后断裂强力有所增加。但是当温度过高时，虽然弹性回复角持续增加，但织物结构受到破坏，断裂强力和白度下降明显。因此焙烘温度选在140℃最合适。

2.7 抗皱整理剂用量对织物影响

      由表4可以看出，随着硬抗皱整理剂用量的增加，织物弹性回复角和断裂强力增加，白度下降。这是因为整理剂具有一定的交联效果，织物经过处理后在表面形成了一层交联涂层，增加了织物的断裂强力，而当整理剂用量达到一定程度后，这种增加的现象不再明显。综合考虑到成本和作用效果，整理剂剂用量选择在60g/L。

3、结论

      当亲水链段PEG含量20%，聚合过程稳定，所得乳液稳定性好；当TMP用量占2%时，树脂的稳定性和成膜性较好；当助溶剂组成为V（异丙醇）/V（乙醇） =1.5 ，n（NaHSO3）/n（-NCO）=1.2,封端时间20min时，封端率可达到0.82。

      当整理剂用量60g/L时，整理后织物断裂强力有所提高，干弹回复角达281°，湿弹回复角达到224°，织物白度略有下降。