不同相对分子质量PEG制备DDI 型水性聚氨酯及其织物整理应用

      水性聚氨酯( WPU) 具有安全、环保、节能和使用方便等优点， 得到了广泛的应用， 是当今聚氨酯发展的重要方向。水性聚氨酯作为织物整理剂应用于天然纤维和合成纤维织物， 可以使手感、抗皱性能、织物强力等多项性能得到改善。二聚脂肪酸二异氰酸酯( DDI) 属于长碳链脂肪族二异氰酸酯， 由于国内没有生产能力， 少有其应用研究报道。国外研究结果表明， DDI 是二异氰酸酯中少有的低毒品种， 用于制备聚氨酯可以大大改善操作环境以及制品本身的环保性能。此外，DDI 是一种中等活性的二异氰酸酯， 其反应性比甲苯二异氰酸酯( TDI) 等芳香族二异氰酸酯低得多，但又高于常用的脂肪族二异氰酸酯如异佛尔酮二异氰酸酯( IPDI) 等， 用于聚氨酯的制备具有更好的工艺调节性能。将 DDI 应用于制备聚氨酯材料， 不仅可以克服芳香族聚氨酯的耐候性差、容易黄变的缺点， DDI 特有的脂肪族长碳链还可提供非常优越的成膜性能。预示着 DDI 型聚氨酯具有广阔的应用前景。

      本研究以 DDI、不同相对分子质量的聚乙二醇( PEG) 、DMPA 为主要原料， 采用丁酮法制备 PU 预聚体， 在外乳化剂的存在下， 制备了 DDI 型 WPU， 并对其制备 WPU 的稳定性和对棉织物整理进行了探索和应用， 测试了整理后棉织物的其它综合性能。

1 实验部分

1. 1 WPU 的制备

1. 1. 1 PU 预聚体的制备

      PEG、DMPA 在 120 ℃ 的 真 空 干 燥 箱 中 干 燥2 h， 放入干燥器内备用。在装有电动搅拌器和回流冷凝管的三口烧瓶中， 加入 0. 2 mol 经脱水的 PEG，加入适当溶剂丁酮溶解及调节反应的粘度， 升温至80 ℃ 时， 加入占单体质量分数 10% 的 DMPA 作为亲水扩链剂， 然后滴加入 0. 25 mol 的 DDI， 恒温搅拌反应约 2 h， 制得 NCO 基质量分数为 3. 24% ～ 5. 51%的 PU 预聚体。

1. 1. 2 PU 预聚体的乳化

      本研究由于乳液中含有少量 NCO 基团， 因此，在实验过程中所采用的 PU 预聚体现用现乳化。以十二烷基硫酸钠与 AEO-9 按一定比例复配，加入去离子水， 用高剪切乳化机进行预乳化 3 min，加入 PU 预聚体乳化 10 min。经减压蒸馏脱除丁酮， 制得固体质量分数为 15% 的 WPU。

1. 2 织物整理

      整理配方: 一定量的 WPU 整理剂、三乙胺( 调节 pH 值 6 ～ 8) 、去离子水组成的整理液。二浸二轧 ( 整理液浓度 100 g /L， 轧液率约为100% ， 浴比 1 ∶ 20， 室温下浸、轧) →预烘 ( 90 ℃ ，3 min) →焙烘( 160 ℃ ， 3 min) →水洗→烘干。

1. 3 性能测试

      离心加速沉降测试乳液稳定性， 以 3000 r /min离心沉降 15 min， 如无沉降， 可以认为有 6 个月的储存稳定期; 白度按 GB /T 8425—1987 方法测定; 折皱回复角按照 GB /T 3819—1997 方法测定; 断裂强度按照 GB /T3923. 1—1997 方法测定; 手感最佳者的柔软性规定为 5 级， 未整理织物的柔软性规定为 1级， 至少 3 人主观评定打分， 取平均值。

2 结果与讨论

2. 1 PEG 相对分子质量对 WPU 性能的影响

      合成水性聚氨酯常用的聚醚多元醇为聚醚二元醇和聚醚三元醇。本研究主要选用不同相对分子质量的 PEG， 合成了系列 DDI 型 WPU， 并分别对 DDI型 WPU 进行了性能测试， 结果见表 1。

      从表 1 可以看出， 5 种不同相对分子质量 PEG 合成的 WPU 的稳定性均比较好。但随着 PEG 相对分子质量的增加， 预聚体乳液的平均粒径随之变大，WPU 外观也从半透明转为乳白色。这说明乳液粒径越小， 乳液的透光率越好， 稳定性也好。经焙烘处理后， 在织物表面形成的薄膜就越均匀、致密， 对织物的整理效果就越好。因此， 根据坯布纤维处理要求， 选择 PEG 相对分子质量在 1500 以下、平均粒径100 nm左右较好。

2. 2 WPU 整理效果比较

2. 2. 1 扫描电镜

      图 1 为未整理的棉纤维和由样品 1# ～ 5#整理后的棉纤维的扫描电镜图。

      由图 1 可知， 棉纤维经整理后， 表面变的较光滑，形成了一层致密且较均匀的膜， 该膜包裹在纤维表面， 使得纤维之间的摩擦系数下降， 因而能获得柔软、丰满的手感。其中样品 1#、2#、3#整理的棉纤维表面光滑， 聚氨酯乳液分布均匀; 样品 4#整理的棉纤维表面相对光滑， 但聚氨酯乳液分布均匀性下降; 而样品5#整理的棉纤维表面光滑度及水性聚氨酯乳液分布相对较差， 这可能由于乳液分子较大， 没能进入织物的纤维表面( 特别是棉纤维腰圆型的内侧) 。由此表明， 当 PEG 相对分子质量较大， 整理后分子间与纤维的交联反应发生困难， 而纤维表面均匀程度变差。

2. 2. 2 整理前后防皱性能

      不同 DDI 型 WPU 乳液对织物防皱整理效果见表 2。

      从表 2 可知， 整理后棉织物的折皱回复角得到了很大程度的提高， 获得了耐久的防皱整理效果。水性聚氨酯在整理的过程中， 异氰酸酯基团与纤维大分子中的羟基反应， 在纤维上形成柔性交联结构， 赋予整理后织物的抗皱性和弹性。由此表明， 4 # 和 5 #整理后棉织物的抗皱效果较好。

2. 2. 3 整理前后织物其它综合性能

      整理前后织物其它综合性能变化见表 3。

      由表 3 可知， 整理后白度略有下降， 但对织物白度影响不大， 这是由于合成的整理剂分子结构不形成共轭发色体系。织物的断裂强度不论是经向还是纬向都有所提高， 原因是水性 PU 分子链较长， 具有优良的弹性， 结构中含有硬段和较大比例的软段， 使得纤维具有柔顺性， 在受到外力作用时， 分子链段可以通过滑移来补偿和平衡各个分子链的应力分布，减小了纤维的受力不匀， 故断裂强度有所提高。

      综合结果表明， PEG 相对分子质量为 1000( 3 #)和 1500( 4 #) 制备 DDI 型 WPU 整理织物效果最佳。

3 结论

      ( 1) 以不同相对分子质量的 PEG 和 DDI 为原料， 制备 PU 预聚体， 再采用外乳化法合成了 WPU，PEG 相对分子质量在 1500 以下、平均粒径 100 nm左右， WPU 稳定性较好。

      ( 2) 制备的 DDI 型 WPU 用于织物整理后， 棉纤维表面光滑、手感好， 以 PGE 相对分子质量分别为 1000 和 1500 的最佳; 折皱回复角明显提高， 其中以 PGE 相对分子质量分别为 1500、2000 整理后的棉织物抗皱效果较好; 织物断裂强度随着 PEG 相对分子质量的增加有所增加， 手感柔软最高可达 4 级，但白度略有下降。