织物易去污用功能基团交换树脂的研究(1)

刘建平臧健

摘要：本文探讨了功能基团交换树脂用于织物易去污的机理，研究了功能基团结构与易去污性能的关系，分析了功能基团结构、乳化剂种类的安全性。结果表明：主要单体为全氟烷基丙烯酸乙酯FA为6碳，丙烯酸酯AA侧链为18碳及甲基丙烯酸羟乙酯进行乳液共聚制得功能基团交换树脂，乳化剂为AEO非离子表面活性剂与阳离子表面活性剂复配物。该树脂与架桥剂封端异氰酸酯在织物上固化成膜，织物易去污的性能好又安全。

关键词：织物；易去污；功能基团；交换树脂

1前言

功能高分子材料在新材料的研发与应用等诸多方面显示出越来越重要的作用[1，2]，功能基团交换树脂是一类新型的功能高分子材料，用于织物表面改性后使织物具有易去污的性能。例如改性后织物制成医生和护士的手术衣，可防止血液渗透衣服而发生污染。如何设计功能基团交换树脂的分子结构，以获得易去污效果好并且对人体安全是当今研究的一个热点课题。

1916年，Langmuir[3]预测高分子材料的表面性质由其最表面几个分子层性质决定，并在以后得到实验的证实。Mach[4]等发现在分子尺度的表面层内，分子结构上的一个原子被替换后，表面能就会发生非常显著的变化。因此，功能基团交换树脂在织物表面成膜，则织物表面性能就有该树脂的性质决定。设计聚合物中各种性能的基团，有的基团具有亲纤维性、有的基团具有成膜性、有的基团具有粘合性、有的基团具有交联性、有的基团具有低表面能、有的基团具有高表面能，从而使聚合物成为功能高分子材料。环境诱导作用能使聚合物中低表面能基团和高表面能基团在织物表面进行交换，这种功能高分子材料称为功能基团交换树脂。在空气的低表面能环境中，功能基团交换树脂的低表面能基团处在织物的表面，具有防污性能；在水的高表面能环境中，功能基团交换树脂的高表面能基团交换到织物的表面，具有易去污性能。因此，通过环境诱导功能基团在织物表面的交换，成为控制织物易去污的重要手段[5]。

2.1材料与仪器

全氟烷基丙烯酸乙酯FA（美国3M公司）、丙烯酸酯AA（北京东方化工厂）、甲基丙烯酸羟乙酯HEMA（无锡市杨市三联化工厂）、乳化剂（吉林

2实验部分

May.201134染整技术化工公司）、过氧化引发剂（上海元越化工有限公司）、架桥剂封端异氰酸酯（日本第一工业制药）、29tex×36tex 504根/10 cm×236根/10 cm纯棉纱卡。

四口反应瓶、烧杯、移液管、洗耳球、温度计(0～100℃)、铁架台、电动搅拌器、电热碗套（金坛仪器厂）、JC2000Cl型接触角测试仪（上海中晨数字技术设备有限公司）、X射线衍射仪（北京普析通仪器有限责任公司）、差示扫描热量分析计（上海恩龙科学仪器有限公司）、小轧车和烘箱（夏门瑞比精密机械有限公司）、评定防水用AATCC-22样卡、评定防油用AATCC-118样卡、评定易去污用AATCC-130样卡（上海市纺织工业技术监督所）。

2.2功能基团交换树脂的制备

将去离子水、乳化剂加入四口反应瓶中,再将全氟烷基丙烯酸乙酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯混合后1/3加入四口反应瓶中并开动搅拌，另2/3加入1号滴液漏斗，过氧化引发剂加入2号滴液漏斗。反应瓶内物料加热至60℃时，将2号滴液漏斗中物料的1/3放入反应瓶并保温0.5 h，升温至76℃反应开始，出现荧光继续升温至90℃～92℃，再冷却至80℃。在80℃同时滴加1号滴液漏斗、2号滴液漏斗中物料，经2h同时加完滴液漏斗中的物料。在80℃保温1h，冷却至40℃以下，过滤、出料得功能基团交换树脂即易去污剂。

功能基团交换树脂结构式如下：

2.3织物表面改性工艺

（1）工艺处方：

29tex×36tex 504根/10 cm×236根/10 cm纯棉纱卡易去污剂30 g/L

（2）工艺流程

织物→一浸一轧（轧液率70%）→预烘（105℃，2 min）→焙烘（160℃，3 min）→自然冷却。

2.4织物表面性能测试

（1）接触角测试

（2）广角X射线衍射测得衍射角2=18°的曲线

（3）差示扫描热量分析计测试结晶度

（4）织物防水性测试：喷淋法评定防水用AATCC-22样卡

（5）织物防油性测试：滴油法评定防油用AATCC-118样卡

（6）织物易去污测试：洗涤法评定易去污用AATCC-130样卡

在20℃时，水的表面张力为72.8 mN/m，油的表面张力为20～40 mN/m，其他液体污垢的表面张力一般介于水的表面张力和油的表面张力之间，织物防水、防油、防污要求织物的表面张力分别比他们的表面张力小。现以水为对象，探讨水与织物接触的表面现象。织物的防水性以接触角θ﹥90°为准，接触角θ越大，防水效果越好。

由表1可知通常纤维组成的织物都不具有防水效果，因为纤维的临界表面张力大，并且有些纤维亲水性强。全氟辛基丙烯酸乙酯与其他单体的共聚物的临界表面张力很小，并且具有疏水性，因此防水效果很好。若全氟辛基丙烯酸乙酯与其他单体的共聚物在织物上成膜，则织物不仅能防水，而且能防污、防油。由于聚合物的主链为碳碳单键，因此共聚物中全氟烷基或者其他基团可以在109°28′绕碳碳单键自由内旋转，呈现出多种构象。在空气的低表面能环境的诱导下，全氟烷基交换到表面，高分子链和其他基团回缩到内部，呈现特定的构象。聚合物在织物表面成膜后,全氟烷基处在织物的表面，由于全氟烷基间内聚能低，因此织物的表面张力低，污垢不易沾染或已沾染的污垢很容易从织物上去除，从而使织物具有防污性能。

3.1 FA均聚物的防污性能

3.1.1全氟烷基与后退接触角的关系

织物平放时，当水滴到织物的表面形成的接触角为平衡接触角θ，而织物实际使用时往往不平衡，当水滴到织物的表面形成的接触角为动态接触角。动态接触角具有前进接触角θa和后退接触角θr，后退接触角小于前进接触角。接触角越小，润湿程度越大，织物的防水性能越差。

由图1可知后退接触角与全氟烷基中的碳数有关，这是因为全氟烷基中碳数的增加，全氟烷基排列整齐度增加。后退接触角在全氟烷基不满8个碳的情况下得到的值要比前进接触角小得多，这是因为全氟烷基不满8个碳，全氟烷基排列较混乱，产生了很大的滞后作用。当全氟烷基中碳数增至8碳时，全氟烷基排列整齐并且疏水性强，在空气低表面能环境诱导作用下，全氟烷基与高分子链交换位置，占据了织物的表面，全氟烷基表面能低，后退接触角的值就会接近前进接触角的值，滞后作用会减少。因此，全氟烷基的碳数在8个以上，具有很好的防污性。

3.1.2全氟烷基的碳数与全氟烷基之间距离的关系

全氟烷基中碳数增加，有利于全氟烷基与高分子链交换位置而分相，全氟烷基整齐的排在一起，结晶度提高，全氟烷基间距离减小。由广角X射线衍射仪测得结果见图2，当全氟烷基的碳数在8个以上，全氟烷基的结晶带上升，则全氟烷基之间距离很小。全氟烷基之间距离小，隔绝空气与纤维接触，织物表面张力低，防污性能好。