纳米三防羽绒服面料的研制yd6106
冯爱芬 张永久（河北科技大学）
【摘要】本文论述了织物的三防机理以及三防整理剂的选择，利用正交实验设计实验方案对涤纶羽绒服面料进行了三防整理。得到了提高羽绒服涤纶面料的拒水、拒油、防污的三防整理
优化工艺条件。
【关键词】纳米 三防整理 有机氟树脂 涤纶 正交实验 优化工艺条件
1.引言
羽绒服是人们冬季保暖御寒的主要服装。由于其保暖性好、轻便、时尚、颜色多变、款式多样等特点而深受广大消费者的喜爱。活里活面的羽绒服虽然洗涤方便但由于比较臃肿，缺少个性、款式变化少，而受到消费者的冷落，近几年来逐渐被款式多样、颜色多变、时尚又有个性的表里一体的羽绒服所替代。羽绒服面料多为涤纶面料，其吸湿性差、易产生静电，使羽绒服易吸附灰尘、易脏不易洗。在北方地区，冬季常常是多风无雪、空气干燥，空气中浮尘较多，着装者需要经常洗涤，而羽绒服既不易洗涤，也不易干。羽绒服洗涤次数多易造成羽绒的破碎，破碎的羽绒易钻出面料，一方面影响美观，另一方面羽绒的膨松度降低，影响其保暖性，再加上人们对羽绒服的洗涤不当而造成羽绒的损伤。本研究目的就是对羽绒服面料（涤纶）进行拒水、拒油、防污多功能整理，提高羽绒服三防性能，使羽绒服做到防水、不沾油污、不易吸附灰尘，减少羽绒服的洗涤次数，提高羽绒服的附加值及科技含量。
纳米技术是八十年代末期新崛起的一门高新技术。纳米材料是一种全新的超微固体材料，一般将粒径在1-100nm之间的超细微粒称为纳米微粒。近年来，纳米材料在纺织品上的应用越来越受到人们的青睐。它区别于普通的材料是由于它的超细化的极大表面活性，具有传统材料所没有的优越性，它应用在纺织品上具有拒水、拒油、防静电、防污、抗菌、柔软等功能。
本技术采用有机氟树脂与纳米材料的复配对涤纶细旦丝织物进行拒水、拒油、防污整理。
2
三防机理
2.1 拒水拒油原理
在织物表面施加一层整理剂，改变了纤维表面性能，使纤维的表面张力低于油的表面张力，因为水的表面张力远大于油的表面张力，所以织物获得拒油的性能后自然也就有了拒水的性能。有机氟树脂与其它有机硅和脂肪烃类拒水剂相比较，具有①拒水效果好②耐久性能好③具有防油效果。有机氟树脂的拒油性与其具有低表面能有关，氟原子的原子半径极化率小，再加上电负性在所有的元素中最高，碳氟键的极化率也小，因此含有大量碳-氟键化合物的分子间凝聚力小，结果使表面自由能降低，形成了对各种液体很难润湿，很难附着的特有性质。
利用有机氟树脂进行功能性“三防”整理，拒水、拒油、防污，是利用在水相或油质基础上对水油及沾污物质的抗拒，以防止织物的浸湿和沾污，并利用抗粘着性防止油污物质的粘附，使其具有拒水、拒油、防污的性能，织物经整理后产生拒水、拒油性能是由于织物中纤维的表面性能发生变化所致，根据杨氏方程，当液体的表面张力低于固体的表面张力时，则能在该固体表面随意铺展和润湿，有机氟树脂具有低表面能，表面张力很小，整理后可在织物表面的纤维上均匀覆盖一层薄膜使水和油不能润湿。一些物质的表面张力如下表所示，有机氟树脂的表面张力低于水和油类的表面张力，因而具有良好的拒水、拒油和防污性。
表1 一些物质的临界表面张力
|
物质名称 |
表面张力 |
物质名称 |
表面张力 |
|
涤 纶 |
43 |
聚全氟辛醇丙烯酸酯 |
10.6 |
|
锦纶66 |
46 |
全氟树脂整理剂 |
16～22 |
|
棉(未煮练) |
>72 |
一般油类 |
20～40 |
|
水 |
72.8 |
油污 |
30 |
有机氟树脂在整理过程中，整理剂首先吸附在织物或纤维表面，然后在焙烘过程中随着水分蒸发和温度作用，使原来伸向体外的亲水基团逐渐缩回到分子团内部，在纤维上自身成膜，具有拒水性，疏油性的氟烷基或垂直紧密网状排列在纤维表面。有机氟树脂整理后减少或消除了纤维对水及油的吸附特性，造成一层拒水、拒油的薄膜吸附在纤维的表面，使织物产生三防效果。加入多羟基的交联剂能促进有机氟聚合物之间自身交联，形成三维网状树脂膜，它牢固地固着在织物上，从而提高拒水、拒油、防污的耐久性。纳米材料的加入，通过粘合剂的作用与纤维结合，由于纳米粒子的小尺寸效应、表面和界面效应[1]，纳米粒子表面的原子存在大量的表面缺陷和许多悬挂键，具有很高的化学活性，纳米粒子高度分散在纱线之间、纤维之间和纤维表面，它们与有机氟树脂、交联剂、粘合剂在纤维表面形成一层很薄而致密的膜，阻止了油污的进一步渗透，大大提高了拒水拒油性能
2.2 防污机理
纺织品的污垢通常有粒子污物和各种液体污物，如水和油组成一对液体污垢，可利用低表面能的整理剂进行整理可达到理想效果，粒子污的沾污分两步：污物转移到纤维表面，而后纤维对污物产生吸附。一般认为，沾污主要是污的粒子粘着在纤维表面引起的，而无机械载留作用，纤维对污的吸附作用是由范德华力引起的，范德华力只能在很小的距离内有效，当污的粒子与粘着的纤维表面紧密接触时，由于污的粒子极其微小，极不规则，当纤维表面和污的粒子在冲击接触时可变形，使接触面积增加，并使界面形状相适应，引起纤维表面发生塑性变形或压力的凹陷，增加沾污作用。如图1所示：
|
|
|
图1：污粒子的变形沾污 |
利用具有低表面能的有机氟化合物在纤维表面形成均匀薄膜，可降低纤维或纱线的表面张力，抑制污垢对纤维的吸附。当纤维与污垢紧密接触时，由于纳米陶瓷粉的加入，在纤维表面和纤维分子间缝隙及纱线之间的空隙紧密排列，抑制了纤维和污物的粒子由于冲击接触而发生变形，而不会发生转移沾污。再者，纳米陶瓷粉本身具有一定的导电性能，可以降低纤维表面的电荷，从而降低了污物通过电荷间的静电吸附到纤维上的机会，增强了防污效果。
3 实验材料与方法
3.1 实验材料及仪器
试样：纯涤纶羽绒服面料：平纹组织，织物规格：75D×75D（72F）×230，坯布幅宽1.5米。
整理剂： ①各种有机氟三防剂，含固率30～36%，乳白色液体，弱酸性、弱阳离子型，易溶于水，比重为1.0～1.1，工业品。②纳米材料 ③非甲醛交联剂、粘合剂、柔软剂，以上均为工业品级。
仪器：小样均匀轧车、CS101-3E型烘箱、防水性能仪、AP-360型织物透气仪、YG991—6A型电子织物强力机、马丁代尔磨损试验仪。
3.2 实验方法
3.2.1整理方法（ 浸轧法）
配置工作液→室温二浸二轧(浸渍1分钟，轧余率70%左右)→预烘(100℃×1分钟)→焙烘(按优化工艺)→待测指标[2]。
3.2.2 性能测定方法
(1) 拒水性测试
拒水度：按AATCC-22标准测定，在ISO—4920型防雨性能仪上测定，测二次平均值。评定标准：100分：表面无粘着水珠或被润湿现象；90分：表面轻度无规则的粘着水珠或被润湿；80分：表面在喷着点处被润湿；70分：整个表面受到部分润湿；50分：整个表面受到全部润湿；0：正反面均全部润湿。
抗透湿性：按AATCC—22标准测定，在ISO—4920防雨性能仪上测定。当试样透湿度达50%时，记录喷淋时间(分)，时间越长抗透湿性越好，反之亦然。测两次平均值。
(2) 拒油性测试按AATCC—118标准测试，测三次平均值。拒油度分8级，8级最好，1级最差。测拒油度试剂如表4所示：
表2 拒油性能等级测试液体组分及表面张力
|
级数 |
组 分 |
表面张力 (达因/cm) |
|
1 |
白矿物油 |
31.2 |
|
2 |
白矿物：正十六烷65：35(v/v) |
28.7 |
|
3 |
正十六烷 |
27.1 |
|
4 |
正十四烷 |
26.1 |
|
5 |
正十二烷 |
25.1 |
|
6 |
正癸烷 |
23.5 |
|
7 |
正辛烷 |
21.3 |
|
8 |
正庚烷 |
19.8 |
(3)防污性：按FZ/T01066—1999规定方法和试验参数，将标准污布在马丁代尔磨损试验仪上对涤纶面料进行摩擦，用评定沾色用灰色样卡评价面料的沾污程度。
(4)耐洗试验方法：在SW-12型耐洗牢度试验机上进行。洗涤条件：洗衣粉2克/升，纯碱2克/升，浴比1：30，温度40℃，时间15分钟/次。每次洗涤后试样干燥平衡后测定有关指标。
4 试验结果与讨论
本技术在有机氟树脂与纳米材料复配对细旦丝涤纶织物拒水、拒油、防污整理的正交试验和方差分析的基础上，筛选出有机氟树脂和纳米材料的最佳配比及非甲醛类交联剂对纯涤纶织物的拒水拒油防污整理工艺耐久性的影响，并研究纳米陶瓷粉对拒水拒油防污的影响和机理分析。
4.1整理剂的选择
对比各不同生产厂家的三防剂，其三防性能见表3。由表3可以看出有机氟树脂+纳米施加在织物上，与其它三种有机氟树脂三防剂比有明显的拒油防污效果。所以选用有机氟树脂M与纳米材料进行复配，而后对其进行正交实验选择最佳工艺条件。
表3 各不同生产厂家的三防剂的三防效果
|
|
有机氟+纳米 |
国产拒水剂 |
进口三防剂1 |
进口三防剂2 |
||||||||
|
用量g/l |
30 |
25 |
15 |
30 |
25 |
15 |
30 |
25 |
15 |
30 |
25 |
15 |
|
拒水性 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
90 |
90 |
70 |
60 |
80 |
70 |
60 |
|
拒油性 |
7-8 |
6 |
4 |
5 |
3 |
2 |
2 |
1 |
0 |
1~2 |
1 |
0 |
|
防污性 |
3-4 |
3~4 |
2 |
2 |
2 |
1~2 |
1~2 |
1 |
1 |
1~2 |
1~2 |
1 |
4.2
有机氟树脂+纳米对纯涤纶织物的拒水、拒油、防污整理的优化工艺
4.2.1 正交实验设计
影响三防效果的因素有机氟树脂浓度、纳米材料用量、交联剂用量、培烘工艺
。现选择四因素四水平进行正交实验，因子－水平表如表4所示：
表4 因子－水平表
|
|
A |
B |
C |
D |
|
|
有机氟树脂（g/L） |
纳米 (%) |
交联剂(g/L) |
T/t(℃/S) |
|
1 |
10 |
0.1-0.5 |
2 |
150x240 |
|
2 |
15 |
0.5-1.0 |
4 |
160x180 |
|
3 |
25 |
1.0-1.5 |
6 |
170x120 |
|
4 |
30 |
1.5-2.0 |
8 |
180x60 |
表5 正交实验次数与搭配法
|
编号 |
因子水平搭配 |
编号 |
因子水平搭配 |
|
1 |
A1B1C1D1 |
9 |
A3B1C3D4 |
|
2 |
A1B2C2D2 |
10 |
A3B2C4D3 |
|
3 |
A1B3C3D3 |
11 |
A3B3C1D2 |
|
4 |
A1B4C4D4 |
12 |
A3B4C2D1 |
|
5 |
A2B1C2D3 |
13 |
A4B1C4D2 |
|
6 |
A2B2C1D4 |
14 |
A4B2C3D1 |
|
7 |
A2B3C4D1 |
15 |
A4B3C2D4 |
|
8 |
A2B4C3D2 |
16 |
A4B4C1D3 |
4.2.2 正交试验的实验测试结果
上述正交试验的实验测试结果如下表6所示。
表6 正交试验的实验测试结果
|
编号 |
拒水度 |
拒油度 |
防污性 |
编号 |
拒水度 |
拒油度 |
防污性 |
|
1 |
70 |
0-1 |
2 |
9 |
100 |
5-6 |
3 |
|
2 |
70 |
1-2 |
2-3 |
10 |
100 |
6-7 |
3-4 |
|
3 |
70 |
1 |
2 |
11 |
100 |
5-6 |
3 |
|
4 |
70 |
0-1 |
2 |
12 |
100 |
5 |
3 |
|
5 |
90 |
4 |
3 |
13 |
100 |
6-7 |
3-4 |
|
6 |
90 |
5 |
3-4 |
14 |
100 |
7-8 |
4 |
|
7 |
90 |
4-5 |
3 |
15 |
100 |
6-7 |
3-4 |
|
8 |
90 |
3-4 |
3 |
16 |
100 |
6 |
3 |
4.2.3 涤纶羽绒服三防面料的优化方案
利用方差分析找出最优组合，达到提高涤纶羽绒服面料的拒水、拒油、防污性能。三防的优化实验方案及其结果如表7。
表7 实验方案及结果
|
因素 序号 |
A |
B |
C |
D |
误差列 |
拒水度 （分） |
拒油度（级） |
防污性（级） |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
70（7） |
1 |
2 |
|
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
70（7） |
2 |
2-3 |
|
3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
3 |
70（7） |
1 |
2 |
|
4 |
1 |
4 |
4 |
4 |
4 |
70（7） |
1 |
2 |
|
5 |
2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
90（9） |
4 |
3 |
|
6 |
2 |
2 |
1 |
4 |
3 |
90（9） |
5 |
3-4 |
|
7 |
2 |
3 |
4 |
1 |
2 |
90（9） |
5 |
3 |
|
8 |
2 |
4 |
3 |
2 |
1 |
90（9） |
4 |
3 |
|
9 |
3 |
1 |
3 |
4 |
2 |
100（10） |
6 |
3 |
|
10 |
3 |
2 |
4 |
3 |
1 |
100（10） |
6 |
3-4 |
|
11 |
3 |
3 |
1 |
2 |
4 |
100（10） |
6 |
3 |
|
12 |
3 |
4 |
2 |
1 |
3 |
100（10） |
5 |
3 |
|
13 |
4 |
1 |
4 |
2 |
3 |
100（10） |
6 |
3-4 |
|
14 |
4 |
2 |
3 |
1 |
4 |
100（10） |
8 |
4 |
|
15 |
4 |
3 |
2 |
4 |
1 |
100（10） |
7 |
3-4 |
|
16 |
4 |
4 |
1 |
3 |
2 |
100（10） |
6 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ⅰi |
28 |
36 |
36 |
36 |
36 |
拒水度 |
|
|
|
Ⅱi |
36 |
36 |
36 |
36 |
36 |
|
|
|
|
Ⅲi |
40 |
36 |
36 |
36 |
36 |
|
|
|
|
Ⅳi |
40 |
36 |
36 |
36 |
36 |
|
|
|
|
Ii2+ IIi2+IIIi2+IVi2 |
5280 |
5184 |
5184 |
5184 |
5184 |
|
|
|
|
Qi |
24 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
fi |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ⅰi |
5 |
17 |
18 |
19 |
18 |
拒油度 |
|
|
|
Ⅱi |
18 |
21 |
18 |
18 |
19 |
|
|
|
|
Ⅲi |
23 |
19 |
19 |
17 |
17 |
|
|
|
|
Ⅳi |
27 |
16 |
18 |
19 |
19 |
|
|
|
|
Ii2+ IIi2+IIIi2+IVi2 |
1607 |
1347 |
1333 |
1335 |
1335 |
|
|
|
|
Qi |
68.69 |
3.69 |
0.19 |
0.69 |
0.69 |
|
|
|
|
fi |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ⅰi |
8.5 |
11.5 |
11.5 |
12 |
12 |
防污性 |
|
|
|
Ⅱi |
12.5 |
13.5 |
12 |
12 |
11.5 |
|
|
|
|
Ⅲi |
12.5 |
11.5 |
12 |
11.5 |
12 |
|
|
|
|
Ⅳi |
14 |
11 |
12 |
12 |
12 |
|
|
|
|
Ii2+ IIi2+IIIi2+IVi2 |
580.75 |
567.75 |
564.25 |
564.25 |
564.25 |
|
|
|
|
Qi |
4.17 |
0.29 |
0.047 |
0.047 |
0.047 |
|
|
|
|
fi |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
|
|
注：1.表中拒水度括号中的数据为计算时用的简化值；
2. 2-3等 在进行数理统计计算时赋值为起中间（2.5）。
4.2.4 方差分析
4.2.4.1 拒水度的方差分析
因子A对拒水度没有显著性影响，因子B、C、D对拒水度没有影响，但是Ⅲi =Ⅳi >Ⅱi>Ⅰi ，所以，可以选择A3或者A4 。
4.2.4.2拒油度的方差分析
误差估计：Qe= Q3 +Q4+Q5=0.19+0.69+0.69=1.57
fe=f3+f4+f5=3+3+3=9
Se2=Qe/fE=0.17
显著性检验：
FA=（Q1/f1）/Se2 = （68.69/3）/0.17=134.7
Fb=（Q2/f2 ）/ Se2
=（3.69/3）/0.17 =7.24
表8 方差分析表
|
方差来源 |
离差平方和 |
自由度 |
均方差 |
F值 |
F0.05 |
F0.01 |
显著性 |
|
因子A |
68.69 |
3 |
22.90 |
134.7 |
3.86 |
6.99 |
** |
|
因子B |
3.69 |
3 |
1.23 |
7.24 |
3.86 |
6.99 |
** |
|
误差e |
1.57 |
9 |
0.17 |
|
|
|
|
|
总和 |
73.95 |
|
|
|
|
|
|
最优工艺的选择：对面料的拒油性，我们总是希望它越大越好。
(1）因子A特别显著，因IVi＞ IIIi＞
IIi ＞ Ii，故选A4
（2）因子B特别显著，因IIi＞
IIIi＞Ii＞IVi，故选B2
（3）因子C与D不显著，其水平可任选。
综合起来看，拒油最优工艺为： A4B2 C3D1
。
4.2.4.3 防污性方差分析
误差估计：Qe= Q3 +Q4+Q5=0.047+0.047+0.047=0.14
fe=f3+f4+f5=3+3+3=9
Se2=Qe/fE=0.016
显著性检验：
FA=（Q1/f1）/Se2 =（4.17/3）/0.016=86.88
Fb=（Q2/f2）/Se2=（0.92/3）/0.016=19.17
表9 方差分析表
|
方差来源 |
离差平方和 |
自由度 |
均方差 |
F值 |
F0.05 |
F0.01 |
显著性 |
|
因子A |
4.17 |
3 |
1.39 |
86.88 |
3.86 |
6.99 |
** |
|
因子B |
0.92 |
3 |
0.31 |
19.17 |
3.86 |
6.99 |
** |
|
误差e |
0.14 |
9 |
0.016 |
|
|
|
|
|
总和 |
5.23 |
|
|
|
|
|
|
最优工艺的选择：对面料的拒油性，我们总是希望它越大越好。
（1）因子A特别显著，因IVI ＞IIi= IIII＞II ，故选A4
（2）因子B特别显著，因IIi＞ IIII =II＞IVI，故选B2
（3）因子C与D不显著，其水平可任选。
综合起来看，防污最优工艺为：A4B2C3D1
4.2.4.4最优方案的选择
从以上统计分析结果来看，影响整个工艺的主要因素是 三 剂 和 纳 米 材 料 ， 纳米材料的加入进一步提高了织物的拒水、拒油和防污效果，尤其是提高了织物的拒油和防污效果，因为三防剂本身就能够达到好的防水效果。
综上所述，根据正交实验与方差分析结果，综合拒水、拒油、防污方差分析结果得出最优工艺为：A4B2C3D1 ，即最优工艺为：有机氟树脂为30g/l，纳米为0.5~1.0
g/l，交联剂为6 g/l，T/t为150×240。
4.4整理效果的耐久性
不同有机氟树脂与纳米材料的配比对拒水拒油防污性能有不同的影响，通过上述正交试验找出最佳配比，优选工艺为14号，而对其进行耐洗性实验，结果如下表10。
表10 整理织物的拒水拒油防污及耐洗性能
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拒水度 |
拒油度 |
防污性 |
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未整理织物
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0 |
0 |
1 |
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整理后织物 |
100 |
7-8 |
4 |
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水洗10次 |
100 |
7-8 |
3-4 |
注：未整理织物拒水度为0分，拒油度0级，防污性1级,无拒油防污性 。
由表10可见，有机氟树脂在与纳米材料复配使用使涤纶的表面张力由原来的43达因/厘米下降到20.0达因
/厘米。加入交联剂 、柔软剂、粘合剂整理织物有较好的耐洗性。经10次洗涤，拒水度保持100分，拒油度仍在7级以上，防污性仍在3级以上。
5结论
5.1.通过正交实验和方差分析，得到拒水拒油防污的最佳工艺：有机氟树脂为30g/l，纳米为0.5-1.0
g/l，交联剂为6 g/l，T/t为150×240。
5.2.采用有机氟和纳米材料整理剂整理的织物，三防效果好。由于纳米和有机氟的协同增效作用，赋予织物优异的三防功能，拒水达100分（最高）、拒油可达8级（最高8级），防污可达4级（最高5级）。纳米材料的加入，增加了有机氟的协同效果。但是纳米材料加入的太多会对有机氟树脂在纤维上停留起负面影响，纳米材料加入的太少又起不到协同作用，所以必须掌握好有机氟与纳米材料之间复配的比例。
5.3 交联剂是影响三防效果耐久性的重要因素。添加交联剂的整理织物具有较好的拒水拒油防污耐洗性，经多次洗涤，仍有良好的拒水拒油防污性。
5.4整理对织物色泽没有影响。
5.5本成果技术路线合理、工艺简单可行、操作方便、生产成本低。
5.6高科技的纳米材料的应用提高了羽绒服的科技含量和附加值。
5.8三防羽绒服不仅提高了服装的服用功能，而且易于打理（易去污），方便使用。
5.9.三防羽绒服面料服用性能好，环境效益好。三防羽绒服的使用可以减少洗涤次数，节约水和洗涤剂的用量，减少生活污水的排放量，减轻水污染，可收到良好的环境效益和经济效益。减少羽绒服的洗涤次数，避免羽绒破损影响服装的外观性能（如钻毛），保持羽绒的保暖性和蓬松性。
5.10本成果具有广阔的推广前景和应用前景，经济效益会更大。2001年我国年产各类羽绒服5000万件，如果羽绒服使用三防功能整理面料，由于提高了高科技含量和服用性能，可增加服装的附加价值，提高羽绒服企业的经济效益。本成果除了应用于羽绒服面料外，还可以应用在其它涤纶织物上以增加织物的三防效果，如西服面料、茄克衫面料、装饰用布、产业用布等。
参考文献：
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[3]张建波等. 拒油拒水阻燃整理织物的研制. 山东纺织技术，1998（1）：12-14
[4]谢孔良等. 有机氟织物整理剂与其他助剂的联合增效效应. 2001功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集，173-176