丙烯酸酯类改性聚氨酯在棉织物涂层上的应用yd6902

谢维斌  东华大学化学化工学院，上海 200051

收稿日期：2005-09-05

作者简介：谢维斌（1972-）男，博士研究生，主要研究方向为纺织品功能整理

原载：染整技术2006/1；1-4

 

    【摘要】分别加入丙烯酸甲酯或丙烯酸羟乙酯或两者的混合体合成改性水性聚氨酯，并对棉织物涂层，在不同温度、时间及涂层量下，测试涂层棉织物抗水性、强力伸长率及透湿性。表明：引入丙烯酸甲酯可提高涂层膜抗水性、增加涂层膜抗张强力；引入丙烯酸羟乙酯有利涂层膜透汽性，提高涂层膜断裂伸长率；适宜的工艺条件为140-15O℃下交联1.5-2min。

    【关键词】丙烯酸酯 改性聚氨酯 涂层 性能

    【中图分类号】TS195.29   文献标识码:A   文章编号：1005-9350（2006）01-0001-04

 

    在织物涂层整理中，目前以聚丙烯酸类(PA)和聚氨酯(PU)最为常用。水性聚氨酯对织物的粘附性、成膜性好，强度大，且具有其他涂层剂所没有的高透湿汽性，这一特性对涂层织物衣着服用舒适性至关重要。为了改善聚氨酯某些性能(如耐水耐溶剂性及力学性)和降低成本，对聚氨酯进行化学改性，在保持聚氨酯自身性质同时赋予其某些新的特性。丙烯酸类对聚氨酯改性是其中之一[1,2]，丙烯酸类成本低，力学性、耐水耐溶剂性好，含双键的丙烯酸系单体通过自由基聚合制得丙烯酸类高聚物。

    本实验在合成水性聚氨酯反应阶段，分别加入亲水性丙烯酸羟乙酯单体、疏水性丙烯酸甲酯单体或两者一定比例的混合单体，制得丙烯酸类改性水性聚氨酯；用不同化学改性组分聚氨酯对棉织物进行涂层整理，测试涂层后棉织物耐水压、强力仲长率、透湿性，比较不同温度、时间、用量等工艺因素对涂层影响和不同化学改性组分与性能之间的关系。

1   实验部分

1·1  主要原料及仪器

    甲苯二异氰酸酯(TDI)，聚醚二元醇E2l0(分子最1000)、E220(分子量2000)，二羟甲基丙酸(DMPA)，三羟甲基丙烷(TMP)，二甘醇(DEG)，三乙胺(TEA)，增稠剂SE，以上原料均由浙江三木化工有限公司提供，工业级丙烯酸羟乙酯，无锡新安精细化工厂，工业级丙烯酸甲酯，上海永华特种化学试

剂厂，化学纯丁酮，上海试剂总厂试剂级，交联剂SX工业级，无锡崤歧印染助剂厂。

    织物与试验用设备：平纹棉布，涂层模板、DK-5焙烘机、YG026A电子织物强力机、ISO-811抗渗水性测试仪、透湿杯等。

1·2   实验方法

1·2·1    丙烯酸类改性聚氨酯制备

    在N2保护下，向装有温度汁、搅拌器的四颈瓶中加入一定量E220/E210(体积比2:1)，升温至75-80℃后加入TDl反应2h，加入DMPA反应3Omin后加入丙烯酸类单体再反应lh，然后加入二甘醇、三羟甲基丙烷继续反应1h(在以上不同阶段分别加入一定量丁酮助溶降粘)；出料，加入三乙胺中和至pH值为7-8，最后在高剪力作用下加去离子水制得水性聚氨酯乳液。

1·2·2   棉织物上涂层

    将水性聚氨酯乳液和增稠剂、交联剂按一定比例配制成涂层浆料，然后在特制涂层模板上用干法直接涂层法将浆料均匀地涂在织物上，并在一定温度和时间下进行交联焙烘。

    织物：经过前处理的平纹纯棉白布

涂层浆配制(份)：

PU(固含量18%)         200

        增稠剂 SX              12

        交联剂 SE              10

1·3   涂层织物性能测试

1·3·1  涂层织物耐水压测试

    ISO-811渗水性测试仪，按FZ/T 01004-91标准测试，涂层面对着水面，直到试样不接触水的一面三处出现水珠时的压力读数作为实验结果，每种样品测三次，取均值。

1·3·2   涂层织物强力伸长率测试

    YG026A电子织物强力机，织物撕毛边。有效测试长宽为l0cm×5cm。

1·3·3   涂层织物透湿性测试

按GB/T 12704-91测试。

1·3·4   涂层量的测试

长宽为20cm×2Ocm棉织物，以电子天平称重M1，涂层后放置lh称重M2，涂层量计算公式为:

(M2-M1)/(0.2×0.2)  单位：g/m2。

2          结果与讨论

据文献[3]，在合成水性聚氨酯过程中加入的丙烯酸酯类单体，发生了自聚，还对PU链产生作用。下面考察其对涂层影响。

以下丙烯酸甲酯简称甲酯，丙烯酸羟乙酯简称乙酯;引入量均为质量分数。

将PU0(纯PU)、PU15(1%甲酯+5%乙酯)、PU33(3 %甲酯+3%乙酯)、PU51(5%甲酯+1%乙酯)、PU66(6 %甲酯+6%乙酯)分别在棉织物上进行涂层，测试在温度、时间及涂层量因素下结构性能关系。

2·1  耐水压

2·1·1  丙烯酸类引入量对棉织物耐水压影响

        表1  丙烯酸类引入量对棉织物耐水压影响

成膜条件

耐水压值/mm

温度℃

时间min

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

110

1

61

61

58

65

60

110

2

95

97

102

110

83

145

1

114

110

109

126

95

145

2

146

132

133

184

128

180

1

147

131

140

178

146

180

2

142

142

151

179

148

       注：未涂层棉耐水压为0(单位:mm);涂层量12.8g/m2

    数据表明，交联温度低、时间短，交联不充分，织物耐水压稍低，随着交联程度提高，耐水压值也上升，在一定温度和时间范围内，织物耐水压值变化不大。

比较PU0、PU33、PU66，聚氨酯制备中同比例增加引入丙烯酸甲酯和丙烯酸羟乙酯的影响不大；比较PU0、PU15、PU33、PU51，丙烯酸甲酯相对含量提高，织物抗静水压提高。

2·1·2  涂层量对棉织物耐水压影响

        表2   涂层量对棉织物耐水压影响

涂层量g/m2

耐水压值mm

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

12.8

146

132

133

184

128

21.9

267

233

264

35l

215

32.4

335

306

33l

398

330

       注：未涂层棉耐水压值为0;焙烘温度时间为145℃、2min

表2结果说明：涂层量提高，膜变厚，耐水压增大较多，因此提高涂层量可显著提升耐水压值。

2·2  强力与伸长率[4]

纤维的拉伸性能与织物的耐用性之间有着密切的关系，考察涂层对织物强力和断裂伸长率影响是一项重要指标。

2·2·1    丙烯酸类引入量对棉织物强力影响

表3   丙烯酸类引入量对棉织物强力影晌

成膜条件

经向断裂强力N

温度℃

时间min

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

110

1

635

688.5

675.5

658

665

110

2

645

681.5

627

642

617.5

145

1

643.5

652

658

645

638.5

145

2

650

641.5

643

651.5

624

180

1

608

641

628.5

651

603.5

180

2

557

586

597

602.5

594

   注：原样断裂强力595.5N;涂层量12.8g/m2

    表3数据表明，棉织物经PU涂层后织物强力变大。棉纤维属短纤维，棉织物主要靠纤维间相互抱合力产生抗张强度，涂层后棉纤维因PU膜及交联作朋纤维之间的相对滑移变得闲难，织物强力上升; 另一方面，热作朋使棉纤维月身受损，高温交联对棉织物强力不利。丙烯酸甲酯对PU膜强力有利。

 2·2卫  涂层量对棉织物强力影响

         表4  涂层量对棉织物强力影响

涂层量

g/m2

经向断裂强力N

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

12.8

650

641.5

643

651.5

624

21.9

658

658.5

657

667

636

32.4

661

660

663

682.5

651

    注：原样断裂强为595.5N，焙烘条件145℃,2min，

    表4说明涂层量增加棉织物强力均略有增大，交联量增多棉短纤维间结合增强，同时涂层膜变厚，使断裂强力上升

2·2·3    丙烯酸引入量对棉织物断裂伸长率影响

        表5  丙烯酸类引入量对棉织物断裂伸长率影响，

成膜条件

经向断裂强力N

温度℃

时间min

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

110

1

10.5

10.9

9.95

10.0

11.0

110

2

11.2

10.6

10.6

10.0

10.9

145

1

10.7

11.4

10.9

10.3

11.4

145

2

11.0

11.0

11.1

10.1

11.0

180

1

10.4

10.6

10.3

10.6

10.5

180

2

9.7

10.5

9.7

10.6

10.6

    注：原样断裂伸长率9·55%;涂层量12·8g/m'"

    表5说明涂层后棉织物的断裂伸长率均略有上升，有着较好断裂伸长的PU膜在与棉纤维交联后，增强了纤维之间的结合，伸长率也增大。丙烯酸羟乙酯引入对膜断裂伸长率有利。

2·2·4   涂层量对棉织物断裂伸长率的影响

    表6说明涂层量的增加棉纤维结合力增强，断裂伸长率也略有增加，但变化很小。

2·3  透汽(湿)性

透湿性是涂层织物的一项非常重要的指标，透湿性不好，就不能有效地散发人体排除的热量和水汽，不能很好地保温散热，让人有不舒适的感觉。PU涂层剂的强化学键和弱结合力相结合的网状结构，必然导致分子间产生许多曲折的不规则的小缝隙，其微隙较微孔小几个数量级，虽然最小的水滴不能通过，但单分子的水汽分子则能通过，其透湿作用是利用聚合物分子上含有足够多的对水汽分子

表6   涂层量对棉织物断裂伸长率的影晌

涂层量

g/m2

经向断裂强力N

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

12.8

11.0

11.0

10.8

10.1

11.0

21.9

11.7

11.4

11.0

10.3

11.8

32.4

12.3

11.9

11.7

11.3

11.8

    注：原样断裂伸长率为9.55%;焙烘条件:145℃,2min

较弱结合力的极性基团，因此当涂层膜的两面湿度不同，使水汽从高湿度面流向低湿度面时，由于极性基闭的存在，就可产生连续传递的作用，加速了水汽分子的流通速度，提高了透湿性能。

2·3·1  丙烯酸类引入量对棉织物透汽性影响

         表7  丙烯酸类引入量对棉织物透汽性影响

成膜条件

透气性g/24h·m2

温度℃

时间min

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

110

1

4453

4815

4636

4270

5003.5

110

2

4202

4602

4186

4029

4801

145

1

4135

4689.5

4024

3907

4856

145

2

4069

4595

4058

4052

4765

180

1

4433

4646

4487

4395.5

4494

180

2

4461

4472

4254

4153

4506.5

    注：原样透汽性为9798g/(24h·m2)

    表7数据说明：温度和时间对涂层物透湿性的影响表现不明显，但比较不同化学组成有一定取向；同比例化学组成量的提高有利于织物的透湿性，丙烯酸羟乙酯相对量提高表现更明显(可提高15%左右)，这可能是亲水基团提供了足够的化学基闭作为水蒸汽分子的阶石，水分子由于氢键和其他分子间力，在高湿度一侧吸附水分子，通过高分子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸，形成"吸附→扩散→解吸"[5]过程，达到透过水蒸汽目的；另一方面，交联网状分子结构形成许多微孔，也有利于水汽分子透过。

2·3·3   涂层量对棉织物透汽性影响

表8  涂层量对棉织物透汽性影响

涂层量

g/m2

透气性g/24h·m2

PU0

PU15

PU33

PU51

PU66

12.8

4069

4595

4058

4052

4765

21.9

3820

4045

3727

3513

4091

32.4

3356

3842

3467

3121

3505

      注：原样透汽性为9798g/24h·m2，焙烘条件:145℃,2min

    涂层量增加，织物透湿性下降，说明涂层量影响较大。棉织物经纬缝隙及本身分子结构具有的亲水性基团使得其具有高透湿性，涂层后高聚物在其表面形成薄膜使得透湿性下降，并且随涂层量增多膜变厚透湿性进一步下降。因此，织物透湿性与涂层量关系密切。

3   结论

在水性聚氨酯制备中，引入一定量丙烯酸类对其改性，保持了聚氨酯自身性能，同时对涂层膜抗水性及力学性能均有改善；引入丙烯酸甲酯可提高涂层膜抗水性、增加涂层膜抗张强力；引入丙烯酸羟乙酯有利涂层膜透汽性，提高涂层膜断裂伸长率；可通过引入两者不同比例获得所需涂层产品。

在140-150℃下交联1.5-2min左右有较好的综合性能 ;棉织物经PU涂层后，透湿性下降较多，断裂强力和伸长率均有一定增大 ，涂层织物开始具有一定耐水压值，并且随着涂层量的增加，上述各项性能表现得愈明显。

4   参考文献

[l]Manock，H.L，New developments in polyurethane and PU/acrylic dispersions[J]Pigment Resin Technology，2000,29(3);143-151(English)

[2]陈向荣 丁小斌等，聚氨酯/聚丙烯酸酯复合乳液的研制进展[J]功能高分子学报2001，（1）

[3]谢维斌 陈国强，丙烯酸酯类对水性聚氨酯改性[J]皮革化工，2004，(2)；1-4

[4]王菊生 孙皑，染整工艺原理（一）[M]北京，纺织工业出版社，1982，124，134-146

[5]曾跃民等，防水透气织物的发展[JJ上海纺织科技，2001，（2）；28-30