紫外光引发丙烯酰胺接枝改性棉织物亲水性的研究yd14519
陈志军 黄年华 张泽辉 武汉纺织大学纺织科学与工程学院武汉430073
收稿日期:2011-06-16
项目基金:湖北省自然科学基金(批准号2010CDB0491)资助
作者简介:陈志军, (1986.8-)男,武汉纺织大学研究生在读,主要从事阻燃高分子、功能纤维及纺织品的研究
原载:染整技术2012/1;1-4,13
【摘要】以丙烯酰胺(AM)为接枝单体,采用紫外光(UV)接枝的方法对棉织物进行接枝改性,采用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、有机元素分析仪和热重分析(TGA)对接枝样品进行表征,研究了单体浓度、光引发剂浓度、光照时间等因素对接枝率的影响。红外光谱分析和有机元素分析证明删接枝到棉织物上。接枝率随着接枝单体浓度和光照时间的增加而增大,并随着引发剂二苯甲酮(BP)的浓度的增加先增大后减小;AM浓度为2Owt%,BP浓度为3wt%,接枝反应40min,接枝率达到24.05%。接枝改性的棉织物,亲水性得到提高,接枝棉织物的亲水性随接枝率的增加而增大。
【关键词】棉织物;亲水性;丙烯酰胺;紫外光;接枝
【中图分类号】TS190.11 文献标识码:A 文章编号:1005-935O(2012)O1-0001-04
棉织物的主要成分是纤维素,纤维素是由葡萄糖组成的多糖,葡萄糖单元上含有许多羟基,具有一定的吸水性。早期,Mizutani[l]、Nakao[2]、万震[3]对棉织物亲水性改性做了大量的工作,开发出吸水性纤维素产品,用于具有高吸湿/透湿和吸汗/快干性能复合织物的外层,既发挥外层的吸湿、吸汗功能,又使湿气、汗水从皮肤表面迅速转移扩散出去,使人体皮肤不感潮湿[3]。在诸多表面改性技术中,紫外光(UV)接枝耗能少,对材料消耗少,反应易于控制,条件易于实现且对织物本体的影响小,并且紫外光引发接枝的光源以及设备成本低,易于连续化操作,因此,UV引发接枝改性引起了人们的广泛关注[4-10]。本文采用紫外光辐照的方法,以丙烯酰胺(AM)为单体、二苯甲酮(BP)为光引发剂,接枝改性棉织物,并讨论了单体浓度、引发剂浓度和接枝时间对接枝率的影响。
1 实验部分
1.1 原材料
棉织物,际华三五零九纺织有限公司,面密度为100g/m2;二苯甲酮,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;丙烯酰胺,超纯,美国Amresco公司;无水乙醇,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;丙酮,分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
1.2 主要仪器
UV辐射装置,GY-400型,北京天脉恒辉光源电器有限公司;有机元素分析仪,F1ash2000型,美国Thermo
Fisher Scientific公司;傅立叶红外光谱仪,Nexus
47O FTIR型,美国Thermo Nico1et公司;热重分析仪,TG 209 Fl,德国耐驰仪器(上海)有限公司。
1.3 样品预处理
将棉织物剪成4cm×4cm的样品,用5O/5O vo1%的乙醇/丙酮溶液索氏抽提4h,然后在50℃条件下,烘箱中干燥至恒重,称取质量。
1.4 紫外光接枝反应
将AM、BP以一定的比例与无水乙醇配成接枝液,干燥好的试样投入浸渍2h;然后将浸渍的样品放入表面皿中,盖上石英玻璃,迅速置入UV辐射装置中进行接枝聚合。接枝后的样品先用去离子水洗涤,再用50/50vo1%的乙醇/丙酮溶液索氏抽提12h,最后再用去离子水洗涤,洗去未反应的单体和均聚物,50℃下干燥至恒重。改变紫外光接枝条件,单体浓度、光照时间、引发剂浓度,得到不同接枝率的丙烯酰胺棉织物。
1.5 表征与测试
1.5.1 接枝率的表征
采用增重法(称取棉织物接枝前后的质量)测定接枝率(G%),其计算方法为:
G %=(Wl-WO)/WO×100%
式中:WO,Wl-分别为接枝前棉织物与接枝后棉织物的质量(g)。
1.5.2 亲水性的表征
采用吸湿率表征棉织物亲水性,将棉织物放入25℃的水中浸泡24h,然后将样品取出,用滤纸吸干其表面水分,再称重,其计算方法为:
吸湿率=(W3-W2)/W2×100%
式中:W3,W2-分别为吸湿前棉织物与吸湿后棉织物的质量(g)。
1.5.3 有机元素分析
用美国Thermo
Fisher Scientific公司的F1ash2O00有机元素分析仪测定样品N、C、H元素含量。
1.5.4 红外光谱表征
用美国Thermo
Nico1et公司的№xus470 FTIR型傅立叶红外光谱仪(KBr压片),对接枝前后样品的分子结构进行分析比较。
1.5.5 热重分析
用德国耐驰公司的TG 209 Fl热重分析仪对样品的热稳定性进行分析,升温速率10℃/min,温度范围为室温到600℃,气氛为N2。
2 结果与讨论
2.1 红外光谱分析
图1为接枝前后样品的红外光谱图。由接枝前后的谱带对比分析可知,纯棉织物在342Ocm-l处的吸收峰,是纤维中羟基的特征吸收峰,2900cm-1附近的谱带是-CH的伸缩振动,1058cm-l是C=0伸缩振动。接枝后的试样在1655cm-1出现C=0吸收峰,该峰属于丙烯酰胺中C=O伸缩振动峰,表明丙烯酰胺单体接枝到棉织物上。
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图1棉织物接枝前后红外光谱图 |
2.2 有机元素分析
表1为未接枝的棉织物和接枝丙烯酰胺的棉织物的有机元素分析结果。由表1可知,纯棉织物的N元素含量为0,随着接枝率的增大,N元素含量增加到5.38%,说明通过紫外光接枝反应,单体丙烯酰胺接枝到了棉织物上。
表1棉织物有机元素分析数据
元素 |
纯棉物织 |
棉织物/
AM11.34% |
棉织物/
AM16.50% |
棉织物/
AM21.45% |
棉织物/
AM24.05% |
N/% |
0 |
0.25 |
1.46 |
3.63 |
5.38 |
C/% |
39.62 |
40.34 |
40.34 |
40.70 |
41.38 |
H/% |
5.55 |
5.73 |
5.73 |
5.85 |
6.05 |
注:棉织物/AM11.34%、棉织物/AM16.50%、棉织物/AM21.45%、棉织物/AM24.05%分别表示
接枝率为11.34%、16.50%、21.45%、24.05%的棉织物样品(下同)
2.3 影响接枝率的因素
2.3.1 单体浓度
图2示出引发剂浓度为3wt%,光照时间20min条件下单体浓度对接枝率的影响。从图中可以看到, 在一定浓度范围内,单体浓度增大,接枝聚合反应速度加快,接枝率增大,符合接枝反应的一般规律,且接枝率与单体浓度呈线性关系,这说明该反应具有一定的活性特征。当单体浓度达到30wt%时,接枝率增加幅度下降,这是由于体系在紫外光照射下,引发丙烯酰胺发生均聚反应,当单体浓度过高时,体系有利于均聚物的生成,从而导致接枝率并不是线性增加。
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图2单体浓度对接枝率的影响 |
2.3.2 光照时间
在引发剂浓度为3wt%,单体浓度为20wt%的条件下,接枝反应时间对接枝率的影响如图3所示。从图3中可以看出,接枝率随着光照时间的延长而增大,但是当反应时间超过30min后,接枝率增加速率随着时间的延长而逐渐变小。这是由于在紫外光照射下,引发剂二苯甲酮产生自由基,夺取棉纤维亚甲基上的氢,丙烯酰胺发生接枝反应,接枝率很快上升;随着反应的进行,接枝链变长,增长链被大量单体包覆,不利于接枝反应的连续进行;同时单体浓度随着光照时间的增加而减小,这两个因素均使接枝率的增加变得缓慢。
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图3接枝反应时间对接枝率的影响 |
2.3.3 引发剂浓度
图4示出单体浓度为20wt%、光照时间为20min的条件下引发剂的浓度对接枝率的影响。随着BP用量的增加,接枝率出现极值,但当BP用量增加到3wt%后,接枝率反而下降。在适当浓度范围内,BP产生自由基浓度的随BP浓度的增加而增大,接枝率呈上升趋势,但BP浓度增加到一定程度后,自由基加快链终止反应,接枝率呈现下降趋势。
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图4引发剂浓度对接枝率的影响 |
2.4 热重(TG)分析
以热重分析研究丙烯酰胺接枝棉织物的热稳定性,图5和图6分别为纯棉织物、棉织物/AM16.50%、棉织物/AM24.05%三个样品的TG和DTG曲线。可以看出,温度在20-150℃之间,棉织物中纤维素物理吸附的水失去,240℃时棉织物开始分解,葡萄糖单元基脱水,纤维素结构中C-0键和C-C键断裂,并产生新的小分子物质和低相对分子质量的挥发性化合物:随后体系质量急剧下降,结晶区开始发生明显变化,产生左旋葡萄糖中间产物,并分解成可燃性气体产物[11]。400℃左右棉织物基本降解完毕,直至剩余炭化残渣,最后是炭化残渣中极少量不稳定物质在高温作用下降解[12]。样品棉织物/AM16.50%、棉织物/AM24.05%的TG曲线与纯棉织物相比,在220℃-320℃范围内失重较大,主要是丙烯酰胺支链的分解,释放出氨气[6,l3]。
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图5 棉织物的TG曲线 |
图6 棉织物的DTG曲线 |
表2是棉织物失重率为5%、10%时的温度,最大热失重速率,最大热失重速率下的温度和600℃下的残留量。由表可知,接枝改性的棉织物T5%-Tl0%均减小,这是由于丙烯酰胺在较低温度下的分解,降低了棉织物的起始分解温度;接枝丙烯酰胺的棉织物样品,Tmax和Rmax减小,600℃残余量增加,提高了棉织物高温下的热稳定性和阻燃性能[6]。
表2棉织物的TG和DTG数据
样品 |
T5%/℃ |
T10%/℃ |
Tmax/℃ |
Rmax/%/min) |
C.R600℃/(wt%) |
纯棉织物 |
272.2 |
304.8 |
358.2 |
18.85 |
11.72 |
棉织物/AM16.50% |
254.2 |
302.1 |
357.1 |
18.30 |
14.84 |
棉织物/AM24.05% |
235.7 |
289.0 |
357.7 |
17.63 |
16.30 |
注:T5%、T1O%分别表示失重率为5%、10%时的温度,Tmax表示最大热失重速率下的温度,Rmax表示最大热失重速率,C.R.600℃表示600℃下的残留量
2.5亲水性研究
棉织物吸湿率测试结果如图7所示。通过紫外光接枝反应,单体AM接枝到棉织物上,AM含有亲水性的酰胺基团,酰胺基与H20以氢键的形式结合,改善棉织物的吸湿性能[14-15]。由图可知,接枝后棉织物的亲水性大大提高,且吸湿率随接枝率的增加而增大。
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图7接枝率与吸湿率的关系 |
3 结论
(1)用紫外光引发丙烯酰胺接枝改性棉织物,提高棉织物亲水性能的方法是可行的。
(2)单体浓度、光照时间、引发剂浓度对接枝率有显著的影响。随着单体浓度的增加接枝率升高,当达到20wt%时,接枝率增加幅度降低。接枝率随光照时间的增加而提高,但当光照时间达到30min以后,接枝率趋于稳定。随着引发剂二苯甲酮(BP)的浓度的增加,接枝率先增大后减小。AM浓度为20wt%,BP浓度为3wt%,接枝反应40min,接枝率达到24.05%。
4参考文献
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