新型涤纶碱减量促进剂的合成及应用yd16934

马志鹏，邢家胜，刘崇伟，周天池    盐城工学院纺织服装学院，江苏盐城224003

收稿日期：2013-08-20；修回日期：2013-11-11

作者简介：马志鹏(1977-)，男，讲师，博士研究生，主要从事纺织品功能整理的应用研究。通信作者：周天池，副教授，zhoutianchi@sohu.com。

原载：丝绸2013/12；17-20

 

【摘要】：以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)为单体，水相溶液聚合制备P(DMC-DMDAAC)，通过红外光谱(IR)分析合成产物表明，得到了所需分子结构的产物。将合成产物作为促进剂应用于涤纶碱减量处理，通过单因素分析，研究了碱减量温度、促进剂质量浓度、氢氧化钠质量浓度对涤纶碱减量处理效果的影响。优化的工艺条件为：碱减量温度l30℃，促进剂质量浓度0.6 g／L，氢氧化钠质量浓度10 g／L。扫描电子显微镜(SEM)观察碱减量处理前后涤纶纤维表面形貌，发现纤维表面的确发生了“剥蚀”现象。

【关键词】：涤纶；碱减量；阳离子；促进剂

【中图分类号】：TS193.2 文献标志码：A 文章编号：1001-7003(2013)12-0017-04

 

目前，碱减量工艺已成为改善涤纶品质的一道重要加工环节，但存在许多不足之处，如耗碱量大、加工难度大、耗能大、对环境污染大、对织物损伤较大等。如何降低碱用量，提高处理效果已成为国内外染整界的研究热点。碱减量促进剂可以促进碱对涤纶的反应。它能被纤维表面迅速吸附，使处理液中的OH-富集在纤维表面，更容易与涤纶分子中带部分正电荷的羰基中的碳原子反应，造成聚酯大分

子链断裂[1-2]。目前，碱减量加工过程中应用最多的一类促进剂为季铵盐阳离子表面活性剂。它们可以显著缩短减量时间、加快反应速度、提高减量率，但存在减量率提高过快，造成减量不均匀，难以控制，易造成织物强力损失[3]，同时对改性后织物的着色性能影响很大[4]。

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)为单体，水相溶液聚合制备P(DMC-DMDAAC)的聚合工艺，DMDAAC与丙烯酰胺，DMC与丙烯酰胺的共聚研究已有大量的文献报道，产品多应用在水处理[5]、石油开采[6]、纺织品固色[7-8]等方面。DMC是一种重要的水溶性阳离子单体，分子中存在乙烯基团，易与许多不饱和单体共聚。DMDAAC水溶性强，电荷密度高，无毒，高效，价廉。DMDAAC分子结构中含有强阳离子性的水溶性季铵基团和不饱和双键，可以和许多不饱和单体共聚。阳离子聚合物具有较高的促进涤纶水解的能力，比季铵盐类的促进剂高4～5倍[9]。本研究以DMC和DMDAAC为原料，在水相介质聚合反应得P(DMC-DMDAAC)，并探讨碱减量温度、促进剂质量浓度、氢氧化钠质量浓度对涤纶碱减量处理性能的影响。

1  实验

1.1  材料及仪器

材料：氢氧化钠、盐酸、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、磷酸二氢铵(均为分析纯，陕西宝化化工有限责任公司)；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、渗透剂JFC(均为工业级，江苏海安石油化工厂)；100％ 涤纶织物(盐城工学院纺织服装学院实验室，平方米质量为130.15 g／m2，密度为245×117根／10 Cm)。

仪器：Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪(美国尼高力仪器公司)，HDO26NS-200型织物断裂强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)，Quanta 200型扫描电子显微镜(荷兰FEI公司)，RY.1 180V型高温高压染色机(上海龙灵电子科技有限公司)，MP2002型电子天平(上海恒平科学仪器有限公司)

1.2  试样制备及测试

1.2.1  P(DMC-DMDAAC)的合成

测定工业品DMC和DMDAAC的含固率，将含有78.9 g DMC的药品和含有106.1 g DMDAAC的药品投入带有搅拌器的三口烧瓶中，加入0.45 g的NaHSO3，再加入65 mL蒸馏水，充分搅拌使之完全溶解，通人氮气赶氧，升温至80℃，缓慢滴加引发剂过质量分数为2％硫酸铵溶液50 mL，氮气保护下保温搅拌继续反应6 h，降温即得无色透明粘度较大的聚合物溶液。合成反应方程式如图1所示。

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图1 涤纶碱减量促进剂的合成反应方程式

1.2.2  涤纶织物的碱减量处理

利用RY-1 180V型高温高压染色机对涤纶进行碱减量处理，改变温度、促进剂质量浓度、碱质量浓度和处理时间，制得一系列涤纶碱减量处理小样。

1.2.3  性能测试

减量率测定：减量前后经充分水洗的织物，干燥后在MP2002型电子天平上称重，按公式计算织物减量率：

 

减量率％=

减量前织物质量-减量后织物质量

x l00         (1)

减量前织物质量

2  结果与讨论

2.1  红外光谱图分析

利用Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪对合成产物的红外光谱分析，结果如图2所示。

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渡数／cm-1

图2 阳离子聚合物的红外光谱

由于合成产物具有很强的吸水性，因此，在3 448、2 090 cm-1附近有水的2个吸收峰。2 950.70 cm-1为与N相连的-CH3的C-H伸缩吸收峰，1 724 cm-1吸收峰为羰基C=0伸缩振动，1 640 cm-1吸收峰为C=C的伸缩振动，表明有少许原料残留。1 479.49 cm-1附近的吸收峰为-CH3 的变形振动吸收峰，1 236 cm-1 附近的吸收峰为C-O伸缩吸收峰，957 cm-1吸收峰为端乙烯基C-H的变形振动吸收峰，也说明有少许原料残余。

2.2  单因素试验分析

2.2.1  温度对涤纶减量率的影响

固定促进剂质量浓度0.6g/ L、碱质量浓度10 g/L、时间为60 min和浴比为1:50，改变碱减量温度，实验数据如图3所示。图3数据表明，随着温度的不断升高，减量率增加，当温度达到120℃时，减量率增长变快。这一方面是由于涤纶是热塑性纤维，在温度低于玻璃化温度时，反应只能在纤维的最外层；当温度高于Tg时，反应可发生在一定深度的区域；同时由于涤纶的膨化，涤纶纤维表面产生空穴，也有利于促进剂大分子的渗透。另一方面随温度的升高，OH-离子的活动能力增强，对大分子酯键的攻击频率加快，反应更加激烈；但当温度达到140℃时，减量率高达28.14％，对纤维的损伤严重。故综合考虑，选择最佳温度为130℃。

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温度／℃

图3 碱减量处理温度对减量率的影响

2.2.2  促进剂质量浓度对涤纶碱减量的影响

固定碱减量处理温度130℃ 、氢氧化钠质量浓度10 g／L、时间为60min和浴比1:50，改变促进剂质量浓度，实验数据如图4所示。

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质量浓度／(g/L )

图4 促进剂质量浓度对减量率的影响

图4数据表明，减量率随促进剂质量浓度的增加先增大后减小，这是因为将促进剂加入到涤纶碱减量处理液中时，其分子会被吸附到纤维表面上，使碱减量处理液中的OH-聚集在纤维表面上，从而涤纶分子中带正电荷的羰基中的碳原子更容易被进攻，造成涤纶分子断裂。当促进剂含量进一步提高，高分子材料聚集在纤维表面，不易向内部扩散，反而会阻碍涤纶纤维与OH-的接触，使得减量率有所降低。故综合考虑，选择最佳促进剂质量浓度为0.6 g／L。

2.2.3  氢氧化钠质量浓度对涤纶碱减量的影响

固定促进剂质量浓度0.6 g／L、碱减量处理温度130℃、时间为60 min和浴比为1:50，改变氢氧化钠质量浓度，实验数据如图5所示。

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质量浓度／(g/L )

图5 氢氧化钠质量浓度对减量率的影响

图5数据表明，随着氢氧化钠质量浓度的增加，涤纶的减量率提高。因为氢氧化钠质量浓度的提升，吸附到纤维表面的OH-增加，故减量率随之提升。从4～8 g/L的数据来看，增长趋势较为平缓，这是由于涤纶具有一定的耐稀碱性能，水解程度较小，同时涤纶的表面积是有限的，吸附到纤维表面的OH-数量是一定的。当氢氧化钠质量浓度达到8g/ L时，涤纶减量率明显地上升，氢氧化钠质量浓度增大到一定程度，纤维表面会被剥蚀出现大量的凹穴和沟壑，大大增加了纤维的表面积，可以吸附更多的OH-，加速水解反应，使得减量率提高。但碱的浓度越高，对纤维损伤较大，同时处理浴中氢氧化钠的利用率大大下降，残氢氧化钠质量浓度很高，增加了污水处理的难度。故综合考虑，选择最佳氢氧化钠质量浓度为10 g／L。

2．3  碱减量对涤纶织物性能的影响

2．3．1  碱减量对涤纶织物强力的影响

图6为不同减量率下，织物断裂强力的变化情况。

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减量率/%

图6减量率对涤纶织物断裂强力的影响

    由图6可以看出，随着减量率的增加，减量后涤纶织物的断裂强力逐渐下降。这是由于经碱减量处理后，纤维表面遭剥蚀，纤维变细同时表面产生凹穴及薄弱点，易导致应力集中，当一根纤维断裂后，且所承担的强力将分敞到其他纤维，加重它们的负荷，从而导致织物强力下降。因此．涤纶碱减量加工必须严格控制减量率。

2．3．2  碱减量对涤纶纤维表面形态的影响

    碱减量处理前后纤维表面的形态如图7所示，未经碱减量处理的涤纶纤维表面光滑、圆润、结构紧密平整；而经碱减量处理后的涤纶纤维表面没有原来的光滑。出现明显的刻蚀痕迹、这同样说明涤纶表面的分子酯键在强碱性环境中发生了水解断裂，纤维产生“剥蚀”现象。

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（a）处理前               （b）处理后

图7 碱减量处理前后纤维的表面形态

3  结论

    聚阳离子促进剂应用于涤纶碱减量的最佳工艺为：

促进剂质量浓度0．6 g／L，氢氧化钠质量浓度10g/L，处理温度130℃，处理时间60 min，水洗，烘干。涤纶的聚阳离子碱减量促进剂具有明显的减量效果，可以在中低质量浓度氧氧化钠溶液中使用，能有效降低耗碱量、排污量，且合成工艺简单，产品无毒，绿色环保。

参考文献：

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[3]阎克路．染整工艺与原理[M]，北京：中国纺织出叛社，2009：138-145．

[4]许瑞超．李连举，陈莉娜．Coolmax针织物的前处理及染色工艺[J]．针织工业，2007(1)：48-50．

[5]沈一丁，张字．P(DMC-AM)离分子絮凝剂的制备及絮凝性能[J]．精细化工，2005，22(8)：607-610．

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[7]周天池．新型毛用无醛固色剂应用性能初探[J]．毛纺科技，2010，38(10)：22-25．

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[9]阎克路．染整工艺学教程：第一分册[M]．北京：中国纺织出版社，2005：191．