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水溶性硅蜡的合成及应用

阅读次数:675 - 发布时间:2017/9/25 10:28:07

水溶性硅蜡的合成及应用

李 聪,安秋凤,乔变莉,李晓璐
(陕西科技大学 教育部轻工助剂化学与技术重点实验室,陕西 西安 710021)
摘 要:以含氢硅油(PHMS)、1 - 十八碳烯(ODE)和甲基封端的烯丙基聚氧乙烯醚(AEM)为原料,通过硅氢化加成反应,用长链烷基和聚醚基对硅油改性,以合成水溶性硅蜡(POA)。通过红外光谱、光学显微镜对POA的结构、成膜形貌以及应用性能进行研究。结果表明,当 n (ODE)∶ n (AEM)=2∶8,乳液质量分数为1.5%,焙烘温度为160 ℃时,经POA乳液处理的棉织物,其柔软性、吸湿抗静电性、滑感等均有所改善。
关键词:印染助剂;硅氢加成;长链烷基;聚醚改性;水溶性硅蜡;应用性能

中图分类号:TS190.2 文献标识码:A 文章编号:1000-4017(2016)15-0006-04


前言 

硅蜡是一种以Si—O—Si为主链,侧链连有其 他有机基团,兼具有机硅与蜡双重特性的一类物质 的总称,具有高润滑性、柔软性、透气性,与有机材 料有良好的兼容性等优点,广泛用作织物的吸湿抗 静电整理剂、聚氨酯泡沫材料的匀泡剂、高效乳化 剂、消泡剂和护肤用品原料等领域 [1 - 5] 。传统的水溶 性硅蜡是一种单官能团聚醚基改性硅蜡 [6 - 7] ,能提高 织物的亲水性,但对其滑感无明显改善作用 [8 - 9] ;而 长链烷基改性硅蜡虽能赋予织物蓬松感和润滑感, 但处理后的织物亲水性较差 [10 - 12] 。引入长链烷基或 聚醚基只能赋予硅油单一的性能,无法满足人们的 需求,所以开发兼具长链烷基、聚醚基性能的改性 硅蜡,通过调节长链烷基与聚醚基之间的比例,使 织物达到吸湿抗静电、易去污、滑爽感等效果是目 前研究的热点 [13 - 14] 。 

以 活 化 氢 质 量 分 数 为 0.3% 的 含 氢 硅 油 (PHMS)、1 - 十八碳烯(ODE)和甲基封端的烯丙基 聚氧乙烯醚(AEM)为原料,以异丙醇为溶剂、氯铂 酸为催化剂的条件下,通过硅氢化加成反应合成一 种长链烷基/聚醚改性硅油,再利用减压蒸馏蒸出 溶剂得到水溶性硅蜡(POA)。通过红外光谱、光学 显微镜,研究POA的结构及成膜形貌;将合成的水 溶性硅蜡自乳化制得POA乳液,并将其应用于织物 整理,利用弯曲刚度仪、折皱弹性仪、白度仪等对 POA性能进行测试。


1 试验部分 

1.1 试剂与仪器 

试剂 含氢硅油(PHMS,活化氢含量0.3%,工 业级,安徽科光新材料有限公司),1 - 十八碳烯 (ODE,工业级,济南东奇化工),甲基封端的烯丙基聚氧乙烯醚(AEM,相对分子质量为800,工业级,扬 州晨化化工有限公司),氯铂酸(分析纯,山东希瓦 化工有限公司),异丙醇(分析纯,西安化学试剂 厂),100%斜纹厚纯棉布(陕西迈乐迪工贸有限公 司)

仪器 VECTOR - 22型傅里叶红外光谱仪(德国 布鲁克公司),DMS - 653型光学显微镜(深圳博宇仪 器有限公司),Zetasizer Nano系列纳米粒度、Zeta电 位仪(英国马尔文仪器有限公司),NDJ - 79型旋转黏 度计(上海天平仪器厂),YG(B)541E智能式织物折 皱弹性仪(温州市大荣纺织仪器有限公司),DC - RRY1000型电脑测控柔软度仪(四川长江造纸仪器 厂),YQ - Z - 28B型荧光白度仪(温州仪器仪表有限公 司),YG(B)541E智能式织物折皱弹性仪(温州市大 荣纺织仪器有限公司),Grabner MINIFLASH 全自 动闪点仪(北京仪方飞希尔科技有限公司)


1.2 水溶性硅蜡(POA)的制备 

在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的250 mL 三口烧瓶中,依次加入Si—H质量分数为0.3%的含 氢硅油(PHMS)、1 - 十八碳烯(ODE)、烯丙基聚氧乙 烯醚(AEM)和异丙醇,通入N 2 保护,在恒温油浴中, 缓慢升温至80 ℃,再滴加10 mg/kg氯铂酸催化剂, 控温80 ℃反应1~2 h。反应结束,在表压500 mmHg、 温度80 ℃的条件下,减压蒸出异丙醇溶剂,制得外 观为无色透明的油状液体水溶性硅蜡,记作POA。 其合成路线如下:

POA合成线路

.1.3 性能测试 

1.3.1 结构表征

将KBr粉末置于恒温干燥箱中烘2 h,除去水 分,压片成膜,将所合成的 POA 样品均匀地涂于 KBr膜表面,在红外灯下挥发除去溶剂,用红外光 谱仪进行表征。 将处理后的纱线放置在载玻片上,用DMS - 653 型光学显微镜观察纱线形貌。


1.3.2 物化性能测试 

用NDJ - 79型旋转黏度计测试黏度;采用毛细管熔点法测定熔点;用Grabner MINIFLASH全自动 闪点仪测定闪点。

 1.4 POA乳液的制备 

在装有温度计、搅拌杆的三口烧瓶中加入一定 质量的POA,在恒温油浴中缓慢升温至50~60 ℃, 搅拌15~20 min,一边搅拌一遍缓慢地滴加一定质 量的去离子水,将其乳化成固含量为70%的乳液, 即为POA乳液。


1.5 POA的应用 

1.5.1 应用工艺 

称取1 g POA乳液于烧杯中,加入99 g去离子 水稀释,配成工作浴液;将提前剪好的一定大小的 棉布样放入工作浴液中,在试验室小型压轧机上一 浸一轧,160 ℃下烘焙3 min。

1.5.2 应用性能测试 

弯曲刚度 采用DC - RRY1000型柔软度仪测 定; 折皱回复角 采用YG(B)541E智能式织物折 皱弹性仪按GB/T 3819—1997《纺织品 织物折痕回 复性的测定 回复角法》测定;

白度 用YQ - Z - 48B型白度仪测定; 静态吸水时间 用标准管吸取一定量的去离 子水,滴于布样表面,保持密封,用秒表记下一滴水 完全被吸收时所用的时间,平行测三次,取平均值; 抗静电性 将布样在塑料棍上用力摩擦 40 次,测布样对干烟灰的吸附量,抗静电性五级为最 好,一级最差;手感 采用主观评价法; 光学形貌 用DMS - 653型光学显微镜观察。


2 结果与讨论 

2.1 POA的结构表征

产物POA的红外光谱见图1

由图1可知,2 900 cm -1 处为—CH 3 和—CH 2 — 的伸缩振动峰,1 468 cm -1 处为亚甲基吸收峰, 1 460 cm -1 为甲基的吸收峰,1 257 cm -1 处为 Si—CH 3 上的C—H键的弯曲振动峰,在1 107~1 152 cm -1 处 的强吸收峰为聚醚的C—O与聚硅氧烷的Si—O的 伸缩振动峰发生了重叠,790 cm -1 处为—CH 2 —的平 面摇摆振动吸收峰,1650~1640 cm -1 处C = C的特 征峰与2 155 cm -1 处Si—H的特征峰几乎消失,说明 已经将ODE与AEM引入PHMS链上,硅氢化加成 基本反应完全。


2.2 POA的物化性能测试

POA的物化性能


2.3 POA乳液的物化性能
POA乳液粒径见图2。

POA乳液的粒径分布图


POA乳液的物理化学性能见表2。

POA乳液的物理化学性能


2.4 POA的应用性能测试
2.4.1 ODE与AEM物质的量比对POA应用性能的影响

在保持其他条件不变的情况下,研究1 - 十八碳 烯(ODE)与烯丙基聚醚(AEM)的物质的量比对 POA应用性能的影响,结果如表3所示。

ODE与AEM物质的量比对POA应用性能的影响


由表3可以看出,当物质的量比大于2∶8时,随 着物质的量比的减小,POA侧链引入聚醚基增大, 织物的静态吸水时间和弯曲刚度减小,折皱回复角 和抗静电性增大,白度基本不变。说明经POA整理 的织物柔软度、回弹性、亲水性增强,且具有良好的 抗黄变性。当物质的量比小于2∶8时,经POA整理 的织物柔软性、抗静电性能略有降低。综合考虑整 理后织物的性能,选择n(ODE)∶n(AEM)=2∶8。


2.4.2 POA质量分数对织物性能的影响 

织物整理时,POA用量直接影响其在纤维表面 的吸附量,进而影响成膜厚度。用量过少,纤维表 面吸附量较少,形成的薄膜较薄,使得织物的柔软 性变差;反之,吸附薄膜过厚,容易发生部分脱落或 断裂,进而降低POA的应用性能。保持其他条件不 变,研究POA质量分数对织物性能的影响,结果如 4所示。

乳液质量分数对织物性能的影响


由表4可以看出,随着乳液质量分数的增大, 整理后织物的弯曲刚度变小,即柔软度增加;折皱 回复角先增大后减小,当乳液质量分数为1.5%时, 其折皱回复角达最大,此时弹性达最佳状态;静态 吸水时间逐渐变小,说明织物的亲水性增强;织物 白度略有下降。 考虑整理后织物的综合性能,选择乳液质量分 数为1.5%。

2.4.3 焙烘温度对POA性能的影响 

保持其他条件不变,研究焙烘温度对POA应用 性能的影响,结果如表5所示。

焙烘温度对POA应用性能的影响

由表5可以看出,当温度低于160 ℃时,随着固 化温度的升高,织物的弯曲刚度变小,说明柔软性 提高;当温度高于160 ℃后,织物的柔软度略有下 降,这主要是因为温度过高,POA在织物上过度交 联,使得成膜密度过高,产生硬挺感。织物白度略 有下降。考虑整理织物的综合性能,选择固化温度 160 ℃为宜。

2.4.4 POA的膜形貌
图3为织物整理前后的光学显微镜图。

织物整理前后纤维的光学显微镜图(×400)

由图3可以看出,与整理前的纤维相比,整理后的纤维变得较松散,说明经POA整理后,织物可获得蓬松、增厚感。这主要是由于POA具有低表面张力,当吸附在纤维表面时,使纤维的表面张力降 低,提高了纤维的伸展性;另外,POA侧链中的长链 烷基是以指向空气的定向排列方式,在纤维表面形 成粗糙硅膜,增大了纤维的间距,使织物变得蓬松。


3 结论 

(1)以 Si—H 质量分数为 0.3%的含氢硅油、 1 - 十八碳烯和甲基封端的烯丙基聚氧乙烯醚为原 料,通过硅氢化加成合成了水溶性硅蜡(POA)。 POA的红外光谱证实,长链烷基、聚醚基已共同引 入聚硅氧烷侧链。

 (2)经POA自乳化制得POA乳液,用于织物整 理发现,当1 - 十八碳烯与烯丙基聚氧乙烯醚的物质 的量比为2∶8、乳液质量分数为1.5%、固化温度为 160 ℃ 时,整理后织物的柔软性、吸湿性、抗静电 性、滑感均有增强,且白度基本不变。


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