亲水整理机理 工艺以及要求.ppt

亲水整理,康奇 李进,LOGO,大纲,LOGO,一、概述,经印染加工的棉织物，一般已具有良好的吸水性（即亲水性）。但近年来，人们要求衣着的舒适性，对纺织的亲水性提出了更高的要求。如日本开发的Water love整理的纯棉耐久压烫织物，其主要特征之一就是吸水快和吸水量多。改进纯棉织物的亲水性，主要是加快吸水速度，。如原来需要4秒钟，现在要求在0.3秒钟内就能充分吸水。提高棉织物的吸水性，其原理是进一步改进其亲水性称为瞬时吸水整理。经印染加工的合纤织物，其疏水性依然不变；若经特殊处理后，能使其疏水表面变成亲水性，从而改善其服用功能性的加工，这就是亲水整理。,LOGO,一、概述,聚醋、聚酞胺和聚丙烯睛纤维是合成纤维的三大台柱,在衣着领域中已建立了牢固的基础。要开发能取而代之的新合成纤维,至少在近期内是不可能的。这些合成纤维作为衣着,随着使用的普及,它们的缺点也日益暴露出来了。主要有 1 不吸水，人体出汗时容易感到闷热；2 洗涤时会产生湿再沾污；3 带静电易吸尘埃；4 耐热性低，容易产生熔孔；5 蜡状的手感，缺乏温暖的舒适感等。其中，13 是合成纤维的疏水性所致，45 与合成纤维本身结构有关。,LOGO,一、概述,发展历史 亲水整理首先是由作为高级运动服（或训练服）的聚酷织物提出要有吸水性的要求。开始时，是用ICI公司的Permalose进行整理。1974年美国杜邦公司的亲水整理剂 问世，才促进了合纤织物的亲水整理发展。从1979年起，聚丙烯腊纤维的吸水性织物盛行。,LOGO,一、概述,1980年由日本小松精练公司发表的“马巴斯加工”、三菱公司的“莱帕孤加工”以及高桥练染公司的“阿赛罗加工”等,为亲水整理进入第二次全盛时期建立了基础。进入90 年代以来,除了出现新的亲水剂、改性手段以外,更有将各种方法相结合、共同作用的趋势。,LOGO,二、亲水整理的机理,纺织品是一种多空性物质，有着巨大的表面积溶液能沿着能沿着纤维迅速展开，渗入纤维之间的空隙及其内部，把空气取代出去，将空气纤维（气固）表面的接触代之以液体纤维（液固）表面的接触，这个过程叫做润湿。如果液体润湿了毛细管壁，则液体能够在毛细管内上升至一定高度，从而使高出的液体产生静压强，促使溶液渗透到纤维内部，此即为渗透。,LOGO,二、亲水整理的机理,一滴水在纺织品表面，可能出现以下所示的情况,图（1）液体的润湿及润湿角（或接触角）,LOGO,二、亲水整理的机理,上图中（a）和（d）的接触角分别是0和180的极端情况，（c）的接触角90接触角180，表示基本不润湿，是拒水拒油整理希望达到的目标，而作为亲水整理则研究分析（b）的情况是有现实意义的。,LOGO,二、亲水整理的机理,1 吸水性的机理水在合纤织物表面能否扩散可用（1）式近似地表明：如S0，则水在合纤织物表面能润湿和扩散。水的表面张力是一个定值（72.8达因/厘米），而聚酯纤维的临界表面张力为43达因/厘米，若法使聚酯纤维的临界表面张力大于72.8达因/厘米，就能被水润湿和扩散。,LOGO,二、亲水整理的机理,其次，水在织物表面润湿和扩散还与毛细管现象有密切关系。如织物中的毛细管两端都是开放的，而有一端浸入水中，达平衡时，则毛细管内外高度不同而引起的静压力，如图（2）毛细管压力，可用式（2）表示。,LOGO,二、亲水整理的机理,由式（2）可知，如暂不考虑重力影响,当接触角小于 90时，毛细管压力为正，则水能自动进入毛细管如图（2b）所示。当接触角=90时，毛细管压力等于零，则表面张力不会引起水运动，水仅受重力和其他外力的影响。当接触角90时，水只有在外力作用下，才能勉强进入毛细管 如图（2a）所示聚酯纤维经亲水整理后，能大大降低与水的接触角，从而加速水在织物中渗透。,LOGO,二、亲水整理的机理,图（2）毛细管效应,LOGO,二、亲水整理的机理,2 衣服传湿的模型 由皮肤表面蒸发的气相水分，它向外界扩散是两种方式同时进行的。一是由衣服内表面的吸湿，然后由衣服的外表面放湿，二是通过纤维间的空隙及纤维内部气孔向外散逸。当皮肤表面出汗时，液相水分向外界的扩散也是两种方式同时进行的。首先是衣服的吸水，再由衣服表面的放水（干燥）。如果皮肤表面不断地供应水分，那么这种吸水和放水过程会导致衣服的润湿。衣服上的水分还会沿纤维内气孔及纤维轴迁移，因此，水分从皮肤表面透过衣服的传湿模型如图3所示。,LOGO,二、亲水整理的机理,图3 皮肤通过衣服的传湿模型1放湿；2吸湿；3织物；4皮肤；5水分,LOGO,二、亲水整理的机理,由图3 可知，合纤织物经亲水整理后，能改进其吸附（吸湿和吸水）、扩散（透湿）、散发（放湿和放水）和保持水分的性能,也就是说,亲水整理能使疏水性纤维具有良好的液相水分的转移能力和气相水分的放湿能力。,LOGO,二、亲水整理的机理,3 影响织物吸水性的主要因素（1）织物的组织 紧密织物，如塔夫绸等；一般吸水性较差而厚实的变形丝织物吸水性较好。（2）单纤维的表面和截面形状 纤维表面有微小凹凸或截面结构变化的纤维吸水性好。,LOGO,二、亲水整理的机理,（3）亲水性基团的种类与数量 亲水性基团的种类是很重要的，从最近市场上出售的亲水整理剂来看，阴离子型的效果最大；聚氧乙烯型也很有效，阳离子型的吸水性虽比较有效，但由于耐热性差，价昂等原因，使用较少。此外，亲水整理剂在纤维上的分布对织物吸水性也有影响。合成纤维要获得吸水性，对所需亲水整理剂来说，1%以下就可以了，如在5%以上，会阻塞毛细管，反而会使水滴渗透受阻。,LOGO,二、亲水整理的机理,4 影响纤维亲水性能的因素（1）纤维中亲水性基团性质和数量的影响 纤维大分子结构中亲水基团是影响纤维吸湿能力的主要原因。常见的亲水基团有羟基（-OH），氨基（-NH2），酰胺基（-CONH2），羧基（-COOH）等，这些极性基团结合水分子的能力是有差别的。纤维中游离的亲水基团越多，基团的极性越强，纤维的吸湿能力就越高。天然纤维无论是植物纤维或动物纤维中都含有较多的亲水基团，因此吸湿率都比较高。而丙纶等合成纤维吸湿率相对较低，这是由合成纤维大分子的化学结构所决定的。,LOGO,二、亲水整理的机理,（2）纤维中结晶区和无定型区的作用 纤维微观结构中结晶区和无定型区对纤维的吸湿性能也有较大影响。纤维中的大分子在结晶区中紧密地聚集而形成有规则的排列，从而使水分子不容易渗入其中。因此，纤维的吸湿主要发生在无定型区。除了结晶度影响纤维的吸湿性外，在同样结晶度的情况下，一般晶区越小，晶粒表面积越大，晶粒表面未键合的亲水基团也就越多，纤维的吸湿性也就越强。,LOGO,二、亲水整理的机理,（3）表面吸附 当纤维置于大气中时，纤维表面（包括内表面）就会吸附一定量的水汽和其它分子。纤维表层的化学组成和物理结构不同，对水汽的吸附能力也不同。,LOGO,二、亲水整理的机理,（4）单纤维织物的表面和截面形状 纤维表面有微小凹凸或截面结构呈L 型、c 型等不规则形状的纤维吸水性好。这是因为纤维光滑完整的表面结构的改变，不仅使比表面积增大，对水分子亲和力增大，而且利用微孔毛细吸水原理，纤维间空隙保持的水分增加。因此，异形纤维和表面凹凸化的纤维其吸湿率和保水率总是高于同组分的圆形截面、表面光滑的纤维。,休息一下,LOGO,三、亲水整理的工艺,根据上述亲水性原理，疏水性纤维（如PET纤维、PTT纤维等）的亲水化整理主要是使其表面亲水化，常用的方法有三个：（1）在纤维表面施加一薄层亲水性薄膜；（2）在纤维表面接枝聚合亲水性化合物形成亲水性；（3）用低温等离子体处理，改变纤维表面分子组成，使之亲水化。目前已工业化应用的只有在纤维表面施加具有亲水基团的搞（或齐）聚物，使其表面上覆盖一层亲水膜的方法。在25c不同相对湿度时，高聚物中的各种官能团吸附分子水率如表1,LOGO,三、亲水整理的工艺,表1 高聚物结构中各官能团吸附克分子水率,LOGO,三、亲水整理的工艺,LOGO,三、亲水整理的工艺,由表2可知高聚物中羧基盐和羟基等有利于吸湿。一些极性基团与水分子的配位数 表 2 极性基与水分子结合,LOGO,三、亲水整理的工艺,市售售亲水整理剂按其化学结构，大致可归纳成4种如表 3表3 亲水整理剂的结构通式,LOGO,三、亲水整理的工艺,目前，国内市场常见的亲水整理剂商品约有：亲水整理剂FS（常州化工研究所有限公司）；DP388A吸湿排汗整理剂（张家港德宝有限公司）等等。亲水整理剂中最著名的商品为Permalose，有Permalose T、TC和TM等品种。这类亲水整理剂的主组分为嵌段共聚物，其相对分子量一般为30000左右，其中聚醚嵌段的相对分子量约为1000左右。嵌段共聚物的熔点为50c左右，易于分散在水中的是非离子型水分散体浓度高时呈凝胶状。由于嵌段共聚物分子结构中有与涤纶分子结构相同的苯环，因此在高温处理过程中，二者苯环容易形成牢固的锚点，而亲水性的聚醚链段被锚牢在涤纶的表面，使涤纶由原来的疏水性表面变成耐久性亲水性表面。不仅如此，涤纶的抗静电性和易去污性也得到了改善。,LOGO,三、亲水整理的工艺,本次以Permalose TM为例说明其应用。Permalose TM为白色水分散体非离子型亲水整理剂，可与冷水互溶，但不能用热水稀释，可用于纯涤纶织物以及和棉或毛织物。在合理的使用条件，摄入不会导致中毒问题，严重口服实验（鼠）LD5025g/kg，对皮肤和眼睛没有刺激作用。,LOGO,三、亲水整理的工艺,LOGO,三、亲水整理的工艺,要获得良好的整理效果，Permalose TM在织物上施加量应在4%左右，而应用工艺有多种。1 浸染工艺。Permalose TM可以与涤纶织物分散染料同时进行，但有两种不同的方式。（1）染前处理 涤纶织物先在40c左右pH值55.5的Permalose TM稀释液中处理，逐步升温到平时加入分散染料的温度（6080c）。在此温度保温处理10min，使 Permalose TM充分被涤纶吸收，然后加入分散染料溶液进行常规染色。,LOGO,三、亲水整理的工艺,（2）染色处理 涤纶织物染色还原清洗后，在40c左右，pH值55.5的Permalose TM稀释液中处理，并逐步升温至80c并在此温度保温处理1020min，再水洗、烘干，需经高温热处理。,LOGO,三、亲水整理的工艺,2 浸轧工艺 采用常规的轧烘焙工艺，可以进行湿湿加工。务必使织物上施加Permalose TM。纯涤纶织物经Permalose TM整理后一般可达到毛细效应6cm，静电压500V，半衰期3s,LOGO,三、亲水整理的工艺,Permalose TM应用注意事项：1）Permalose TM的热处理以150170c效果为好；2）染色织物热处理温度以140c为宜，否则染料向纤维层扩散，影响染色牢度，深度尤为明显；3）Permalose TM用于漂白涤纶织物，可与涤纶荧光增白剂同浴进行浸轧烘干后，在180190c处理30s即可；,LOGO,四、亲水整理的要求,1 保护纤维原有的良好特性 聚酯等合成纤维的强度、耐磨和抗皱等性能极为优良，对一般化学品有较好的稳定性，染色坚牢度也很理想，非纤维素纤维可比拟。因此，在整理加工中要注意保护其原有特性。,LOGO,四、亲水整理的要求,测试透气性将处理后样品放置在YG（B）461D型数字式织物透气量仪上，在实验面积20平方毫米，服用织物压100Pa，04#喷嘴的条件下，测出气流垂直通过式样的速率。参照：GB/T54531997,LOGO,四、亲水整理的要求,2 表面特性 亲水整理是赋予疏水性纤维表面具有吸水性的整理。纤维的吸湿性（或吸水性）一般是由纤维的化学结构、超分子构造和表面组成等因素所决定的。也就是说，纤维的吸湿性与它含有能与水形成氢键的极性基的种类及其数量有关。极性基在纤维的结晶区也存在，由于结构紧密的缘故，以致对吸湿性就无效了，在非结晶区的极性基才有用。所以，制造合成纤维时，所用单体的结构、结晶度、定向性、热处理和牵伸条件等也会影响有效的极性基的数量。,LOGO,四、亲水整理的要求,一些极性基可能的配位水分子数，如表4 所示。纤维的吸湿性、吸水性、易去污性、拒油性等表 面特性有关。就整理效果来说,只要设法改变纤维的表面层性能，即所谓表面整理技术，进行纤维表面改性，就可获得各种功能。表面整理的效果，很大程度上取决于整理剂在纤维表面吸附的均匀性和分子排列状态,LOGO,四、亲水整理的要求,表4 极性基与水的配位数,LOGO,四、亲水整理的要求,测试亲水性1）水滴吸收时间：将布样平整地固定在布框上，用滴定管口直径为1cm的滴定管，在离布面1cm处滴下一滴水，并开始计时，当水珠逐渐反光度减少到一个完全不反光的水印，停止计时，记录水滴吸收时间2）毛吸效应:取经向30cm，纬向5cm的织物，记录30min水沿织物垂直上升的高度。,LOGO,四、亲水整理的要求,3 耐久性 高附加价值的商品，通常要求功能性有令人满意的效果和耐久性。因此，整理剂与纤维能产生结合及选用合理的整理工艺是有现实意义的。聚酯纤维上可反应性基团极少，用一般方法很难使之反应。使纤维基质产生游离基，然后进行接技聚合，虽然是一个可行的方法，且整理效果和耐久性也很优良，但反应速度及其控制等方面还有待进一步完善。通过部分水解增加反应点的方法,往往会损伤纤维强力等物理性能。,LOGO,四、亲水整理的要求,选择适当的整理剂，通过整理加工使它吸附在纤维表面，然后进行固着也是颇为有效的方法。从理论上讲，其吸附力可高达2000公斤/平方厘米。但在实际加工中，由于纤维上存在气泡和杂质等，使分子间作用力和氢键的作用极不充分，以致与理论值相差甚远。吸附首先要使处理液能充分润湿纤维，其次是整理剂均匀地分布在纤维表面，并在此状态下，坚牢地固着。在通常的浸轧烘干焙烘工艺中，整理剂的泳移，会使整理效果产生不良的影响。,LOGO,四、亲水整理的要求,4 均匀性 整理剂在纤维上均匀分布对亲水性能的影响甚大。在织物的防皱整理中，交联剂分布不均匀现象是很普遍的，这可能是由于织物浸轧交联剂溶液时，溶液润湿织物不良或在烘干工序中，由于受热不均匀所致，以致有时甚至在纤维上有块状树脂附着。反之，聚酯纤维浸轧经甲基三聚氰胺及催化剂溶液后，采用汽蒸工艺,则经甲基三聚氰胺能在纤维表面缩聚而形成均匀的覆盖薄膜,使聚酷织物的防熔融性能显著改善，这是采用浸轧一烘干一焙烘工艺不能赋予的新功能。聚酯纤维的防熔融整理的原理就是在纤维表面形成一层均匀的耐高温的薄膜。,LOGO,四、亲水整理的要求,聚酯织物亲水整理时，提高亲水整理剂在纤维表面附着的均匀性是很重要的。如同聚酯织物染色一样，纤维上染色座位是分布均匀的，要获得热力学稳定的均匀染色是完全可能的。亲水整理时，一些整理剂采用浸渍工艺，则要注意升温速度、盐类的添加等操作，让亲水整理剂的有效成份逐渐凝集并均匀地吸附在纤维的表面。因亲水整理剂被吸附的成分主要是聚酯类高聚物。据推测，它的吸附可能与分散染料类同，但它不会象分散染料那样，吸附后立刻扩散到纤维内部。,LOGO,四、亲水整理的要求,在表面整理中，整理剂分布的均匀性一个极为普遍而又重要的要求。有些表面整理甚至要达到分子级的程度，才能具有良好的整理效果。例如：在拒水拒油整理中，全氟烷基要在纤维表面完全定向紧密堆砌，才能形成最低的表面能，获得最好的拒水拒油的效果。用有机硅拒水整理时，必须使甲基在纤维表面上定向排列，方显出拒水性，亲水整理均匀性的问题还有待于进一步研究。,LOGO,四、亲水整理的要求,5 热力学稳定性 一切物理化学变化都自然地趋向于热力学稳定的方向进行。亲水整理时，从整理剂的施加一直到固着，积极地运用这个原理是有重大意义的。利用非离子型高分子的浊点使之凝集，利用盐析作用使其溶解度下降而促进吸附，都可在亲水整理的浸渍工艺和浸轧工艺中得到应用，以防止产生不匀的固着。例如，聚酰胺类的衍生物，利用盐析作用使其凝集并均匀地吸附在尼纶纤维上，经热处理使整理剂固着,从而获得耐久的吸水和易去污效果的方法，并早已工业化了。,LOGO,参考文献,1邱丽等.新型聚酯纤维PTT.国际纺织导报，1998（2）：24262.C.H.Hwo et.al.Opportunities of Corterra PTT Fibres in 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