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期刊专利论文

GO/WPU复合涂层剂对纯棉针织面料的功能整理

来源:catia2021年11月11日

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GO/WPU复合涂层剂对纯棉针织面料的功能整理

孙建,李紫星,刘连元

(河北科技工程职业技术大学
河北邢台054000)

来源:印染助剂 2021年5月 第38卷 第5期

摘要

为增强氧化石墨烯(GO)的亲水性和分散性,利用聚乙烯亚胺(PEI)进行接枝改性,并与水溶性聚氨酯(WPU)超声共混,获得GO/WPU纳米复合涂层剂。通过轧-烘-焙工艺方法对棉织物进行整理,利用水合肼还原制得还原氧化石墨烯(RGO)/WPU复合棉织物。采用物理化学性质及光谱特性分析评价GO/WPU涂层剂性能,借助SEM和XPS对RGO/WPU复合棉织物进行结构表征,并研究其导电性能及紫外线防护性能。结果表明:改性GO在WPU中均匀分散(乳液粒径小于116.83nm),两者分子间存在氢键作用,热稳定性以及拉伸强度均显著提升;涂层剂可以在棉纤维表面形成较均匀的涂层,织物的表面电阻从4.21×108Ω·m最低降至1.29×102Ω·m,紫外防护系数(UPF)最高增强137倍。

关键词

功能整理;水性聚氨酯;改性石墨烯;棉织物

引言
 

本研究选择PEI对GO进行改性,以提高其亲水性,在WPU体系中共混制得改性GO/WPU纳米复合乳液,深入分析改性工艺对复合产品(复合乳液和复合膜)相关性能的影响,以复合乳液作为涂层剂对纯棉针织物进行整理并加以还原,评价改性织物的导电性能及防紫外性能。

1 实验

1.1材料和仪器
    材料:平纹针织棉织物(190g/m2);GO(自制),NaOH、HCl、水合肼(分析纯,洛阳市化学试剂厂),氯乙酸钠(分析纯)、聚乙烯亚胺(99%,MW=600)(上海易恩化学技术有限公司)。
    仪器:激光粒度分析仪,傅里叶变换红外光谱仪,热重分析仪,扫描电子显微镜,数字万用分析仪,纺织品防紫外性能测试仪,X射线光电子能谱仪,顶破强力测试仪。
1.2GO/WPU纳米乳液及胶膜的制备

    称取一定量GO,加入适量去离子水,用超声波进行分散,得GO分散液。取50mLGO分散液(2g/L)、5gNaOH和100mLPEI(2.5g/L)加入圆底烧瓶中,加热反应36h,离心分离,将沉淀物用去离子水重新分散,得改性GO分散液。取一定量改性GO分散液加入WPU溶液中,超声处理至混合均匀,得GO/WPU纳米复合乳液。
    将GO/WPU纳米复合乳液倒在聚四氟乙烯模板上,室温干燥,120℃焙烘15h,得GO/WPU胶膜。

1.3纯棉针织面料的改性整理
    将纯棉针织面料加入GO/WPU纳米复合乳液中(浴比1∶20)浸泡2h,然后采用浸轧工艺进行轧浆、漂洗,烘干即得改性GO/WPU织物,再浸入95℃水中,加入水合肼还原2h,漂洗烘干,得RGO/WPU织物。
1.4测试粒径:室温下用激光粒度分析仪测试。
    红外光谱:用傅里叶变换红外光谱仪测试,扫描范围400~4000cm-1,扫描32次。

    热重分析:用热重分析仪测试,温度25~800℃,温度梯度8℃/min,氮气速度50mL/min。
    力学性能:取50mm×10mm样品,测试拉伸强度及断裂伸长率,拉伸速率100mm/min,重复测5次,取平均值。
    扫描电镜:先对织物样品进行喷金处理,然后观察表观形貌。
XPS:利用X射线光电子能谱仪分析样品的元素组成。
    胀破强力:参考GB/T7742.1—2005《纺织品织物胀破性能第1部分:胀破强力和胀破扩张度的测定液压法》采用胀破法测试,将织物样品固定在膜片上,以恒定速度增大液压,直至样品胀破。
    表面电阻:采用数字万用分析仪测试,测3个不同位置,取平均值。
抗紫外线性能:用防紫外性能测试仪测试。

2   结果与讨论

2.1GO/WPU纳米复合乳液的性能
2.1.1物化性能

    由表1可以看出,复合乳液的平均粒径随GO分散液用量增加而增大,因为GO分散液用量增加会加剧GO之间的团聚,乳液粒径逐渐变大,但是不超过116.83nm,说明修饰改性后的GO在WPU中分散均匀。复合乳液黏度随改性GO分散液用量的增加基本保持不变,Zeta电位绝对值均高于70.9mV,表明复合乳液稳定性良好且黏度变化较小。

GO/WPU复合涂层剂对纯棉针织面料的功能整理

 

2.1.2红外光谱
    由图1a可知,改性GO在3350cm-1处出现宽特征峰,归属于O—H的拉伸振动,在1741、1650cm-1处的吸收峰归属于COOH的强碳氧双键(CO)及芳香族中CC的伸缩振动,而在1232、1055cm-1处的吸收峰归属于C—OH的拉伸振动及环氧官能团的伸缩振动。由图1b可知,WPU在3310、1703、1348cm-1处出现吸收峰,分别归属于氨基甲酸酯官能团(NH—CO—O)中N—H、CO以及C—O的伸缩振动,而在1123cm-1处的吸收峰归属于醚键(C—O—C)的伸缩振动。由图1c可知,与WPU相比,GO/WPU(1.0%)的N—H特征峰从3310cm-1处移动到3302cm-1处,其余峰位置基本一致,主要由改性GO和WPU的共价键和氢键相互作用导致。

 

 

2.1.3热稳定性
    由图2可以看出,改性GO主要热解行为发生在150~320℃,在该温度范围内,—O—、—OH、—COOH等含氧官能团不稳定,容易发生化学键断裂反应。因为部分物质物理蒸发,WPU在25~150℃开始损失;当温度为150~310℃时,因为H2N—COOR发生断裂,WPU发生第二次损失;继续升温至310~440℃,因为PEG600分子结构中的软链段部分发生分解,WPU质量损失率急剧增大。与改性GO和WPU热分解行为相比,GO/WPU的热解温度明显提升,说明改性后GO与WPU之间的相互作用增强,显著提升了WPU的热稳定性。

 

2.1.4胶膜的力学性能
    由表2可以看出,与WPU空白对照组相比,因为引入的改性GO与WPU通过共价键和氢键相互作用交联程度增强,GO/WPU复合乳液胶膜的拉伸强度显著增强。此外,随着GO分散液用量增加,交联程度增强,复合乳液胶膜的应力增大且趋于集中,弹性减弱,断裂伸长率降低。

 

 

2.2表征
2.2.1表观形貌

    由图3可知,未处理棉织物纤维呈卷曲状,表面光滑;GO/WPU织物表面则出现一层片状薄膜,且存在许多分布较均匀的改性GO颗粒,表明改性GO分散性良好,未发生团聚;随着GO分散液用量增加,织物表面光滑性越差。对比整理织物还原前后的表面形貌,两者基本一致,说明还原过程几乎未对功能织物造成影响,RGO/WPU织物的石墨烯分散性良好。

 

 

2.2.2元素分析
    由图4可看出,1.0%GO/WPU织物表面含C、N、O3种元素,质量分数依次是70.26%、4.13%和25.61%;经水合肼还原后,1.0%RGO/WPU织物表面C质量分数增加至75.18%,N、O质量分数分别下降至3.98%、20.84%,C/O值由2.74增加至3.61(理论值为3.87),表明水合肼的还原较彻底。

 

 

2.3RGO/WPU织物的性能

2.3.1力学性能
    由表3可知,与纯棉针织物空白对照组相比,经过功能整理后的纯棉织物胀破强力变化不大,表明功能整理对纯棉织物强力特性影响不大。

 

 

 

2.3.2导电性能
    由图5可以看出,纯棉针织物空白对照组表面的电阻率为4.21×108Ω·m,经0.5%RGO/WPU整理后迅速降为3.98×104Ω·m,表明整理后织物的导电性能显著增强;随着GO分散液用量增加,整理织物的导电性能进一步增强,电阻率最低达1.29×102Ω·m,比空白对照组试样降低6个数量级。

 

2.3.3紫外线防护性能
    由图6可以看出,功能整理织物的紫外线透过率随着GO分散液用量的增加逐渐下降,但是最高不超过4.96%,说明功能整理织物紫外线防护性能良好。

 

 

    由表4可以看出,随着GO分散液用量增加,UVA、UVB波段紫外线透过率均下降,RGO/WPU整理织物的UPF值显著高于空白对照组,且UPF值与GO分散液用量呈正相关,特别是2.5%RGO/WPU整理织物的UPF值达783.2,相当于对照棉织物的137倍,说明功能整理织物抗紫外线性能良好。
 

 

 

 
3 结 论

(1)成功制备出纳米尺度的GO/WPU复合乳液,粒径低于116.83nm,稳定性良好,热稳定性和胶膜的拉伸强度均得到显著提升。
(2)涂层剂能够在棉纤维表面形成比较均匀的RGO/WPU涂层,表面电阻从4.21×108Ω·m降低至1.29×102Ω·m,UVA和UVB波段的紫外线透过率明显下降,UPF值最高增强137倍,说明功能整理织物的导电性及抗紫外线性能良好。    

 

 

 

 

 

为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参阅《印染助剂》 2021年5月 第38卷 第5期

END

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