磷酸二氢铵与硅烷偶联剂在纺织浆料中的应用与研究

李 格

奥美医疗用品股份有限公司,湖北 枝江 443200

0 引言

0.1 国内外纺织浆料使用概况

针对织造过程中经纱强力较小而易断裂,进而影响生产的问题,通常采取上浆的方式以改善经纱强力。目前,经纱上浆用浆料主要有3大类——淀粉类、聚乙烯醇(PVA)类和丙烯酸类。据报道,美国每年消耗浆料约20万t,其中淀粉浆料约占该国浆料消耗总量的70%,且使用的淀粉几乎是变性淀粉,这与天然淀粉浆料不能满足现代纺织需求而被逐渐淘汰有关。我国作为人口大国,对织物需求量较大,浆料年消耗量与美国相比略高,为20万～25万t,其中淀粉浆料约占70%,PVA浆料约占20%,丙烯酸类浆料及其他浆料约占10%。西欧各国生产纯棉纱线一般采用马铃薯变性淀粉作为主体浆料,涤棉混纺纱则采用以变性淀粉为主体的丙烯酸类混合浆料。在日本和美国,涤棉混纺纱线上浆以PVA浆料为主体,同时加入少量变性淀粉和丙烯酸类浆料改善浆液性能[1];纯棉纱线上浆以淀粉浆料为主,同时混入PVA浆料改善和提高浆液性能,其中PVA用量根据织物紧度的不同而有所不同。我国在生产中使用的浆料结构相对较复杂,纯棉纱线大多采用以淀粉作为主体的浆料上浆[2-5]。

0.2 硅烷偶联剂与磷酸二氢铵在浆纱过程中的复合作用机制

硅烷偶联剂是应用较广且性能较活泼的一种表面活性剂,其拥有较丰富的羟基,易与其他试剂以官能团的形式结合。本研究中,硅烷偶联剂将作为连接无机界面与有机淀粉间的桥梁,其中的X官能团与无机物结合,Y官能团与淀粉表面的羟基结合,作用机制如图1所示。硅烷偶联剂与磷酸二氢铵共同作用,会更大程度地改善浆液性能[7-8]。

图1 硅烷偶联剂耦合机制Fig.1 Coupling mechanism of silane coupling agent

本文将研究由磷酸酯淀粉与丙烯酸酯组成的共混浆料经磷酸二氢铵和硅烷偶联剂KH580处理后,所得浆膜的强力、成分和结晶度,探讨磷酸二氢铵和硅烷偶联剂KH580对纱线上浆后断裂强力的影响[9-13]。

1 试验部分

1.1 试验材料、化学药品及仪器

1.1.1 材料

纯棉粗纱,线密度400 tex,捻系数115,安徽华茂集团。

脱脂漂白后的纯棉机织物,棉纱线密度14.6 tex,经纬纱密度分别为108根/(10 cm)和84根/(10 cm),取样尺寸5 cm×5 cm。

1.1.2 化学药品

试验用化学药品见表1。

表1 试验用化学药品Tab.1 Chemicals for testing

1.1.3 仪器

试验用仪器见表2。

表2 试验用仪器Tab.2 Instruments for testing

1.2 测试方法

1.2.1 力学性能测试

将经恒温恒湿处理的纯棉粗纱置于INSTRON万能强力仪夹板内夹紧,设置夹板间距为5 cm,拉伸速度为500 mm/min,选择“纱线/纤维测试”模式。每种试样测9次,结果取平均值。

1.2.2 红外光谱测试

利用傅里叶变换红外光谱仪对干燥的浆膜样品进行红外光谱测试。设置扫描范围为4 500～600 cm-1。

1.2.3 X射线衍射测试

利用X射线衍射仪对干燥的浆膜样品进行X射线衍射测试。测试条件:CuKα辐射,管压40 kV,管流40 mA,连续扫描,扫描范围5°～80°。

2 试验结果与讨论

2.1 磷酸二氢铵加入时机的确定

为考察浆料糊化前后加入磷酸二氢铵对纯棉粗纱强力的影响,设计了6种浆液配方(表3),并对纯棉粗纱进行上浆。具体操作分为2类:

表3 6种浆液配方及其编号Tab.3 Six kinds of sizing formulas and their numbers

(1)称取相应质量的浆料和磷酸二氢铵一起加入1 000 mL的烧杯中,分别标记为A1、B1和C1,加水至总质量1 000 g;用玻璃棒将溶液搅拌均匀后置于100 ℃的水浴中加热,同时使用电子搅拌器以400 r/min的转速搅拌烧杯中的溶液,待浆液完全糊化后停止搅拌;用薄膜密封烧杯,并继续置于95～100 ℃的水浴锅中煮浆40 min;将绕好的纯棉粗纱浸浆5 min,取出后烘干待用,粗纱编号同相应的浆料配方编号。

(2)称取相应质量的浆料分别加入烧杯中配成1 000 g的溶液,分别标记为A2、B2和C2;用玻璃棒将溶液搅拌均匀后置于100 ℃的水浴中加热,同时使用电子搅拌器以400 r/min转速搅拌烧杯中的溶液,待浆液糊化后加入对应质量的磷酸二氢铵,混合均匀后停止搅拌;用薄膜密封烧杯,并继续置于95～100 ℃的水浴锅中煮浆40 min;将绕好的纯棉粗纱浸浆5 min,取出烘干后待用,粗纱编号同相应的浆料配方编号。

将浸浆后烘干待用的纯棉粗纱置于温度为20 ℃、相对湿度为65%的环境中平衡24 h,再使用INSTRON万能强力仪对其进行力学性能测试,结果见表4。

表4 不同配方的浆液上浆后的纯棉粗纱强力

由表4可以看出:A1与A2,B1与B2,各自的强力相近,表明磷酸酯淀粉或丙烯酸酯各自糊化前后加入磷酸二氢铵,对纯棉粗纱强力影响不明显;C1的强力明显高于C2的强力,表明由磷酸酯淀粉与丙烯酸酯组成的共混浆料糊化前加入磷酸二氢铵,对纯棉粗纱强力的提高更明显。由此可见,磷酸二氢铵在浆料糊化前加入,更有利于纱线强力的提高。

故下文均选择在糊化前加入磷酸二氢铵。

2.2 磷酸二氢铵和硅烷偶联剂对浆膜结构的影响

2.2.1 浆膜的成分变化

图2是由磷酸酯淀粉与丙烯酸酯组成的共混浆料加入磷酸二氢铵前后,所形成浆膜(即原样和1#样品)的红外光谱图。其中,为便于观察和比较,1#样品谱图的纵坐标增加了相等的数值。从图2可以看出:1#样品在2 300 cm-1附近存在明显的振动峰,对应P—OH和P—H官能团的振动;在小于2 200 cm-1和大于2 600 cm-1的区域,原样和1#样品的谱图趋势基本保持一致。这表明,加入的磷酸二氢铵没有与共混浆料发生反应生成新的物质,只是自身发生了水解和电离,其与共混浆料是以稳定的物理形态融合的[14]。

图2 共混浆料中加入磷酸二氢铵前后的红外光谱图Fig.2 Infrared spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate into the blend sizing agent

图3是共混浆料中加入硅烷偶联剂前后,所形成浆膜(即原样和2#样品)的红外光谱图。其中,为了便于观察和比较,2#样品谱图的纵坐标也增加了相等的数值。从图3可以看出:2#样品在2 300 cm-1附近出现了明显的伸缩振动,其为Si—O键的伸缩振动峰;在小于2 200 cm-1和大于2 600 cm-1的区域,原样和2#样品的谱图趋势基本一致。这些都表明,加入的硅烷偶联剂没有与共混浆料发生反应生成新的物质,只是自身发生了水解。

图3 共混浆料中加入硅烷偶联剂前后的红外光谱图Fig.3 Infrared spectra before and after adding silane coupling agent into the blend sizing agent

图4 共混浆料中加入磷酸二氢铵和硅烷偶联剂前后的红外光谱图Fig.4 Infrared spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate and silane coupling agent into the blend sizing agent

综上分析可知:糊化前,磷酸二氢铵和硅烷偶联剂分别加入由磷酸酯淀粉和丙烯酸酯组成的共混浆料中时,对浆料性能无明显影响;但同时加入时,它们会与共混浆料发生反应,生成新的化学键[15]。

2.2.2 浆膜结晶度

图5是共混浆料中加入磷酸二氢铵前后,所形成浆膜(原样和1#样品)的XRD谱图。从图5可以看出,原样浆膜在2θ为20°～40°的范围内出现了较多的波峰,其中2θ为22°时波峰最明显,对应的强度最大;加入磷酸二氢铵后,1#样品浆膜的结晶度较原样浆膜的明显下降,这可能与加入磷酸二氢铵后共混浆液呈酸性有关。淀粉分子中苷键对酸的稳定性很差,其会发生水解降解,这便限制了磷酸酯淀粉分子链的活动能力,分子链的规整性被破坏,分子间作用力和氢键明显减弱,晶相被破坏,结晶度较原样浆膜下降[16]。

图5 共混浆料中加入磷酸二氢铵前后的XRD谱图Fig.5 XRD spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate into the blend sizing agent

图6是共混浆料中加入硅烷偶联剂前后,所形成浆膜(原样和2#样品)的XRD谱图。从图6可以看出:加入硅烷偶联剂后,2#样品浆膜的衍射峰较原样浆膜的明显增多,其在2θ为21°～35°的范围内出现了多个较大峰值的波峰,并以2θ为22°和31°时最为明显。可见,加入硅烷偶联剂后,共混浆料的结晶度增长,这可能与硅烷偶联剂水解后和磷酸酯淀粉大分子结合,吸附在磷酸酯淀粉大分子表面有关。

图6 共混浆料中加入硅烷偶联剂前后的XRD谱图Fig.6 XRD spectra before and after adding silane coupling agent into the blend sizing agent

图7是共混浆料中加入硅烷偶联剂和磷酸二氢铵前后,所形成的浆膜(原样和3#样品)的XRD谱图。从图7可以看出:加入硅烷偶联剂和磷酸二氢铵后,3#样品浆膜的衍射峰较原样浆膜的明显增多,波峰也较明显,强度值也较大,说明加入硅烷偶联剂和磷酸二氢铵后,共混浆料的结晶度增大,这可能是硅烷偶联剂水解后与磷酸酯淀粉大分子、无机分子结合,吸附在磷酸酯淀粉大分子表面所致。

图7 共混浆料中加入磷酸二氢铵和硅烷偶联剂前后的XRD谱图Fig.7 XRD spectra before and after adding ammonium dihydrogen phosphate and silane coupling agent into the blend sizing agent

综合本小节分析可知:糊化前,硅烷偶联剂和磷酸二氢铵分别加入共混浆料,会对浆膜的结晶度有一定影响,当两者同时加入还会形成一定的促进作用。

2.3 磷酸二氢铵和硅烷偶联剂对织物上浆率的影响

将脱脂漂白后的纯棉机织物试样分别编号1～20,称取织物初始质量后分别放入表5相应配方的浆液中上浆,浆液总质量皆为1 000 g,织物编号同浆液配方编号;经轧车二浸二轧后,试样置于60 ℃的烘箱中烘干30 min,取出后再放入温度为20 ℃、相对湿度为65%的恒温恒温室中24 h,称取织物上浆后质量;最后对试样进行退浆处理,烧杯内热水煮洗3～4次,烘干后再置于温度为20 ℃、相对湿度为65%的恒温恒湿室中24 h,称取退浆后质量。不同配方浆液上浆与退浆结果如表6所示。

表5 纯棉机织物浆液配方Tab.5 Pure cotton woven fabrics sizing formula

表6 纯棉机织物不同配方浆液上浆和退浆结果Tab.6 Results of sizing and desizing of pure cotton woven fabrics with different formulations

从表6可以看出:随着磷酸二氢铵加入量的增加,2～5号纯棉机织物的上浆率增加,退浆率也整体呈增加趋势,且当磷酸二氢铵加入量大于2%(质量分数)时,织物的上浆率都高于未加入磷酸二氢铵的1号织物的上浆率;随着硅烷偶联剂加入量的增加,织物的上浆率及退浆率变化规律不明显;综合分析9～20号织物发现,9～11、12～14、15～17号这3组的上浆率整体偏低,只有18～20号这组的上浆率较高,即磷酸二氢铵加入量为4%(质量分数)时上浆率较高。

可见,改变硅烷偶联剂的加入量对上浆率的影响不明显,但增加磷酸二氢铵的加入量,织物上浆率增加。

3 结论

(1)磷酸二氢铵在由磷酸酯淀粉与丙烯酸酯组成的共混浆料糊化前加入,对共混浆料性能的提升效果较糊化后加入的好。

(2)在共混浆料糊化前加入磷酸二氢铵,浆膜的强力增加,浆料的渗透性改善;硅烷偶联剂对浆膜强力有所增强;两者共同作用时对浆膜性能改善情况较好。

(3)改变硅烷偶联剂的加入量对上浆率的影响不明显,但增加磷酸二氢铵的加入量,织物上浆率增加。

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