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有机硅柔软剂在纤维表面的分布

作者:小编 发布时间:2023-02-22 07:43:42 0 次浏览

经聚二甲基硅氧烷整理的纺织品,平滑性较好,但柔软性较差,这与聚二甲 基硅氧烷在纤维表面的分布不匀有关。氨基改性有机硅柔软剂是目前市场上使用 较多的有机硅织物柔软剂,所以氨基改性有机硅柔软剂在棉纤维的分布及其取 (定)向研究的相对较多。涤棉混纺(65/35)织物经氨基聚硅氧烷处理后,经 荧光试剂处理,用显微镜观察发现,大部分氨基聚硅氧烷均匀地分布在棉纤维表 面,而涤纶纤维上不存在氨基聚硅氧烷。

根据氨基硅油柔软剂整理织物的性能相关数据(柔软性、可润湿性和表面特 性等),A.Berech 等人[15]提出甲基封端N-(β-氨乙基)亚氨丙基侧链改性氨基硅 油在棉纤维表面的作用模型:氨基硅油的氨基受静电引力吸附在带负电 荷的棉纤维表面,部分质子化的氮原子相互排斥,导致聚硅氧烷链段均匀铺展在 纤维表面。整个聚硅氧烷链段由氨基锚固在纤维表面,2 个氨烃基间的硅氧烷链 段形成自由环状,硅原子上的甲基指向空气因环状链段易于移动和弯曲,降低了 纤维之间的摩擦系数,织物表现出柔软平滑感。

为研究氨基硅油在纤维表面的定向排列方式,安秋凤等人用单晶硅片模拟棉纤维,利用原子力探针扫描电镜(AFM)观察羟基封端N-(β-氨乙基)亚氨丙基 侧链改性氨基硅油处理前后的表面形貌,发现氨基硅油处理后水接触角变大,单 晶硅表面粗糙度只有0.086nm,亲水性单晶硅片上形成疏水膜,表面变平滑。说 明氨基硅油在单晶硅表面的定向排列方式(图1-4)是甲基朝外伸向空气,硅氧 偶极键和极性氨基指向单晶硅表面。由于单晶硅不同于天然棉纤维,因此安秋凤 等[17]以甲基封端N-(β-氨乙基)亚氨丙基侧链改性氨基硅油处理后的棉纤维为 研究对象,用场发射扫描电镜(FE-SEM)、光电子能谱(XPS)对其表面进行了 观察和表征。结果发现氨基硅油处理后的棉纤维表面相对平滑、局部棱角较钝、 氮原子大部分指向棉纤维界面。说明氨基硅油在棉纤维及其模拟基质表面的定向 排列方式一致,硅甲基朝外指向空气,硅氧偶极键与极性氨基指向纤维 界面。

不同用量氨基硅油处理纤维时,表面覆盖膜厚度不同,定向排列方式与单 层膜情况不同。Burrell 等人[18]利用变角X 光电子能谱(AD-XPS)研究经不同用量 双末端N-(β-氨乙基)亚氨丙基侧链改性氨基硅油处理后的纤维素膜表面元素 组成,发现氨基易与纤维表面的羟基结合,聚硅氧烷链段增长,氨基伸向纤维界 面的角度增大。单层膜与多层膜和亚单层膜比较,氨基更加伸向纤维界面。亚单层膜覆盖不完全,使得硅氧偶极键朝外伸展以降低表面能,多层膜覆盖时纤维羟基完全被覆盖,使得极性氨基指向纤维界面的趋势降低。

由于极性氨基是纤维素纤维经氨基硅油处理后产生柔软感的重要因素,因此 氨基硅油的氨值大小及其质子化程度影响其整理效果。Xu 等人[19]将不同氨值的 羟基封端N-(β-氨乙基)亚氨丙基侧链改性氨基硅油附着到棉纤维和纤维素膜 表面,用FE-SEM、AFM 观察表面膜形貌,发现氨基硅油可在纤维素表面形成 均匀、平滑的硅油膜,纤维素表面粗糙度由4.771nm 降低至1.876nm。处理后纤 维素柔软感随氨值的增大先增大后减小。氨值的大小直接控制相邻2 个氨烃基间 硅氧烷链段的长短,只有适宜长度的聚硅氧烷链才能自如地弯曲、转动和滑动, 进而赋予织物柔软性。氨值过高或者聚硅氧烷链段过短时,主链无法自如活动, 无法赋予织物柔软性。氨值过低或者聚硅氧烷链段过长而堆积在织物表面时,造 成氨基硅油不均匀覆盖,降低了织物柔软性。

氨基硅油背向纤维界面的聚硅氧烷链段和伸向空气的甲基的疏水性使纤维素纤维经处理后呈现疏水性,如何改善其亲水性成为新的研究内容。分子工程是 消除这种疏水作用的一种途径:一个是通过引入亲水性侧链进行分子改性;或转 换成α-ω-取代的氨基有机硅。α-ω-取代的氨基有机硅,具有能允许形成水滴浸入 的弓形结构。两种方法相比,后者的分子结构能不受干扰的形成弓形, 与含乙二醇的分子相比柔软性更优异,原因是含有乙二醇的分子由于体积庞大的 乙二醇侧链大大干扰了氨基在纤维上的定向排列。 

氨基硅油中引入亲水性聚醚侧链可赋予纤维较好亲水性,但手感比传统氨基 硅油柔软剂差。Bereck 模型也可延伸描述此类氨基硅油与纤维间的相互作用。聚 醚侧链在纤维表面形成一个亲水层,使纤维呈现亲水性,而聚硅氧烷链段的移动 性被相邻的弯曲性较小的聚醚链段限制影响了整理后的手感。

为解决亲水性和柔软性之间的矛盾,Czech A.M.等人合成新型聚醚改性 氨基硅油。通过氨基与纤维表面羟基作用使其锚固在纤维表面,亲水性聚醚链段 倒伏在纤维表面形成亲水层,同时获得柔软性和亲水性。杨栋樑认 为其在纤维表面的作用模型视环境不同分为两种情况:干态时,环状聚硅氧烷链 段在纤维表面的最外层,聚醚链段倒伏或弯曲在纤维表面;湿态时,环状聚醚链 段处于纤维表面的最外层,聚硅氧烷链段则弯曲或倒伏在纤维表面种链段可随环境变化而变化,实现干态时良好的柔软性和湿态时良好的亲水性。