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基于氟硅防水剂的制备及其在棉布整理与涂料中的应用

胡晶晶  
【摘要】:受仿生学的启示和绿色经济理念的引领,多元功能型和绿色经济型防水剂的制备及应用成为近几年的研究热点。构筑防水层关键考虑两个要素,即引入低表面能的化学基团、提高粗糙度,进而实现防水、防油等特性。采用硅氧烷类单体进行反应,所得聚合物以Si-O-Si为主链,具有交联网的结构,所带的Si-OH之间或与含多羟基的棉纤维之间的结合,可提高与棉布的结合度,进而改善棉布性能,此外,-CH_3、-(CH_2)_(15)CH_3、-C_2H_4CF_3在膜外层起着疏水屏障的作用。采用有机硅共混改性含羟基的丙烯酸酯乳液,配制功能复合型水性涂料,将其应用于涂层整理,明显改善了涂层的防水性、耐水性及硬度等特性。据此,具体研究内容及结果如下:(1)选择十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)、甲基三乙氧基硅烷(MTES)及八甲基环四硅氧烷(D_4)进行水解-缩聚反应,制得了长链烷基聚硅氧烷乳液(LCPSO),且经FT-IR对其结构进行表征,可证实LCPSO符合预期的分子设计。采用纳米粒度及Zeta电位仪、SEM及AFM,测试了LCPSO乳液的粒径分布、电位值、纤维表面形貌及粗糙度,另外,探究了LCPSO整理液浓度、pH值、焙烘温度及时间对LCPSO应用性能的影响。结果表明:LCPSO乳液Zeta电位为+33.9mV,平均粒径约为124.2nm,外观乳白色、带蓝光;LCPSO整理后布样表面有一层光滑均匀的膜状涂层,各粗糙度参数急剧下降;当LCPSO整理液浓度为1.5%、pH值为7、焙烘温度及时间分别为165℃、3min时,经LCPSO整理加工,纺织品具有较好的综合特性,手感良好,白度变化甚微,接触角为142±2°,防油等级为1。(2)以1,3,5-三(甲基三氟丙基)环三硅氧烷(D_3F)、四甲基四乙烯基环四硅氧烷(D_4~(Vi))、八甲基环四硅氧烷(D_4)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和马来酸酐(MAH)为原料,制得了一种新型有机氟硅共聚物FCAS,将其乳化得乳白色、泛蓝光的乳液,FT-IR测试结果证明FCAS符合预期的分子设计。将其与(1)中的LCPSO乳液物理共混,复配制得新型氟硅防水防油剂FSW。测试FSW乳液性能,其Zeta电位值为+29.1mV,平均粒径约为120.8nm,外观乳白色、带蓝光;SEM显示FSW整理后布样表面有一层光滑均匀的膜状涂层;AFM测试发现,织物经FSW整理后,各粗糙度参数明显下降。分别探究了FSW整理液浓度、pH值、m(LCPSO):m(FCAS)、预烘温度及时间、焙烘温度及时间对FSW应用性能的影响。最佳整理工艺:FSW整理液浓度为1.5%、pH为6.5~7、预烘温度为140℃、预烘时间为5min、焙烘温度为165℃、焙烘时间为3min,经FSW整理加工,纺织品综合特性良好,防水及防油性均得到改善,手感较好,白度变化甚微,接触角为144±2°,防油等级为4。(3)参考(1)中LCPSO的制备方案,选取阴/非复合乳化剂,制得阴离子型长链烷基聚硅氧烷乳液(LAPSO)。以甲基丙烯酸丁酯(BMA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、苯乙烯(St)和丙烯酸羟丙酯(HPAA)为单体,过硫酸铵(APS)为引发剂,经种子半连续乳液聚合反应,制得含羟基的丙烯酸酯乳液(PA),经FT-IR对其结构进行表征,结果可证明PA符合预期的分子设计。将LAPSO乳液与PA乳液进行物理共混,制得有机硅改性丙烯酸酯乳液(LSPA)。经测试得,LSPA的Zeta电位值为-33.2mV,平均粒径约为109.7nm,外观乳白色、带蓝光;TEM显示LSPA胶粒形貌类似于圆球状,未出现明显团聚,分散性良好;LSPA乳液的不稳定系数为1.062,体系稳定性能较优。经涂料配方设计,制得LSPA防水涂层剂,对LSPA热稳定性及防水性能进行了表征,另外,探究了LAPSO乳液用量、软/硬单体之比、n(NCO)/n(OH)之比、固化温度对LSPA应用性能的影响。结果表明:温度在25~225℃范围,LSPA耐热性能良好;涂层接触角为108°,比对有机硅改性前,LSPA防水性较好;当LAPSO乳液用量为2.5g、软/硬单体比例为1:1.2、n(NCO)/n(OH)为1.2:1、固化温度为120℃时,LSPA整体特性显著,硬度3H,附着力1级,抗冲击70cm,耐试剂性和耐水性较好。


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