环境工程毕业设计光接枝聚酯纤维吸湿性的研究.doc
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1、武汉科技学院武汉科技学院 毕业设计(论文)毕业设计(论文) 题目:光接枝聚酯纤维吸湿性的研究题目:光接枝聚酯纤维吸湿性的研究 院 系:环境与化学工程系 专 业:环境工程 学 生:顾玉花 学 号:0051154 指导老师:刘晓洪 摘 要 涤纶织物有许多优异的特性,其制品深得消费者喜爱。但其吸湿性差,并导 致透气性差、易产生静电、易玷污和染色困难等问题。因此其低吸湿性很大的限 制了涤纶的生产、染整加工和使用。 本论文研究了涤纶与丙稀酸光化学引发接枝共聚的改性方法。探讨了溶胀剂 浓度、溶胀时间与温度、二苯甲酮浸泡时间与浓度、辐照时间、单体浓度等因素 对接枝率和回潮率的影响。实验结果表明:当间甲酚的浓
2、度为 40%、溶胀时间为 2h、溶胀温度为 60、BP 丙酮溶液浸泡时间为 1h、BP 丙酮溶液的浓度为 0.2mol/L、光照时间为 2h、丙稀酸浓度为 0.58mol/L 时,聚酯纤维的接枝率和回 潮率较高且回潮率随着接枝率的增大而增加。改性后织物吸湿性明显改善,回潮 率由原来的 0.4%提高到 3.04%。 。最后,用红外光谱证明了聚丙烯酸接枝链的存 在。 关键词关键词:聚酯纤维;接枝共聚;光化学引发;回潮率;接枝率 ABSTRACT The polyester has many outstanding properties. So many consumers favor polyes
3、ter. But polyester is a kind of hydrophobic fiber. Such characteristics cause polyester low hydrophilic property, low air-conductivity, easy to get static and hard to dye. The graft copolymerization of acrylic acid on to polyester fiber was studied by photochemical initiation in this paper. The copo
4、lymerization reaction is greatly influenced by the concentration of sweller, the time and temperature of swell, the time and concentration of soak of BP, the irradiation time, the monomer concentration. The results show that the optimum reaction conditions are as follows: the concentration of swelle
5、r 40%, the sweller concentration 40%, the swell time 2h, the swell temperature 60, the soak time 1h, the soak concentration 0.2mol/L, the irradiation time 2h, the monomer 0.58mol/L. At the same time, The moisture regain of modified fabric will be raised along with grafting rate increase. The modifie
6、d fabrics hydrophilicity was improved greatly. The moisture regain was raised from 0.4% to 3.04%.The grafting fiber was also characterized by IR. Key words: polyester fiber; graft copolymerization; photochemical initiation; moisture regain; grafting rate 目目 录录 1 1 前言前言 .1 1 1.1 研究涤纶吸湿性的意义.1 1.2 提高涤纶
7、吸湿性的方法.1 2 2 原理部分原理部分 .6 6 2.1 纤维亲水性的定义.6 2.2 影响纤维亲水性的因素.6 2.3 表面光接枝机理和实施方法.7 2.4 影响表面光接枝的因素.9 3 3 实验部分实验部分.1111 3.1 原材料.11 3.2 仪器和设备.11 3.3 实验工艺.12 3.4 表征方法.13 3.5 红外光谱测试.14 4 4 结果与讨论结果与讨论 .1414 4.1 间甲酚对聚酯纤维增重率的影响.14 4.2 间甲酚浓度对接枝率和回潮率的影响.15 4.3 接枝率和回潮率的关系.16 4.4 间甲酚溶胀时间对接枝率和回潮率的影响.17 4.5 间甲酚溶胀温度对接枝
8、率和回潮率的影响.19 4.6 UV 光照时间对接枝率和回潮率的影响 .20 4.7 BP 丙酮溶液的浸泡时间对接枝率和回潮率的影响 .22 4.8 BP 丙酮溶液的浓度对接枝率和回潮率的影响 .23 4.9 AA 浓度对接枝率和回潮率的影响 .24 4.10 接枝纤维的红外光谱分析.26 5 5 结论结论 .2727 6 6 参考文献参考文献 .2828 1 前言 1.1 研究涤纶吸湿性的意义 涤纶自从上世纪以来,一直占据着化纤业的重要地位,被广泛应用于工业、 农业、服装、装饰等领域。涤纶纤维的许多物理、化学性质都优于天然纤维。如 强度高、耐磨性好、回弹性好等。其制品不易变形、不易起皱、挺括
9、、折皱保持 性好,且价格低廉,深得消费者喜爱,成为近年来化纤产品中产量增长最快的一 个品种1。 但是,由于涤纶是疏水性纤维,大分子中缺乏亲水性基团,分子链结构紧密, 结晶度和取向度较高。这造成涤纶的吸湿性差,在温度 20,相对湿度为 65%时, 几种纤维的回潮率如表 1-12, 其中涤纶回潮率最低。同时,其低吸湿性导致了其 透气性差、易产生静电、易玷污和染色困难等问题。 表 1-1 几种纤维的回潮率 纤维品种棉粘胶醋酯锦纶腈纶涤纶 回潮率7137420.4 因此,涤纶的低吸湿性很大地制约了涤纶的生产、染整加工和使用,所以, 随着消费水平的提高,提高涤纶织物吸湿性,从而改善穿着的舒适性3,提高织
10、 物的应用价值,成为目前涤纶研究中的一个迫切的课题。从环境保护的角度来说, 开发吸水性纤维可防止热带林减少,防止沙漠化。又如日本各纤维公司已开发出 的凉爽型纤维,穿着用这类纤维制作的衣服,不仅有舒适的感觉而且也能节约空 调的能源4。所以研究开发高吸湿性的纤维,对于保护环境也有重大意义。 1.2 提高涤纶吸湿性的方法 在高速发展的各学科的推动下,提高涤纶吸湿性的技术更加多样化,研究的 水平也迈向更高层次。提高涤纶纤维或织物吸湿性,国内外已进行了大量的研究 工作。按照纤维改性方法的本质特点,主要有三种方法:化学改性、物理改性和 表面改性。 1.2.11.2.1 化学改性化学改性 化学改性是在聚酯的
11、合成阶段与具有亲水性基团的第三组分进行共聚,以改 变聚酯的大分子链结构来提高涤纶的吸湿性能,主要是指大分子结构的亲水性基 团,来提高纤维的吸湿性和吸水性。该方法在其它疏水纤维,如锦纶、腈纶上已 获得一定应用,对于聚丙烯腈纤维,只要在共聚时增加第二单体丙烯酸甲酯的含 量,经过碱处理,与羟基和酰胺基相比,亲核反应性显著降低。然而,涤纶与锦 纶、腈纶相比,较难通过大分子设计,即改变大分子结构中亲水性基团含量的方 法来提高吸湿性。而且,亲水性单体用量也难控制,太少,亲水效果改善不明显; 过多,则使纤维失去原有的性能。 1.2.21.2.2 物理改性物理改性 物理改性是在不改变纤维大分子链结构的前提下,
12、通过改变喷丝板微孔的形 状,仿制具有表面沟槽的异形纤维;或采用与含有亲水基团的聚合物共混和复合 共纺的方法,来达到提高聚酯纤维吸湿性能的目的。 1.2.2.1 改变喷丝孔形状 改变喷丝孔形状对于提高纤维导湿性是简单、直观和行之有效的方法.导湿性 提高主要是由于在异形纤维的纵向产生了许多沟槽,纤维通过这些沟槽的芯吸效 应起到吸湿的功效。 日本东洋纺公司开发了一种 Y 形截面的涤纶称为”Triactor”。据称这种纤维的 吸水性和吸湿性可以与天然纤维相媲美,可见纤维截面形状对植物的舒适性和手 感来说是非常重要的。美国杜邦公司生产的”Coolmax”聚酯纤维,其横截面呈独 特的扁十字形,纤维表面在纵
13、向形成四个槽,拥有比一半纤维多出 20%的表面积, 其排汗功能优于其它同类纤维。台湾中兴纺织股份有限公司生产的”Cooplus”同样 是通过 Y 形和十字形截面,利用纤维表面微细沟槽产生毛细现象,使汗水扩散、 芯吸。这种方法工艺简单,能保证纤维原有的优良性质。 1.2.2.2 原料共混纺丝 采用含有亲水性基团的聚合物与聚酯共混进行纺丝的方法,同时采用特殊设 计的异形喷丝板研制生产吸湿纤维,如可选用带有吸湿基团磺酸盐的改性聚酯及 其常规聚酯的共混物等原料进行吸湿纤维的生产。 1.2.2.3 双组分复合共纺 双组分复合共纺,该方法是将聚酯和其他亲水性聚合物,用双螺杆进行复合 共纺,研制具有皮芯复合
14、形式的异形截面的新型吸湿排汗纤维,对其吸水性和外 观进行改善。通常将具有亲水性材料作为共纺复合纤维的芯层,将具异形截面的 常规聚酯作为复合共纺纤维的皮层,一般亲水性材料选用以聚醚改性聚酯和亲水 改性聚酰胺为多,两种组分分别起到了亲水吸湿和导湿的作用,使用该种复合纤 维具有吸湿、导湿的双重功能,达到吸湿排汗的目的。德国 BASF 公司申请了吸 湿排汗纤维专利,该专利是利用改进喷丝孔形状和选用 PET、PA 双组分复合共 纺的方法,使纤维吸湿排汗性能具有持久性。5 1.2.2.4 纤维表面粗糙化 纤维表面粗糙化,纤维表面越粗糙,亲水性就越好。因此,表面粗糙化也是 提高亲水性的一种方法。例如,将特定
15、化学组成的聚酯纤维在碱中处理,就能得 到表面粗糙化的纤维。这种方法虽然工艺简单,能提高纤维的保水率,但对吸湿 率的提高非常有限。6 1.2.31.2.3 表面改性表面改性 表面改性是指在不改变材料及其本体性能的前提下,赋予其表面新的性能。 如亲水性、抗静电性、染色性、耐老化性、生物相容性等。改善涤纶的吸湿性是 指在聚酯纤维的表面形成一层亲水性化合物,主要有涂层处理法和接枝共聚法。 1.2.3.1 涂层处理法 涂层处理法,是用亲水整理剂对纤维表面进行涂层处理,以改变聚酯纤维的 疏水性能。这种方法生产工艺简单,但耐久性差,这是因为亲水整理剂与纤维结 合不牢,经过洗涤后吸湿功能逐渐降低。 1.2.3
16、.2 接枝共聚法 接枝共聚法,是解决聚酯纤维表面吸湿性不稳定的最佳手段,有化学接枝和 物理接枝之分。它是用引发剂或高能射线(电子束、紫外光)或用低温等离子体 处理,使聚酯纤维表面产生游离基,然后亲水性单体(如丙烯酸、甲基丙烯酸、甲 基丙烯酸羟乙酯等)在游离基上进行接枝聚合,从而形成耐久性的吸水性抗静电 的新表面层,用来提高聚酯纤维的吸湿性能7。 化学接枝8是在适当条件下用 BPO、H2O2之类的引发剂引发,在聚酯纤维的 表面接枝亲水性聚合物,使吸湿性能得到提高。但它的缺点是工序多周期长,只 能采用液相接枝,单体利用率和接枝效率较低,成本较高。 物理接枝(可分为 射线、低温等离子体和紫外光等辐射
17、接枝)具有许多化学 接枝所无法比拟的优点,如接枝工序比较简单,可采用液相接枝也可采用气相接 枝,接枝效率高,并且高分子材料中有无官能团均可,因此在聚酯纤维的吸湿性 能的改性中有较大的应用。 射线辐射接枝9可以改善聚酯纤维的吸湿性,但 射 线存在以下缺点:易穿透整个纤维材料而影响纤维的本体性能,特别是服用性能, 同时 射线辐照剂量又难于控制,因此 射线辐射接枝改性聚酯纤维表面的工业 化生产有一定困难。低温等离子体辐射,由于它主要由带电离子和中性离子组成, 由于其中含有大量的活性中心,常被用于高分子材料的改性7,但由于低温等离 子体需要复杂的仪器设备和高真空系统,并且处理时间长,所以也制约了其工业
18、 化生产。近年来的研究发现紫外光辐照接枝10改性聚酯纤维的表面,除可克服化 学接枝的缺点外,还可克服其他物理接枝的缺点,即具有以下优点:生产工序短, 可采用液相接枝,接枝效率高;反应只发生在纤维表面 50-100nm 深度内,不影 响纤维材料的本体性能,仍能保持好的服用性能;反应的开始和结束均由光源开 关控制,操作简便,重复性好;耗能少,原料消耗少,成本低,易于连续化操作。 因此,紫外光辐照接枝是极具工业应用前景的表面改型方法。 紫外光辐照接枝表面改性始于 1957 年的 Oster 等人(美国)的工作11,他们 首先将光敏剂与聚乙稀混合制片,然后在片材的表面实现光接枝聚合。紫外光辐 照接枝能
19、有效的对有机材料进行表面改性。 (1)改善其亲水性 由于聚烯烃的表面能太低,他们所表现出的疏水性是人们首先要改进的性能 之一。K.Yamada12等人用甲基丙稀酸为单体对 PE(聚乙烯)进行光接枝,原始 材料对水的接触角余弦为-0.05(接触角 为 93) ,改性后则变为 0.9(接触角 为 26)左右,PE 对水的浸润性明显改善。而且,当接枝量仅为 2*10- 2(mol/m2)时,接触角余弦就处于平衡值。该技术已用于制备具有永久防雾滴棚 膜。即用光接枝在薄膜表面经亲水性大单体接枝形成一亲水层,而膜的本体性能 不变。并且,光接枝法也用合成防雾、保温、生物降解、除草等性能的多功能地 膜。此外,
20、这种表面亲水处理法也可用来食品保鲜袋。13 (2)改善其印刷性 目前的 PE(聚乙烯) 、PP(聚丙烯)等工业包装薄膜,一般在印刷之前要 进行电晕处理,有时还要涂以特种底漆,然后使用昂贵的特种印刷油墨,因而成 本很高,且油墨耐久性不够,容易脱落。表面光接枝法可以将强极性的亲水基团 引上薄膜的表面,并且由于接枝链与基体薄膜以化学键相连,该新的表面具有持 久性,从根本上改善此问题。14 (3)改善高分子分离膜的分离性 对食品包装而言,除了表面或里层印刷、粘接、热封等必须考虑和解决的问 题外,对氧、水汽和香味的阻隔性是最为主要的指标。PE 和 PP 对水汽的阻隔性 优良,但对氧的阻隔性差;PET,N
21、YLON(尼龙)对氧有较高的阻隔性,但对水 较差;PVOH(聚乙烯醇)是最好的隔氧性薄膜,但因其溶解于水而难通过蒸煮 消毒这一关。理想的性能组合可由表面光接枝法实现:一种路线是把具有特殊阻 隔性能的聚合物接枝于 PE 或 PP 膜上;二是利用光接枝层合技术制备复合膜,例 如将 PVOH 夹于两 PE 膜之间可制成既隔氧又隔水的高档食品包装膜。 (4)改善其染色性 PET、PE 和 PP 都有纤维产品,目前只有 PET 用做布料,即俗称的涤纶、的 确良等,而 PP、PE 均因染色问题不能商业化,由于染色性差,较大的限制了聚 烯烃材料在纺织印染工业方面的用途。人们利用光接枝已做了大量的工作,如瑞
22、典皇家工学院利用连续法对纤维进行表面光接枝反应,将 MGA(甲基丙稀酸缩 水甘油酯)接枝到高强度 PE 上,用酸性染料酸橙染色,其染色吸收增加了 3.4 倍; 丙稀酸胺PET 纤维体系,用直接染料染色,染色吸收增加了 5.1 倍15,既可增 加 PET 吸水率,又可增加花色品种。 (5)改善其光稳定性 导致有机材料使用寿命缩短的主要原因之一是光,特别是紫外光线。因此稳 定材料的重要手段之一是加入紫外光稳定剂。通常是以一定比例将这类稳定剂机 械混入材料中。该方法的缺点是,需使用的光稳定剂量大且影响本体性能。因此 在材料表面上一层光吸收剂是一种经济且有效的方法。一则可以有效的保护本体 不受侵害,二
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