改性水性聚氨酯及其制备方法和作为湿摩擦牢度提升剂的
应用
技术领域
本发明涉及用于纺织行业的湿摩擦牢度提升剂及其制备方法,特别涉及聚氨酯及其制备方法和作为湿摩擦牢度提升剂的应用。
背景技术
聚氨酯(简称PU),即聚氨基甲酸酯,是含-NHCOO-单元结构的高分子化合物。1937年,德国化学家Otto Bayer利用异氰酸酯与活泼氢化合物的加成制得了聚氨酯,由此奠定了聚氨酯化学的基础。20世纪50年代,溶剂型聚氨酯涂层首先在欧洲染整行业应用。随着人们环保意识增强,近年来水性聚氨酯逐步取代溶剂型聚氨酯,并在各个行业得到快速发展。在纺织行业,水性聚氨酯可用于防水透湿涂层剂、羊毛防缩整理剂、织物免烫整理剂、合成纤维亲水和抗静电剂、抗起毛起球剂和湿摩擦牢度提升剂等方面。
棉织物因其吸湿透气深受人们喜爱,活性染料色谱齐全,是染棉织物的主要染料。但棉织物活性染料中、深色染色时,湿牢度往往不尽如人意,尤其是湿摩擦牢度,一般只有2-3级,导致服用性能欠佳,使用湿摩擦牢度提升剂是改善染色织物湿摩擦牢度的一种常用且最有效的方法。
目前,活性染料染棉织物的湿摩擦牢度提升剂的研究以水性聚氨酯类为主。如中国专利CN102432801A,公开了一种持久湿摩擦牢度提升剂及其制备方法,该发明实际生成了阳离子型反应性水性聚氨酯,利用高温焙烘使之在织物表面形成高分子网状薄膜从而提升湿摩擦牢度,但缺点是在单独使用时,对湿摩擦牢度提升有限,需要加入柔软剂辅助。因此,有机硅改性水性聚氨酯应运而生,例如文献《有机硅改性封闭型阳离子水性聚氨酯的合成与性能》(印染助剂,2012,Vol.29,No.2),文献介绍了有机硅改性水性聚氨酯的制备与应用,直接将柔软链段引入水性聚氨酯,省去了另外添加柔软剂的麻烦,但用量高时织物发粘,整理过程容易粘辊。此外,市场上该类改性聚氨酯湿摩擦牢度提升剂,对某些颜色或某类结构的织物具有选择性。因此,开发适应性强的水性聚氨酯湿摩擦牢度提升剂具有很大的现实意义。
发明内容
为了克服现有技术制备的水性聚氨酯适应性局限、湿摩擦牢度提升明显的不足,本发明提供一种新型改性水性聚氨酯湿摩擦牢度提升剂及其制备方法。
在本发明的一个方面,本发明提供一种改性水性聚氨酯(也可称为(甲基)丙烯酸类共聚物),它包含由x mol式(I)表示的共聚单元、y mol式(II)表示的共聚单元以及z mol式(III)表示的共聚单元:
R1为H或者CH3;
n为2或3;
k为0-7的整数;
R2为C10-22烷基;
m为1、2、4、6或者8;
Rf为C1-8全氟烷基,
PU为重均分子量为1000-3000的水性聚氨酯预聚体残基;
x:y:z的摩尔比范围1:(0.1-3):(0.05-1),所述改性水性聚氨酯的重均分子量为40000-120000。
本发明的改性水性聚氨酯可以是嵌段共聚物、无规共聚物和交替共聚物,优选是无规共聚物。
在本发明的另一个方面,本发明提供一种上述改性水性聚氨酯的制备方法,它包括如下步骤:
1)在50-60℃的温度下使含-NCO基团的水性聚氨酯预聚体中加入(甲基)丙烯酸C2-3羟烷基酯、C1-8烷醇,在催化剂存在的条件下反应,形成式IV表示的双键单封端的水性聚氨酯预聚体:
式IV中,R1为H或者CH3,n为2或3,k为0-7的整数,PU为水性聚氨酯预聚体的残基;
2)向步骤1)中形成的反应混合物中加入式V表示的(甲基)丙烯酸酯和式VI表示的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯,在60-80℃的温度℃下搅拌溶胀:
式V或VI中:
R1为H或者CH3;
R2为C10-22烷基;
m为1、2、4、6或者8;
Rf为C1-8全氟烷基;
3)在70-90℃温度下进行自由基聚合。
在本发明的另一个方面,本发明提供改性水性聚氨酯作为湿摩擦牢度提升剂在纺织行业中的应用。
按本发明方法制得的改性水性聚氨酯用作湿摩擦牢度提升剂时,具有成膜强度高,致密性与连续性好的特点。整理织物对染料和织物无选择性,整理过的织物不发粘,应用过程不粘轧辊,湿摩擦牢度提升效果明显,且整理后织物得色量增加。
具体实施方式
在一个优选的实施方式中,本发明提供一种改性水性聚氨酯,它包含x mol式(I)表示的共聚单元、y mol式(II)表示的共聚单元以及z mol式(III)表示的共聚单元:
R1为H或者CH3;
n为2或3;
k为1-5的整数;
R2为C12-20烷基;
m为1、2或4;
Rf为C1-6全氟烷基,
PU为重均分子量为1400-2500的水性聚氨酯预聚体残基;
x:y:z的摩尔比范围优选为1:(0.4-2):(0.08-0.8),更优选为1:(0.5-1.8):(0.1-0.7),所述改性水性聚氨酯的重均分子量优选为50000-100000。
在一个优选的实施方式中,本发明提供一种上述改性水性聚氨酯的制备方法,它包括如下步骤:
1)在50-60℃的温度下使含-NCO基团的水性聚氨酯预聚体中加入(甲基)丙烯酸C2-3羟烷基酯、C1-6烷醇,在催化剂存在的条件下反应,形成式IV表示的双键单封端的水性聚氨酯预聚体:
式IV中,R1为H或者CH3,n为2或3,k为1-5的整数,PU为水性聚氨酯预聚体残基;
2)向步骤1)中形成的反应混合物中加入式V表示的(甲基)丙烯酸酯和式VI表示的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯,在60-80℃的温度℃下搅拌溶胀:
式V或VI中:
R1为H或者CH3;
R2为C12-20烷基;
m为1、2或4;
Rf为C1-6全氟烷基;
3)在70-90℃温度下进行自由基聚合。
在一个更优选的实施方式中,IV表示的双键单封端的水性聚氨酯预聚体、式V表示的(甲基)丙烯酸酯和式VI表示的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯的摩尔比范围1:(0.1-3):(0.05-1),优选为1:(0.4-2):(0.08-0.8),更优选为1:(0.5-1.8):(0.1-0.7)。
在一个更优选的实施方式中,步骤1反应的催化剂包括二月桂酸二丁基锡。
在一个更优选的实施方式中,步骤1中所用的水性聚氨酯预聚体的类型为-NCO含量为10%-30%的水性聚氨酯预聚体,优选为水性脂肪族聚氨酯预聚体。它是由异氰酸酯(IPDI)、多元醇(如PPG、PEG)以及扩链剂(DMPA、1,4-丁二醇)合成,其重均分子量为1000-3000,优选为1400-2500。
在一个更优选的实施方式中,步骤2)在吡咯烷酮的存在下进行,优选在N-甲基吡咯烷酮的存在下进行。
在一个更优选的实施方式中,用于引发自由基聚合的引发剂例如包括2,2ˊ-偶氮(2-甲基丙基脒)二盐酸盐。
在一个更优选的实施方式中,丙烯酸C2-3羟烷基酯例如包括(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯的一种或多种。
在一个更优选的实施方式中,本发明改性水性聚氨酯的制备方法包括如下步骤:1)50-60℃,向含-NCO基团的水性聚氨酯预聚体中同时加入计量好的丙烯酸羟烷基酯、正丁醇,在二月桂酸二丁基锡存在的条件下,保温1-2小时。2)加入(甲基)丙烯酸酯、(甲基)全氟烷基丙烯酸酯和任选的N-甲基吡咯烷酮,搅拌溶胀。3)70-90℃下滴加引发剂2,2ˊ-偶氮(2-甲基丙基脒)二盐酸盐,2-3小时内滴完,保温3-6小时,得改性水性聚氨酯。
虽然不想受任何理论的束缚,但申请人认为从分子结构上对现有水性聚氨酯湿摩擦牢度提升剂进行如下创新改进:一方面,引入长碳链(甲基)丙烯酸酯单体,改善分子内部的疏水-亲水平衡,降低分子成膜后的亲水性,同时兼顾柔软性;另一方面,引入含氟单体,成膜时,氟链段在织物表面聚集,将水性聚氨酯亲水基团包覆于内部,进一步有效降低膜的亲水性,更重要的是,因含氟单体的独特性能,改善分子膜的抗粘性,增强耐热性和耐湿性。两者有效结合,提高了湿摩擦牢度提升剂分子在织物表面成膜的连续性、致密性和耐磨性,从而有效提高湿摩擦牢度。通过上述创新改性,发明人惊奇发现,本发明制备的改性水性聚氨酯整理织物时,经整理后的织物不发粘,使用过程不粘轧辊,对染料和织物几乎均无选择性,并且织物得色量也获得明显提高。
本发明制备的改性水性聚氨酯成膜强度高,致密性与连续性好,整理织物对染料和织物无选择性,整理过的织物不发粘,应用过程不粘辊,湿摩擦牢度提升效果明显,且整理后织物得色量增加。
实施例
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
各实施例中,所有原料、织物均为市售。所制得产品分子量测定及其在纺织品上的应用与性能按如下方法测定:
1)重均分子量测定:采用HLC-8320GPC型凝胶渗透色谱仪(日本东曹株式会社)测定,25℃时流动相为DMF,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为参比。
2)在纺织品上的应用工艺:浸渍织物(1%o.w.f.,浴比1:20,40℃×30min)→脱水→烘干。
3)性能测定标准:
湿摩擦牢度:按《GB/T 3920-2008纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测定;
得色量(以K/S值表征):Datacolor测配色系统,D65光源,大孔径,测定。
实施例1
在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管的四口烧瓶中加入水性聚氨酯预聚体EC-605(购自上海思盛聚合物材料有限公司,重均分子量2100)100g(0.0476mol),升温至55℃,同时加入5.5g(0.0476mol)丙烯酸羟乙酯、3.9g(0.0524mol)正丁醇,加入0.1%二月桂酸二丁基锡,保温1.5h,然后再加入20g(0.0832mol)丙烯酸十二烷酯、5g(0.0298mol)甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯,5%N-甲基吡咯烷酮,搅拌使之溶胀,升温至80℃,2-3h内滴完1%2,2ˊ-偶氮(2-甲基丙基脒)二盐酸盐,保温3h,得到改性水性聚氨酯1,待用。所述改性水性聚氨酯1的重均分子量为67000。
实施例2
在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管的四口烧瓶中加入水性聚氨酯预聚体EC-600(上海思盛聚合物材料有限公司,重均分子量1600)100g(0.0625mol),升温至58℃,同时加入7.3g(0.0625mol)丙烯酸羟乙酯、5.1g(0.0688mol)正丁醇,加入0.1%二月桂酸二丁基锡,保温2h,然后再加入12g丙烯酸十八烷酯(0.0370mol)、3g(0.0072mol)全氟己基乙基丙烯酸酯,6%N-甲基吡咯烷酮,搅拌使之溶胀,升温至85℃,2-3h内滴完1%2,2ˊ-偶氮(2-甲基丙基脒)二盐酸盐,保温4h,得改性水性聚氨酯2,待用。所述改性水性聚氨酯2的重均分子量为79000。
各实施例的应用效果与市售湿摩擦牢度提升剂:上海思盛聚合物材料有限公司水性聚氨酯PUD-1109、上海源禾化工有限公司有机硅改性水性聚氨酯Acure 209应用效果对比,如表1所示。
表1 应用效果
由表1可以看出,经本发明制备的改性水性聚氨酯作为湿摩擦牢度提升剂应用时,适应性广,尤其是对湿摩擦牢度难以提升的颜色(如黑色)、难以提升的织物(如绒布),都显示出良好的提升效果,且得色量也得以提升,均明显优于市场产品。