CN113249972A - 一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，是先以水为溶剂、酸为催化剂，通过烷基硅烷、氟硅烷与硅烷偶联剂的水解缩合，分别制得烷基硅烷聚合物悬浮液和氟硅烷聚合物悬浮液；然后将织物先浸泡于烷基硅烷聚合物悬浮液中5秒‑10分钟，经固化处理后浸泡于氟硅烷聚合物悬浮液中5秒‑10分钟，经固化处理，即得高耐压易清洁超疏水织物。本发明制备的超疏水织物具有优异的高耐压性能，在1米深的水中放置10小时或根据AATCC61‑20062B加速洗涤2小时，都不会被水润湿；具有优异的易清洁特性，仅用水即可清除织物表面的颗粒物及附着于织物表面的水性污渍。

Description

一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超疏水织物的制备方法，尤其是涉及一种的高耐压易清洁超疏水织物的制备方法。
背景技术
纺织品的洗涤需要用到大量的洗涤剂。洗涤剂大多是人工合成的有机化合物，如洗衣粉、洗涤灵等。其中含磷（磷酸钠）量较高，洗涤后含磷的废水流入江河湖泊，引起水体富营养化，致使水体中藻类繁殖旺盛，造成鱼类及其他水生生物缺氧死亡，直至水质变坏甚至变质发臭。另外洗涤剂对皮肤有直接的刺激作用，可引发多种皮肤病。因此，具有超疏水功能的织物在防水、抗污染、自清洁方面具有重要的应用价值。目前，超疏水织物的制备包括构造粗糙结构并用低表面能物质修饰，或者直接用低表面能物质修饰织物纤维，利用织物纤维之间堆积产生的粗糙结构，实现超疏水功能。然而，超疏水织物的自清洁性能的缺点在于污染物去除能力不足，主要体现在1）仅能去除表面附着的颗粒物，而对溶解于水中并粘附于其表面的污染物难以去除，例如墨水、酱油、咖啡等生活中常见的污渍。2）一般来说，自清洁性能只对于大于一定尺寸的颗粒具有显著效果，而对于进入粗糙结构内部的颗粒则不具有自清洁能力；3）通常自清洁性能测试只是将模拟污染物放置于超疏水织物表面，水流经过时将其带走，这与实际实验情况相差甚远。另外，目前对具有良好超疏水性能的织物的制备已有很多报道，但对于超疏水织物的耐压能力（耐液滴冲击、耐静水压力）的报道却比较少。CN111501352A利用烷基硅烷和硅烷偶联剂共水解缩合反应，制得了具有Janus分子结构的有机硅烷聚合物悬浮液，通过浸涂、固化的方法制备得到了具有5级防水能力的超疏水织物。这些超疏水织物虽然有一定的耐压能力，但只是对于液滴或者小水量的冲击具有一定的承受能力，却无法承受大水量、高强度的冲击。其次，耐静水压力是织物耐压能力的另一种测试方式，但是目前较少在超疏水织物上进行测试。
因此，研发高耐压易清洁超疏水织物，能够减少或避免洗涤剂的使用，能够承受动态液体冲击和高静水压力，对各种污染物（颗粒、水性污渍等）均具有优异的自清洁性能，对于超疏水织物的开发和应用及减少洗涤剂的使用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法。
一、超疏水织物的制备
（1）烷基硅烷聚合物悬浮液的制备
以水为溶剂，无机酸为催化剂，烷基硅烷与硅烷偶联剂在室温下水解缩合反应1~18小时，得烷基硅烷聚合物悬浮液。
所述烷基硅烷采用正辛基三甲氧基硅烷，十六烷基三甲氧基硅烷，十八烷基三甲氧基硅烷，十八烷基三乙氧基硅烷中的一种；硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷中的至少一种，烷基硅烷与硅烷偶联剂的质量比为1:0.04~1:2。
所述催化剂为盐酸和醋酸中的至少一种，其浓度为10~12mol/L，其用量为烷基硅烷与硅烷偶联剂总质量的0.01~5倍。
（2）氟硅烷聚合物悬浮液的制备
以水为溶剂，无机酸为催化剂，氟硅烷和硅烷偶联剂在室温下水解缩合反应4~18小时，得氟硅烷聚合物悬浮液。
所述氟硅烷为全氟辛基三甲氧基硅烷，全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种，硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷中的至少一种，氟硅烷和硅烷偶联剂的质量比为1:0.08~1:4。
所述催化剂为盐酸或醋酸中的至少一种，其浓度为10~12mol/L，用量为氟硅烷与硅烷偶联剂总质量的0.01~2.5倍。
（3）高耐压易清洁超疏水织物的制备
先将清洗过的织物浸泡于上述所得烷基硅烷悬浮液中5秒~10分钟，取出、压滤去除液体后在120~180℃下固化处理2~8分钟；再在上述氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡5秒~10分钟，压滤去除液体后在120~180℃下固化处理2~30分钟，即得高耐压易清洁超疏水织物。
二、超疏水织物的性能
1、超疏水性能
从3cm高度释放10 µL液滴滴在织物表面，观察液滴在织物表面的弹跳情况。图1为液滴在易清洁织物表面弹跳的情况，液滴在撞击织物表面之前为球形，在撞击到织物表面的一刻起，其动能开始转变为液滴的形变能，5ms后，形变能达到了最大，随后形变能开始转变为动能，液滴开始向上弹跳，并于17ms时全部完全离开织物表面，随后在28.25ms时达到弹跳的最高高度。图1的结果表明，液滴在织物表面可以轻松弹跳，说明该织物表面具有良好的超疏水能力。
2、易清洗性能
将0.4mL蓝黑墨水喷到织物表面后经过蒸馏水9分钟的清洗（无需洗涤剂），即可明显清洗掉墨水的痕迹，而原布（PET）显示出明显的墨水痕迹。说明无需洗涤剂即可实现织物的清洁。
根据自动差示色度计测试，原布与该易清洁织物的L*约为83.5与83.1，b*为-0.4与-0.5，喷涂0.4mL墨水后，L*分别减小到40.2和62.4，同时b*减小到了-17.2和-5.9，墨水在超疏水织物表面分布不均匀导致了颜色的差别。经过在加速洗仪器中9分钟的机洗（相当于家用洗衣机45分钟机洗），原布的L*增加到54.9，b*增加到了-8.9，相比之下，该超疏水织物的L*增加到了82.2，b*增加到了-0.75。表明相较于普通织物，对于喷雾造成的水性污渍，该易清洁织物仅通过蒸馏水清洗即可达到接近于原始织物的洁净程度，而普通织物通过蒸馏水清洗并不能明显去除其表面的污渍。
1mL蓝黑墨水从80cm高度冲击到45o放置的原布和超疏水织物表面后，多余的墨水用纸巾吸掉，放置于空气中30分钟使其变干，随后经过9分钟加速机洗。测定机洗后两种织物的L*和b*。原布的L*为59.7，b*为-9.6，易清洁织物的L*为81.9，b*为-0.9。表明对于冲击造成的水性污渍，普通织物并不能通过蒸馏水明显清洗干净，而对于该易清洁织物，仅仅通过蒸馏水清洗即可达到接近于原始织物的洁净程度。
将0.5g西红柿酱在15kPa的压强下作用10分钟，然后在空气中晾干30分钟，经行9分钟加速机洗，得到原布的L*为78，a*为7.9，而易清洁织物的L*为82.3，a*为-0.3。这也从另一方面印证了原布西红柿酱未被完全洗干净，易清洁织物将污染的织物清洗至接近未污染原布水平。表明对于生活中常见的具有一定的黏度的小颗粒水性污渍，由于压力作用而进入织物表面后，普通织物利用蒸馏水很难清洗干净，而该易清洁织物仅使用蒸馏水即可清洗到接近于原始织物的洁净程度。
3、耐压能力
将易清洁织物在1m深的水中放置600 分钟（10小时），观察WSA变化情况。发现，易清洁织物在1m深的水中放置600 分钟（10小时）依然保持织物不被水润湿，保持织物干燥，并且WSA为18o左右（图2）。说明该织物具有良好的耐静水压力的能力。
根据AATCC61-20062B（机洗强度强于GB/T 3921.3-1997，未加洗涤剂）要求，对易清洁织物进行加速洗涤2小时，发现该织物依然保持干燥（不会被水润湿），并且其WSA为17o左右（图3）。说明该易清洁织物具有良好的耐动态水压的能力。
通常超疏水表面的制备来自于表面的粗糙结构和低表面能物质的共同作用，本发明的易清洁织物，粗糙结构由纤维之间的堆积而形成，低表面能物质为烷基硅烷聚合物与氟硅烷聚合物，其良好的耐压能力与易清洁能力来源于水滴在该易清洁织物表面极低的粘附力，9μL的水滴在该易清洁织物表面的粘附力为23.6μN；而此表面粘附力又是源自于该易清洁织物极低表面能，其表面能为0.52mN/m；而这种极低的表面能又是烷基硅烷聚合物与氟硅烷聚合物双重修饰的结果。
综上所述，本发明制备的易清洁织物具有以下优点：
1、具有良好的超疏水性能，无需洗涤剂即可实现织物的自清洁；
2、具有良好的易清洁能力：1）对于嵌入织物内部的小尺寸颗粒物具有易清洁能力；2）对于多种水性污染物均具有良好的易清洁能力，如墨水，西红柿酱，咖啡，牛奶，红糖水等；3）对于不同污染方式形成的污渍具有良好的易清洁能力，如墨水冲击，墨水喷雾，挤压的西红柿酱等方式形成的污渍；
3、所制备织物具有良好的耐压能力：1）具有良好的耐静水压力；2）具有良好的耐动态水压的能力。
附图说明
图1为液滴在易清洁织物表面弹跳的情况。
图2为易清洁织物在1m深的静水压力下不同时间的WSA变化情况。
图3为易清洁织物在AATCC61-20062B（未加洗涤剂）条件下机洗2小时，其WSA的变化情况。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明高耐压易清洁超疏水织物的制备及性能作进一步说明。
实施例1
（1）制备烷基硅烷聚合物悬浮液：将0.9 g十八烷基三甲氧基硅烷、0.2 gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、0.25 g盐酸（12 mol/L）、50 mL蒸馏水加入到100 mL的烧杯中，在25℃下磁力搅拌1 小时，得到均匀的烷基硅烷聚合物悬浮液；
（2）制备氟硅烷聚合物悬浮液：将0.75g全氟辛基三甲氧基硅烷、0.4 gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、0.25 g盐酸（12 mol/L）、50 mL蒸馏水加入到100 mL的烧杯中，在25℃下磁力搅拌4小时，得到均匀的氟硅烷聚合物悬浮液；
（3）制备高耐压易清洁超疏水织物：将清洗干净的聚酯纤维织物在上述烷基硅烷聚合物悬浮液中浸泡10分钟，取出，压滤去除多余残液后，在140oC下固化10分钟，然后在氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡5分钟，取出，压滤去除多余残液，在150oC下固化30分钟，即得高耐压易清洁超疏水织物；
（4）织物性能测试：检测方法和结果同前述基本一致，织物具有良好的自清洁能力和易清性能，具有良好的耐压能力。
实施例2
（1）制备烷基硅烷聚合物悬浮液：将0.6 g十六烷基三甲氧基硅烷、0.2 gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、0.25 g醋酸（16 mol/L）、50 mL蒸馏水加入到100 mL的烧杯中，在30℃下磁力搅拌6 小时，得到均匀的烷基硅烷聚合物悬浮液；
（2）制备氟硅烷聚合物悬浮液：将0.75g全氟硅基三乙氧基硅烷、0.4gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、0.25 g盐酸（12 mol/L）、50 mL蒸馏水加入到100 mL的烧杯中，在25℃下磁力搅拌4小时，得到均匀的氟硅烷聚合物悬浮液；
（3）制备高耐压易清洁超疏水织物：将清洗干净的聚酯纤维织物在烷基硅烷聚合物悬浮液中浸泡5分钟，取出，压滤去除多余残液，在170oC下固化3 分钟，然后在氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡10分钟，取出，压滤去除多余残液，在140oC下固化30分钟，即得高耐压易清洁超疏水织物；
（4）织物性能测试：检测方法和结果同前述基本一致，织物具有良好的自清洁能力和易清性能，具有良好的耐压能力。
实施例3
（1）制备烷基硅烷聚合物悬浮液：将0.4 g十八烷基三乙氧基硅烷、0.2gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、0.125 g醋酸（16 mol/L）+0.125g盐酸（12 mol/L）、50 mL蒸馏水加入到100 mL的烧杯中，在30℃下磁力搅拌6小时，得到均匀的烷基硅烷聚合物悬浮液；
（2）制备氟硅烷聚合物悬浮液：将0.75g全氟硅基三乙氧基硅烷、0.4gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、0.25 g盐酸（12 mol/L）、50 mL蒸馏水加入到100 mL的烧杯中，在25℃下磁力搅拌反应8小时，得到均匀的氟硅烷聚合物悬浮液；
（3）制备高耐压易清洁超疏水织物：将清洗干净的聚酯纤维织物在烷基硅烷聚合物悬浮液中浸泡2分钟，取出，压滤去除多余残液，在170oC下固化3 分钟，然后在氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡10分钟，取出，压滤去除多余残液，在140oC下固化30分钟，即得高耐压易清洁超疏水织物；
（4）织物性能测试：检测方法和结果同前述基本一致，织物具有良好的自清洁能力和易清性能，具有良好的耐压能力。
实施例4
（1）制备烷基硅烷聚合物悬浮液：将8 g十六烷基三甲氧基硅烷、4gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、5g盐酸（12 mol/L）、1L蒸馏水加入到2 L的烧杯中，在30℃下磁力搅拌8小时，得到均匀的烷基硅烷聚合物悬浮液；
（2）制备氟硅烷聚合物悬浮液：将15g全氟硅基三乙氧基硅烷、8gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、5 g盐酸（12 mol/L）、1L蒸馏水加入到2 L的烧杯中，在25℃下磁力搅拌反应8小时，得到均匀的氟硅烷聚合物悬浮液；
（3）制备无需洗涤剂的高耐压易清洁超疏水织物：将清洗干净的聚酯纤维织物在烷基硅烷聚合物悬浮液中浸泡9分钟，取出，压滤去除多余残液，在170oC下固化4 分钟，然后在氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡10分钟，取出，压滤去除多余残液，在140oC下固化25分钟，
（4）织物性能测试：检测方法和结果同前述基本一致，织物具有良好的自清洁能力和易清性能，具有良好的耐压能力。
实施例5
（1）制备烷基硅烷聚合物悬浮液：将4 g十六烷基三甲氧基硅烷、2gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、2.5g盐酸（12 mol/L）、500 mL蒸馏水加入到1 L的烧杯中，在25℃下磁力搅拌2小时，得到均匀的烷基硅烷聚合物悬浮液；
（2）制备氟硅烷聚合物悬浮液：将7.5g全氟硅基三乙氧基硅烷、4gγ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、2.5 g盐酸（12 mol/L）、500mL蒸馏水加入到1 L的烧杯中，在25℃下磁力搅拌反应12小时，得到均匀的氟硅烷聚合物悬浮液；
（3）制备无需洗涤剂的高耐压易清洁超疏水织物：将清洗干净的聚酯纤维织物在烷基硅烷聚合物悬浮液中浸泡9分钟，取出，压滤去除多余残液，在170oC下固化4 分钟，然后在氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡10分钟，取出，压滤去除多余残液，在140oC下固化30分钟，即得高耐压易清洁超疏水织物；
（4）织物性能测试：检测方法和结果同前述基本一致，织物具有良好的自清洁能力和易清性能，具有良好的耐压能力。

Claims (9)

1.一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）烷基硅烷聚合物悬浮液的制备：以水为溶剂，无机酸为催化剂，烷基硅烷与硅烷偶联剂在室温下水解缩合反应1~18小时，得烷基硅烷聚合物悬浮液；
（2）氟硅烷聚合物悬浮液的制备：以水为溶剂，无机酸为催化剂，氟硅烷和硅烷偶联剂在室温下水解缩合反应4~18小时，得氟硅烷聚合物悬浮液；
（3）高耐压易清洁超疏水织物的制备：先将清洗过的织物浸泡于上述所得烷基硅烷悬浮液中5秒~10分钟，取出、压滤去除液体后经固化处理；再在上述氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡5秒~10分钟，压滤去除液体经固化处理，即得高耐压易清洁超疏水织物。
2.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述烷基硅烷采用正辛基三甲氧基硅烷，十六烷基三甲氧基硅烷，十八烷基三甲氧基硅烷，十八烷基三乙氧基硅烷中的一种；硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
3.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，烷基硅烷与硅烷偶联剂的质量比为1:0.04~1:2。
4.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述催化剂为盐酸和醋酸中的至少一种，其浓度为10~12mol/L，其用量为烷基硅烷与硅烷偶联剂总质量的0.01~5倍。
5.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述氟硅烷为全氟辛基三甲氧基硅烷，全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种，硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
6.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，氟硅烷和硅烷偶联剂的质量比为1:0.08~1:4。
7.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述催化剂为盐酸或醋酸中的至少一种，其浓度为10~12mol/L，用量为氟硅烷与硅烷偶联剂总质量的0.01~2.5倍。
8.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，在烷基硅烷悬浮液中浸泡后的固化处理，是在120~180℃下固化处理2~8分钟。
9.如权利要求1所述一种高耐压易清洁超疏水织物的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，在氟硅烷聚合物悬浮液中浸泡后的固化处理，是在120~180℃下固化处理2~30分钟。
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