CN115538169B - 一种耐久超疏水棉织物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功能纺织品技术领域，尤其是一种耐久超疏水棉织物及其制备方法，是以多巴胺、正硅酸四乙酯、含氨基硅氧烷以及长碳链硅氧烷为主要原料，采用连续喷涂法处理棉织物，再经短时间高温处理，获得的表面微观形貌为浓密的微球形颗粒涂层的耐久超疏水棉织物，其无需使用含氟化合物或溶剂，具备优异的耐水洗、耐摩擦和耐酸碱稳定性。该方法不产生任何废水，极大提高了超疏水整理剂的利用效率，无需长时间高温烘干过程，方法操作简单。

Description

一种耐久超疏水棉织物及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能纺织品技术领域，尤其是一种耐久超疏水棉织物及其制备方法。
背景技术
超疏水是指表面上水的表观接触角大于150°的一种特殊表面现象。当材料表面对水接触角超过150°时，就获得了超疏水性能。此时，水滴在材料表面很容易滚动，表现出“荷叶效应”；污垢灰尘则很容易清理表现出自清洁能力，此类材料的制备及表面性能研究在工业和学术上都获得了广泛的关注，应用领域则集中在防污纺织面料、自清洁涂层和油水分离膜等。自然界中的例子有荷叶等许多植物叶表面、动物羽毛、水黾腿、蝴蝶翅膀等昆虫表面，水滴在这些表面上可以自由滚动，并将附着表面的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。若这种具有自清洁性的材料应用在日常生活和工业生产中，其意义将是非常重大的。
织物整理是赋予织物以特殊性能的化学和物理加工过程，按照功能分类可分为：阻燃、拒水拒油(即疏水疏油)、抗紫外、抗菌防臭、耐久压烫、加香整理等。织物的超疏水整理即利用疏水物质蜡、有机硅、有机氟化合物处理织物，降低其表面能，赋予其超疏水的性质。织物通过超疏水处理，可以改变其固有性能，实现防水、自清洁、防污等性能。低表面能材料结合微纳米粗糙结构是构建超疏水表面的有效途径。然而，众所周知，粗糙结构很容易遭到外力破坏，从而使表面失去超疏水性能。因此，对超疏水表面及其应用来说，机械稳定性是非常重要的，对于经常需要洗涤的织物来说，更是如此。
正是由于超疏水表面的机械稳定性较差这个缺点，许多研究者都在尝试突破这一局限，采用化学沉积法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法、光滑液体注入法等方法制备牢固的超疏水表面。在授权公告号为CN208303103U、授权公告日为2019.01.01的实用新型专利中公开了一种超疏水纳米涂层喷涂系统，但该系统制备形成的超疏水涂层的牢固程度在专利中并没有公开说明。近年来，商用胶粘剂用于改善超疏水表面的机械稳定性，引起了大量研究者的广泛关注。Lu等人首先提出用商用胶粘剂制备具有很强机械稳定性的超疏水表面[Science,2015,347,1132-1135]。这种方法为制备具有强机械稳定性的超疏水表面提供了一种新的思路。
据统计，目前用作纺织品拒水、拒油和防污后整理的纺织助剂，绝大部分属于含氟聚丙烯酸酯乳液，系以含氟丙烯酸酯为单体，通过自由基乳液聚合制得。由于采用了传统的经典乳液聚合，具有制备工艺简便、原材料易得，工艺性能稳定等优势。目前国内三防整理剂主要由日本大金和美国3M公司所生产，这类整理剂在处理织物过程中，一般可通过浸轧高温焙烘在纤维表面形成拒水防护膜。对于所形成防护膜的表面形貌结构研究众多，不外乎为形成了完整、光滑的保护层。因此，这类助剂提供防水功能主要决定于防护膜层的化学结构，只有防护层中氟烷基足够多、氟烷基链足够长，才能起到良好的拒水拒油效果。
除了材料的化学组成成份，其表面微观形貌对其润湿性能的影响同样重要。众所周知，材料表面的化学组成为拒水功能提供本质条件，其表面微观形貌有助于由疏水表面转变为拒水、甚至是超疏水表面。
在许多领域中，材料表面的润湿性能对其应用有着重要的影响。而材料的组成成份和表面微观形貌又是影响其润湿性能的两个主要因素。
表面具有微纳结构的材料，有着很高的粗糙度，后者对材料表面润湿性能又会产生重要的影响。目前，许多研究已经通过制备具有微纳结构的材料来获得超疏水表面。聚合物或者无机材料球形颗粒涂层是获得表面粗糙度的常用方法；然而，仅仅表面粗糙尚不足以获得超疏水性能，还需要采用含氟材料等涂覆以进一步降低表面自由能。综合粗糙表面与低表面能方可获得超疏水性能。但是，该方法使用氟试剂，它的价格较为昂贵，对人类和环境有害。
棉织物具有柔软、舒适、透气性好等特点，是使用最为广泛的天然纤维面料，深受消费者的喜爱。但是由于棉纤维表面大量羟基的存在，导致棉织物亲水性较强，易被水性污渍沾污，容易滋生细菌等微生物，从而使棉织物的应用受到极大的限制。由于纺织品在使用过程中通常要经历反复的水洗、摩擦等物理作用，其耐久性受到很大挑战，导致超疏水性能下降或丧失，限制其应用。一般来说，超疏水表面耐磨性差的主要原因是超疏水表面与基材间的附着力差，易从基材表面脱落。目前，工业生产中多采用浸轧-焙烘的方法对棉织物进行疏水整理，但该方法整理织物耐久性无法满足要求，且易造成织物手感、透气性下降，影响织物服用性能。另外，浸轧处理过程疏水整理剂利用率较低，部分整理剂遗留在水中，导致废水的产生，后续烘干除水过程又会导致能耗升高，造成整体生产成本升高，因此选择经济高效的耐久疏水整理方法非常重要。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，提供了一种耐久超疏水棉织物及其制备方法，其无需使用含氟化合物或溶剂，具备优异的耐水洗、耐摩擦和耐酸碱稳定性。该方法不产生任何废水，极大提高了超疏水整理剂的利用效率，无需长时间高温烘干过程，方法操作简单。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，一种耐久超疏水棉织物，是以多巴胺、正硅酸四乙酯、含氨基硅氧烷以及长碳链硅氧烷为主要原料，采用连续喷涂法处理棉织物，再经短时间高温处理，获得的表面微观形貌为浓密的微球形颗粒涂层的耐久超疏水棉织物。
上述的耐久超疏水棉织物，所述微球形颗粒涂层的厚度为500nm-2um。
上述的耐久超疏水棉织物，其水接触角可达157°以上，其经过40次洗涤处理后，水接触角不低于150°，其经过2000次摩擦后，水接触角不低于150°，其在强酸、碱条件下，水接触角不低于150°。
上述的耐久超疏水棉织物，所述的棉织物为棉针织物或棉机织物。
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将棉织物进行洗净处理，去除棉织物表面杂质；
(2)、配制浓度为2-10g/L的盐酸多巴胺溶液，记为溶液A，30-70mmol/L的Tris缓冲液，记为溶液B；
(3)将2-8mL A溶液和2-8mL B溶液分别依次使用喷涂装置喷涂于步骤(1)所得棉织物表面，在室温下自然放置20-40分钟，上述过程循环多次；
(4)配制83mL乙醇、6mL氨水、3mL蒸馏水混合溶液，加入10-20mL正硅酸四乙酯和0.4-1.5mL含氨基硅氧烷，得到溶液C；
(5)将2-8mL溶液C喷涂于步骤(3)所得棉织物，然后将2-8mL溶液A和2-8mL B溶液分别喷涂于棉织物，25-60℃保温0.5-1小时；
(6)将溶液C静置1小时后，取2-8mL喷涂于步骤(5)所得棉织物，然后将2-8mL溶液A和2-8mL B溶液分别喷涂于棉织物，25-60℃保温0.5-1小时；
(7)将溶液C静置2小时后，取2-8mL喷涂于步骤(6)所得棉织物，然后将2-8mL溶液A和2-8mL B溶液分别喷涂于棉织物，25-60℃保温2-4小时；
(8)将质量分数为5-15％的长碳链硅氧烷乙醇溶液喷涂于步骤(7)所得棉织物，80-120℃下焙烘10-30分钟，然后室温放置6-12小时。
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，所述步骤(4)中，所述含氨基硅氧烷为3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种复配。
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，所述步骤(8)中，所述长碳链硅氧烷为六甲基二硅氮烷、正辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、正十八烷基三乙氧基硅烷中的一种或多种复配。
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，所述步骤(3)中，上述过程循环6-8次。
本发明一种耐久超疏水棉织物及其制备方法的有益效果为：以多巴胺、正硅酸四乙酯、含氨基硅氧烷以及长碳链硅氧烷为主要原料，采用连续喷涂法处理棉织物，再经短时间高温处理，即可获得超疏水棉织物，不含有毒及昂贵的氟化合物或溶剂，水接触角可达152°以上，具备优异的耐水洗、耐摩擦和耐酸碱稳定性。该方法不产生任何废水，极大提高了超疏水整理剂的利用效率，无需长时间高温烘干过程，方法操作简单，适于大规模的应用推广。
通过添加Tris缓冲液，使盐酸多巴胺溶液在棉织物基体上形成聚多巴胺修饰层，添加正硅酸四乙酯，在聚多巴胺修饰层上形成牢固的纳米微球结构层，提高粗糙度，含氨基硅氧烷与聚多巴胺修饰层反应进一步提高纳米微球结构层牢固度，添加长碳链硅氧烷进一步对粗糙面进行修饰，降低表面能，形成超疏水结构。
通过溶液C不同时间的静置结合连续喷涂，形成的微球形颗粒的尺寸不一致，形成由大小不一的微球形颗粒组成的粗糙面，提高了粗糙度的同时，也提高微球形颗粒涂层的牢固度以及微球形颗粒之间的牢固度。
附图说明
图1为耐久超疏水棉织物的扫描电镜图(a)低倍，(b)高倍；
图2为静态水接触角测试图；
图3为耐久超疏水棉织物的耐水洗性测试图；
图4为耐久超疏水棉织物的耐摩擦测试图；
图5为耐久超疏水棉织物的耐酸碱稳定性测试图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1
一种耐久超疏水棉织物，是以多巴胺、正硅酸四乙酯、含氨基硅氧烷以及长碳链硅氧烷为主要原料，采用连续喷涂法处理棉织物，再经短时间高温处理，获得的表面微观形貌为浓密的微球形颗粒涂层的耐久超疏水棉织物。
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将棉织物进行洗净处理，去除棉织物表面杂质；
(2)、配制浓度为2g/L的盐酸多巴胺溶液，记为溶液A，30mmol/L的Tris缓冲液，记为溶液B；
(3)将2mL A溶液和2mL B溶液分别依次使用喷涂装置喷涂于步骤(1)所得棉织物表面，在室温下自然放置20分钟，上述过程循环六次；
(4)配制83mL乙醇、6mL氨水、3mL蒸馏水混合溶液，加入10mL正硅酸四乙酯和0.4mL含氨基硅氧烷，得到溶液C；
(5)将2mL溶液C喷涂于步骤(3)所得棉织物，然后将2mL溶液A和2mL B溶液分别喷涂于棉织物，25℃保温0.5小时；
(6)将溶液C静置1小时后，取2mL喷涂于步骤(5)所得棉织物，然后将2mL溶液A和2mL B溶液分别喷涂于棉织物，25℃保温0.5小时；
(7)将溶液C静置2小时后，取2mL喷涂于步骤(6)所得棉织物，然后将2mL溶液A和2mL B溶液分别喷涂于棉织物，25℃保温2小时；
(8)将质量分数为5％的长碳链硅氧烷乙醇溶液喷涂于步骤(7)所得棉织物，80℃下焙烘10分钟，然后室温放置6小时。
所述步骤(4)中，所述含氨基硅氧烷为3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种复配。
所述步骤(8)中，所述长碳链硅氧烷为六甲基二硅氮烷、正辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、正十八烷基三乙氧基硅烷中的一种或多种复配。
实施例2
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，其不同之处在于：
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将棉织物进行洗净处理，去除棉织物表面杂质；
(2)、配制浓度为8g/L的盐酸多巴胺溶液，记为溶液A，50mmol/L的Tris缓冲液，记为溶液B；
(3)将6mL A溶液和6mL B溶液分别依次使用喷涂装置喷涂于步骤(1)所得棉织物表面，在室温下自然放置30分钟，上述过程循环七次；
(4)配制83mL乙醇、6mL氨水、3mL蒸馏水混合溶液，加入15mL正硅酸四乙酯和0.8mL含氨基硅氧烷，得到溶液C；
(5)将6mL溶液C喷涂于步骤(3)所得棉织物，然后将6mL溶液A和6mL B溶液分别喷涂于棉织物，40℃保温0.8小时；
(6)将溶液C静置1小时后，取6mL喷涂于步骤(5)所得棉织物，然后将6mL溶液A和6mL B溶液分别喷涂于棉织物，40℃保温0.8小时；
(7)将溶液C静置2小时后，取6mL喷涂于步骤(6)所得棉织物，然后将6mL溶液A和6mL B溶液分别喷涂于棉织物，40℃保温3小时；
(8)将质量分数为10％的长碳链硅氧烷乙醇溶液喷涂于步骤(7)所得棉织物，100℃下焙烘20分钟，然后室温放置8小时。
实施例3
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，其不同之处在于：
上述的耐久超疏水棉织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将棉织物进行洗净处理，去除棉织物表面杂质；
(2)、配制浓度为10g/L的盐酸多巴胺溶液，记为溶液A，70mmol/L的Tris缓冲液，记为溶液B；
(3)将8mL A溶液和8mL B溶液分别依次使用喷涂装置喷涂于步骤(1)所得棉织物表面，在室温下自然放置40分钟，上述过程循环八次；
(4)配制83mL乙醇、6mL氨水、3mL蒸馏水混合溶液，加入20mL正硅酸四乙酯和1.5mL含氨基硅氧烷，得到溶液C；
(5)将8mL溶液C喷涂于步骤(3)所得棉织物，然后将8mL溶液A和8mL B溶液分别喷涂于棉织物，60℃保温1小时；
(6)将溶液C静置1小时后，取8mL喷涂于步骤(5)所得棉织物，然后将8mL溶液A和8mL B溶液分别喷涂于棉织物，60℃保温1小时；
(7)将溶液C静置2小时后，取8mL喷涂于步骤(6)所得棉织物，然后将8mL溶液A和8mL B溶液分别喷涂于棉织物，60℃保温4小时；
(8)将质量分数为15％的长碳链硅氧烷乙醇溶液喷涂于步骤(7)所得棉织物，120℃下焙烘30分钟，然后室温放置12小时。
通过上述制备方法制备的耐久超疏水棉织物，其水接触角可达157°以上，其经过40次洗涤处理后，水接触角不低于150°，其经过2000次摩擦后，水接触角不低于150°，其在强酸、碱条件下，水接触角不低于150°。具有极强的牢固度。
通过上述制备方法制备的表面微观形貌为浓密的微球形颗粒涂层的耐久超疏水棉织物微球形颗粒涂层的厚度为500nm-2um，具有极强的牢固度的同时，不影响透气性。
所述的棉织物为棉针织物或棉机织物。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种耐久超疏水棉织物的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、将棉织物进行洗净处理，去除棉织物表面杂质；
（2）、配制浓度为2-10 g/L的盐酸多巴胺溶液，记为溶液A，30-70mmol/L的Tris缓冲液，记为溶液B；
（3）将2-8mL A溶液和2-8mL B溶液分别依次使用喷涂装置喷涂于步骤（1）所得棉织物表面，在室温下自然放置20-40分钟，上述过程循环多次；
（4）配制83mL乙醇、6mL氨水、3mL蒸馏水混合溶液，加入10-20mL正硅酸四乙酯和0.4-1.5mL含氨基硅氧烷，得到溶液C；
（5）将2-8mL溶液C喷涂于步骤（3）所得棉织物，然后将2-8mL溶液A和2-8mL B溶液分别喷涂于棉织物，25-60℃保温0.5-1小时；
（6）将溶液C静置1小时后，取2-8mL喷涂于步骤（5）所得棉织物，然后将2-8mL溶液A和2-8mL B溶液分别喷涂于棉织物， 25-60℃保温0.5-1小时；
（7）将溶液C静置2小时后，取2-8mL喷涂于步骤（6）所得棉织物，然后将2-8mL溶液A和2-8mL B溶液分别喷涂于棉织物， 25-60℃保温2-4小时；
（8）将质量分数为5-15%的长碳链硅氧烷乙醇溶液喷涂于步骤（7）所得棉织物，80-120℃下焙烘10-30分钟，然后室温放置6-12小时。
2.根据权利要求1所述的耐久超疏水棉织物的制备方法，其特征是，所述步骤（4）中，所述含氨基硅氧烷为3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种复配。
3.根据权利要求2所述的耐久超疏水棉织物的制备方法，其特征是，所述步骤（8）中，所述长碳链硅氧烷为六甲基二硅氮烷、正辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、正十八烷基三乙氧基硅烷中的一种或多种复配。
4.根据权利要求3所述的耐久超疏水棉织物的制备方法，其特征是，所述步骤（3）中，上述过程循环6-8次。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种耐久超疏水棉织物的制备方法制备的耐久超疏水棉织物，其特征在于：是以多巴胺、正硅酸四乙酯、含氨基硅氧烷以及长碳链硅氧烷为主要原料，采用连续喷涂法处理棉织物，再经短时间高温处理，获得的表面微观形貌为浓密的微球形颗粒涂层的耐久超疏水棉织物。
6.根据权利要求5所述的耐久超疏水棉织物，其特征是，所述微球形颗粒涂层的厚度为500nm-2um。
7.根据权利要求6所述的耐久超疏水棉织物，其特征是，其水接触角可达157°以上，其经过40次洗涤处理后，水接触角不低于150°，其经过2000次摩擦后，水接触角不低于150°，其在强酸、碱条件下，水接触角不低于150°。
8.根据权利要求7所述的耐久超疏水棉织物，其特征是，所述的棉织物为棉针织物或棉机织物。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101463050B1 (ko) * 2013-05-10 2014-11-18 한국과학기술원 초소수성 표면을 포함하는 재료 및 이의 제조 방법
CN108385375A (zh) * 2018-03-20 2018-08-10 华南理工大学 一种超疏水抗菌织物的制备方法
CN114960223A (zh) * 2022-04-07 2022-08-30 苏州大学 一种高机械稳定性以及服用性疏水织物及其制备方法

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