涤纶织物抗静电剂的制备与性能毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）（ 2013 届）设计（论文）题目 涤纶织物抗静电剂的制备与性能 分 院 材料与化学工程 涤纶织物抗静电剂的制备与性能摘 要：本文采用对苯二甲酸乙二醇酯（DMT）、乙二醇（EG）、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠（SIPM）以及不同分子量聚乙二醇（PEG）,通过本体聚合成一系列不同分子量的亲水性聚醚酯，用于涤纶织物的表面处理。首先确定合适的反应条件。然后考察PEG分子量和含量、结构中引入SIPM、涤纶织物的浸渍时间及聚醚酯浓度对抗静电性能的影响，用红外光谱、DSC对其表征；合适的合成工艺：酯交换温度180-190；缩聚温度为210-230左右，催化剂为三氧化二锑，真空度756mmHg左右。实验结果表明，聚醚酯的抗静电性能随着PEG分子量的升高而下降，用分子量为2000的PEG，含量为70%，合成的聚醚酯是一种综合性能较好的抗静电剂。结构中引入SIPM能有效提高抗静电性。合适的后处理工艺条件：聚醚酯浓度为0.2%，浸渍时间为10min，烘焙温度为160。关键词：表面处理；抗静电性；聚醚酯；红外光谱Preparation and performance of terylene antistatic agentAbstract: In this paper, a series of different molecular weight hydrophilic polyether-ester based on dimethyl terephthalate (DMT),ethylene alcohol (EG),sodium dimethyl m-phthalate(SIPM) and various molecular weight polyethylene glycol(PEG) were prepared by polycondensation reaction.They were used as antistatic agent for terylene.First,polymerization conditions were investigated.Then,the effect of PEG molecular weight and content,bringing the SIPM into the structure, impregnating time and the concentration of polyether-ester on antistatic performance were investigated,These polyether-ester were characterized by IR and DSC.The Suitable polymerization conditions was determined as follow: transesterification was carried out within 180-190; polycondensation was carried out within 210-230 with catalyst Sb2O3,vacuity was about 756mmHg.It was found that with the molecular weight of PEG increased,the antistatic performance decreased,the polyether-ester which based on PEG 2000 with the content of 70% was a good kind of antistatic agent. Bringing SIPM into the structure can raise antistatic performance clearly. Suitable conditions of after-treatment: the concentration of polyether-ester was 0.2%, impregnating time was 10min, baking temperature was 160.Key words: surface treatment; Antistatic performance; polyester ester;IR目 录1.引言12.实验部分32.1 实验原料32.2 实验装置32.3 实验原理42.4 实验工艺52.5共聚物性能测试52.5.1湿润时间的测定52.5.2 抗静电性能测试53.结果与讨论63.1 PEG分子量与用量对聚醚酯抗静电性的影响63.2聚醚酯结构中引入SIPM对抗静电性的影响63.3浸渍时间对抗静电性能的影响73.4聚醚酯浓度对抗静电性能的影响83.5烘焙温度对抗静电性的影响83.6聚醚酯结构分析93.6.1红外光谱分析93.6.2示差量热扫描仪DSC94.结论11参考文献11致谢13涤纶织物抗静电剂的制备与性能1.引言高绝缘是聚合物的主要特点之一，但这特点也带来了静电危害。因此高分子材料的抗静电效果在当今社会引起广泛关注。一些低分子量组成的抗静电剂表面活性剂主要用于降低聚合物的电阻率。然而表面活性剂的抗静电效果的存在主要是由平衡水分吸附在表面活性剂。此外，由于来回摩擦和洗涤，会造成表面活性剂的流失，导致了抗静电效果消失1-2。因此，在最近一年两亲嵌段共聚物也应用于抗静电剂，以克服传统的抗静电剂的缺点。大分子抗静电剂对湿度依赖减少，而且很难转移。因此，他们有持续的抗静电能力3。聚酯纤维（PET）俗称涤纶，具有强度高、耐磨性好、回弹性佳，成本低等许多天然纤维无法比拟的优良性能特点，因此涤纶在纺织品中占有相当大的比重。但是涤纶纤维属于疏水性纤维，具有很低的回潮率，涤纶织物的吸湿性差，穿着舒适性不好，易产生静电，表现出较强的易带静电性、易吸污性、手感差、污渍难洗除性等缺点，给服装加工和穿着服用带来了许多不便，从而使涤纶纤维织物的消费量和消费水平受到限制为此需要对织物进行整理，以改善其抗静电性能。4。目前，消除涤纶静电的方法主要有两种：一是表面处理，即在纤维极其织物表面涂复抗静电剂；二是基础改性，即添加抗静电剂在聚酯内部以赋予其抗静电性能5。传统的抗静电整理是在纤维或织物表面进行的，利用表面活性剂在纤维表面形成一层薄膜，减低纤维的摩擦系数，减少静电的产生；同时增强纤维的表面吸湿性，减低纤维表面的比电阻，使已经产生的静电易于逸散，缩短电荷的半衰期，从而达到抗静电的作用6。涤纶织物抗静电整理大多通过减少或防止静电产生和导去积累的电荷来实现。根据抗静电效力的时间长短划分为非耐久性和耐久性抗静电整理。非耐久性抗静电整理主要采用表面活性剂对织物进行处理，使纤维表面亲水性加强。当空气的相对湿度提高时,纤维表面形成水的吸附层，比电阻降低7。一般用于合成纤维的纺丝、纺纱、织造。非耐久性（暂时性）抗静电剂主要有阴离子型表面活性剂：烷基磷酸酯类化合物用于涤纶纤维纺丝油剂，无论对长丝或短纤维，都具有良好的抗静电性。抗静电剂P就是烷基磷酸酯和二乙醇胺的缩合物。阳离子型表面活性剂：该类抗静电剂一般是季铵盐类，活性离子带有正电荷，对纤维的吸附能力较强，具有优良的柔软性、平滑性、抗静电性及一定的耐洗性。在较低的相对湿度下，季铵盐抗静电剂就是具有相对较高的保水能力，因此抗静电效果很好。例如国产抗静电剂TM和十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐（抗静电剂SN）。两性表面活性剂：甜菜碱羧酸型和磺酸型两性活性剂的吸附性能强、摩擦系数低、抗静电性能强、耐热性能较好。如-吡咯烷酮-5羧酸钠的吸湿性很强，当相对湿度为58%时，其吸湿率为61%。用他处理的涤纶织物给人柔软舒适的感觉8。以上所举的表面活性剂的抗静电性能，从全面性能来考虑，以阳离子和两性表面活性剂的性能最好。此外，还有混合型、有机硅、有机氟、硅氟表面活性剂以及高分子类抗静电剂可用于涤纶织物的抗静电整理。抗静电剂按其应用时效分非耐久性的和耐久性的，前者主要用于配制化纤纺织油剂、化纤织物织造加工助剂或配制家用化学品；后者主要用于纺织品整理，仿真丝整理也主要用于后者。耐久性（永久性）抗静电整理是近20年发展起来的整理加工方法。所谓耐久性抗静电整理是指洗涤多次后抗静电效力还不减低的处理。耐久性抗静电剂是指能在纤维表面生成具有耐久性抗静电效果的薄膜，或分子结构中含有活性基团，能和纤维的官能团发生反应而与纤维键合，或能与合成纤维的纺丝原液混合进行纺丝，使纺出的纤维本身具有耐久性抗静电性能9。耐久性抗静电剂采用的多是含有离子型和吸湿性基团的高分子化合物或者通过交联作用在纤维表面形成不溶性聚合物的导电层。这类抗静电整理几乎都属于树脂整理。耐久性（永久性）抗静电剂主要有：阴离子耐久性抗静电剂：阴离子耐久性抗静电剂多为羧酸类、酯类、碳酸类、磷酸类等。如以聚丙烯酸处理纤维，加热至100后，再用阳离子型表面活性剂（如十八烷基三甲基或十八烷基二甲基季铵盐）处理可获得抗静电效果。还有一部分具有磺酸基聚乙烯及其共聚物，可用其可控性盐溶液处理织物，再用阳离子表面活性剂处理。此类不溶性高聚物具有较好的抗静电性能，且耐洗牢度也好。阳离子耐久性抗静电剂：属于这类耐久性抗静电剂最多。主要类别有丙烯酸酯类衍生物、丙烯酰胺衍生物、乙烯醚衍生物、含氨乙稀衍生物、聚胺树脂等10。非离子耐久性抗静电剂：此类抗静电剂是由丙烯酸的聚乙二醇酯，经热处理后失去其水溶性，成为耐久性抗静电剂。属于这类的还有聚乙二醇与甲基丙烯酸及环氧丙烷化合物、聚氧乙稀与苯乙烯共聚物（以二异氰酸为交联剂）等。 聚醚酯型整理剂是一种具有耐洗性的涤纶用抗静电剂,国内外曾有研究人员对此进行过研究,但多数集中于将聚醚醋与涤纶纺丝液共混来制取。抗静电纤维将聚醚酯作为外用抗静电整理剂的研究则相对较少,整理剂施加法是通过将抗静电剂涂覆到织物上,以获得抗静电效果的整理方法,由于这种方法操作简便,且对整理剂的要求不高,是目前主要的整理方法11。采用抗静电整理剂，通过浸轧、浸渍等后整理方法获得抗静电效果的整理技术，应用于织物整理还存在不少问题。主要是效果不能持久，耐水洗牢度不高。虽然抗静电效果和耐久性尚不尽如人意，但比从聚合开始的化学改性和从纺丝开始的共混改性的方式具有简单、灵活等优点。目前，研究耐久性抗静电剂，或兼具其他性能的抗静电整理剂是最为重要的一项课题。对于永久性抗静电整理技术，虽然满足了抗静电性能的要求，但是其价格昂贵，添加量比较大，一般都要10%以上，故严重阻碍了永久性抗静电剂的推广。所以对于永久性抗静电剂研究的重点仍然在于成本的降低及加工条件的选择和完善12。聚醚酯型整理剂是一种具有耐洗性的涤纶用抗静电剂，国内外曾有研究人员对此进行过研究，但多数集中于将聚醚酯与涤纶纺丝液共混来制取抗静电纤维3 ，而将聚醚酯作为外用抗静电整理剂的研究则相对较少。整理剂施加法是通过将抗静电剂涂覆到织物上，以获得抗静电剂效果的整理方法，由于这种方法操作简便，且对整理剂的合成要求不高，是目前主要的整理方法，聚醚酯型抗静电剂（PEE），讨论了原料及其配比、温度、时间及真空度等因数对合成PEE的影响，得出较优的合成工艺条件13。2.实验部分2.1 实验原料表2-1 实验原料试剂名称级别来源对苯二甲酸二甲酯(DMT)化学纯中国医药集团上海化学试剂公司聚乙二醇(PEG)1000，1500，2000，3000，4000化学纯中国医药集团上海化学试剂公司乙二醇(EG)分析纯江苏鸿生化工间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠(SIPM)分析纯中国医药集团上海化学试剂公司三氧化二锑化学纯中国医药集团上海化学试剂公司钛酸正四丁酯分析纯中国医药集团上海化学试剂公司表2-2 合成的聚醚酯聚醚酯组成ADMT+EG/PEG1000BDMT+EG/PEG1500CDMT+EG/PEG2000DDMT+EG/PEG3000EDMT+EG/PEG4000FSIPM+DMT+EG/PEG1000GSIPM+DMT+EG/PEG1500HSIPM+DMT+EG/PEG2000ISIPM+DMT+EG/PEG3000JSIPM+DMT+EG/PEG40002.2 实验装置实验装置分两个部分：蒸馏装置和真空装置。 1加热套2 四口烧瓶 3 电动搅拌器 4 温度计5 蒸馏头 6直型冷凝管 7真空接引管 8 圆底接收瓶 9 真空缓冲瓶 10 真空油泵图2-1 聚醚酯合成实验装置2.3 实验原理以对苯二甲酸二甲酯(DMT)、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠(SIPM)、乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)等原料，通过调节软段（聚乙二醇等）、硬段（对苯二甲酸二甲酯+小分子二元醇链节）的组成和比例，调整共聚物嵌段长度和序列分布以及变化共聚物的分子量合成出具有良好抗静电性的阴离子聚醚酯，作为化纤织物的抗静电整理剂，赋予织物柔软、丰满、滑爽的手感，且具有良好抗静电性能。由高纯度的DMT与EG进行酯交换生成BHET，随后与PEG共聚成聚醚酯共聚物，缩聚反应如下：对苯二甲酸二甲酯与乙二醇的反应： 间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠与乙二醇的反应： 对苯二甲酸二乙酯与聚乙二醇的反应： 间苯二甲酸二乙酯-5-磺酸钠与聚乙二醇的反应：2.4 实验工艺聚酯-聚醚多嵌段共聚物的反应合成，通常由对苯二甲酸二甲酯(DMT)、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠(SIPM)和乙二醇(EG)与聚乙二醇(PEG)以及适量的催化剂进行反应而制得，其合成工艺主要分为酯交换和共缩聚反应两部分，合成途径如下：(1)酯交换：对苯二甲酸二甲酯(DMT)、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠(SIPM)与乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)以及酯交换催化剂共热温度为180-190，在熔融状态下，进行酯交换反应，生成对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)和对苯二甲酸聚乙二醇酯（极少量）。(2)缩聚：加入缩聚催化剂后将上述反应体系加热至220240，抽真空（真空度为760mmHg）下进行缩聚反应，生成聚酯聚醚多嵌段共聚物。2.5共聚物性能测试红外光谱(IR)：IR-200傅里叶红外分光光度计，溴化钾晶体涂片，全扫描。差示扫描量热(DSC)：美国TA Q200 差示扫描量热计，-70160，20/min，高纯N2，50mL/ min，铝样品池。 2.5.1湿润时间的测定用胶头滴管吸取蒸馏水，滴一滴到自然平放的涤纶布面上，开始用秒表计时，当水滴在布面上完全展开时，停止计时，所测时间即为润湿时间t/s。2.5.2 抗静电性能测试用浓度为0.2%聚醚酯溶液浸泡涤纶布，静置10分钟，然后在120的烘箱里烘焙10分钟，取出冷却，与大气湿度平衡1小时，用YG(B)342D型织物感应式静电测定仪（温州大荣纺织仪器有限公司）在温度为15，相对湿度为35%的条件下测静电半衰期(织物所带静电压衰减为一半所需要的时间，单位：s)。电机预运转时间为60s，高压维持时间为30s，放电端子与试样的间距为20mm，静电探头与试样的间距为15mm，高压值为10000V，衰减比率为0.5。3.结果与讨论3.1 PEG分子量与用量对聚醚酯抗静电性的影响根据表3-1所示，本实验所用PEG的分子量与半衰期、润湿时间之间的关系，随着分子量的增加，静电电压、静电半衰期和润湿时间逐渐增大，这是由于随着分子量的增加，PEG的结晶性能升高，使得亲水性的降低，导致抗静电性能也降低。经过实验表明PEG质量百分比低于50%时，所得的聚醚酯无法溶于水中10，无法处理涤纶布块以测试抗静电性能，从60%开始可以在水溶液中溶解，随着PEG质量百分比的增加，静电电压、静电半衰期和湿润时间明显减小，因为PEG是亲水单体，加的量越多，所合成的聚醚酯中亲水部分越多，亲水性能越好，抗静电性能也越好。由下表还可以看出，用PEG1000，且质量百分比为90%时，抗静电性能最佳，润湿时间也是最短的。表3-1 PEG分子量与用量对抗静电性能的影响PEG分子量静电电压(V)/静电半衰期（s)/润湿时间(s)PEG质量百分比(%)6070809010001375/1.63/1.461215/1.58/1.341087/1.23/1.09979/0.79/0.4515001582/2.81/2.361391/2.19/1.581213/1.66/1.261109/1.55/1.0120001799/3.30/2.701501/2.54/1.961298/2.19/1.701190/1.68/1.2230001961/3.69/3.311863/3.25/2.801579/2.90/2.511415/2.25/1.8940002291/5.62/4.772007/5.42/5.021764/5.18/4.681624/3.91/2.97注：气温为15，相对湿度为35%。聚醚酯浓度为0.2%，浸渍时间为10分钟，烘焙温度为140，烘焙时间为10min。3.2聚醚酯结构中引入SIPM对抗静电性的影响因为间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠（SIPM）是一种离子化合物，嵌入到聚醚酯中，有利于提高聚醚酯的亲水性，同样也提高了抗静电性16。所以将原料中的部分DMT替换为SIPM，使得结构中引入SIPM，用所得产物处理涤纶织物，进行抗静电性能测试，结果列于表3-2中，当间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠的质量增加时，无论以哪种分子量PEG所制得的产品，静电电压和静电半衰期的数值有明显的减小，即抗静电性能有明显的增加，尤其是PEG3000与PEG4000等抗静电性增加更加明显，因为间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠是离子化合物，引入聚醚酯结构中后，有利于提高聚醚酯的亲水性能7，亲水性提高了，意味着抗静电性能的提高。但经实验发现，虽然提高了亲水性，但是耐洗性有所下降，又考虑到间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠的成本比较贵，所以一般我们选取间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠的质量不大于5g。表3-2 结构中引入SIPM对抗静电性的影响PEG分子量静电电压(V)/静电半衰期（s）无 SIPM2g SIPM5g SIPM8g SIPM10001227/1.581098/1.39873/1.10627/0.9815001379/2.191118/1.83998/1.58781/1.0420001501/2.541298/2.091099/1.76898/1.2930001879/3.251529/2.891299/2.541029/1.9740002010/5.421798/4.981468/4.521230/3.59注：气温15，相对湿度35%，聚醚酯浓度为0.2%，浸渍时间为10分钟，烘焙温度为140，烘焙时间为10min3.3浸渍时间对抗静电性能的影响在印染企业的织物后整理工艺中，都比较关心整理剂对织物的渗透时间。在其他条件相同的情况下，改变对涤纶织物浸渍时间，进行对比实验考察渗透速度，结果见3-1，随着浸渍时间的增加，静电半衰期和静电电压都有明显的减少，说明涤纶布块的抗静电性能有所提升，从2分钟到10分钟，静电半衰期和静电电压明显减少，但是从10分钟到16分钟，这两项变化幅度很小，几乎不变，因为浸渍一定时间之后，布块已经吸附溶液中的聚醚酯到饱和状态，所以静电半衰期与静电电压变化幅度不大或没明显变化，所以浸渍时间一般选用10分钟。 图3-1织物在不同浸渍时间下的抗静电效果注：气温15，相对湿度35%，PEG分子量为2000，聚醚酯浓度为为0.2%，烘焙温度为140，烘焙时间为10min。3.4聚醚酯浓度对抗静电性能的影响 工作液浓度同样是一个在印染企业的织物后处理工艺中比较重要的一项指标。在其他条件相同的情况下，改变聚醚酯浓度，进行对比实验，实验结果见图3-2，从图中可以发现，随着聚醚酯浓度的升高，静电半衰期有明显的减小，即抗静电性能有明显提高，这是因为由于聚醚酯浓度的上升，使得涤纶布块表面亲水性聚醚链段分子增加14。但是，当聚醚酯浓度大于0.2%以上时，涤纶织物的抗静电效果提升不明显，因此，聚醚酯浓度选择0.2%较为合适。图3-2织物在不同聚醚酯浓度下的抗静电效果注：气温15，相对湿度35%，PEG分子量为2000，浸渍时间为10min，烘焙温度为140，烘焙时间为10min。3.5烘焙温度对抗静电性的影响本文通过改变织物的烘焙温度，考察抗静电性能的变化，结果见图3-3，由图可发现温度从120-160，静电半衰期有明显的减少，说明抗静电性能有明显提升。但从180开始，静电半衰期又大幅度提升，即抗静电性能大幅度下降。因为在合成该抗静电剂时所添加的催化剂会有部分残留在上面，未反应完，随着温度的升高，会促使部分抗静电剂的分解，从而减少了涤纶织物表面的聚醚亲水链段，使得亲水性下降，即抗静电性能下降。所以，我们该选用的烘焙温度为160。图3-3织物在不同烘焙温度下的抗静电效果注：气温15，相对湿度35%，PEG分子量为2000，聚醚酯浓度为0.2%，浸渍时间为10min。3.6聚醚酯结构分析3.6.1红外光谱分析从样品图图3-4、图3-5的FT-IR图谱上可以看出，样品1和样品2基本上属于同一结构的聚合物。被测样品在2882-2884cm-1的宽峰代表聚酯中亚甲基的振动吸收峰，也是聚醚中亚甲基的特征吸收峰，1724cm-1处的强峰应为羰基(C=O)的振动吸收峰，1270cm-1处的强峰归属于酯基 (C=O)的骨架振动吸收峰，730 cm-1处的强峰应为芳环聚酯中亚甲基的摇摆振动吸收峰，14001600 cm-1处的弱峰为苯环的特征吸收谱带，因此，可以初步判断该样品为带苯环的聚醚型聚酯；而1107cm-1频率处峰代表醚键(COC)的特征吸收峰。综上所述，从样品的红外谱图看，可以判断该样品为含苯环的聚醚型聚酯14。图3-4 PEG分子量为1000质量分数为70%的聚醚酯红外光谱图3-5 PEG分子量为2000质量分数为70%的聚醚酯红外光谱3.6.2示差量热扫描仪DSC（）图3-6 不同PEG分子量及质量分数的聚醚酯DSC注：1：PEG分子量为1000质量分数为70%的聚醚酯。 2：PEG分子量为2000质量分数为70%的聚醚酯。上图分别为样品1和样品2的DSC图，实线为样品1所得曲线，由曲线可得Tg大概为29.35，大约在45.39时有一个熔融峰。虚线为样品2所得曲线，由曲线可得Tg大概为22.56，大约在43.68时有一个熔融峰。同时可以从熔融峰面积（两种样品质量相同）可以看出结晶性能的高低，即PEG分子量为2000的聚醚酯结晶性比PEG分子量为1000的聚醚酯要好。4.结论本实验得出以下结论：1.PEG在原料中的质量分数越高，所得的产物抗静电性能就越好， PEG分子量越低，抗静电性能越好。2.聚醚酯结构中引入间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠，可以提升聚醚酯的抗静电性，但是耐洗性会降低。3.比较合适的后整理工艺：聚醚酯浓度为0.2%，涤纶织物浸渍为10min，烘焙温度为160参考文献1E.S.Abdel-Halim,F.A.Abdel-Mohdy,SalemS.Al-Deyab,Mohamed,H.El-Newehy.Chitosan and monochlorotriazinyl-cyclodextrin finishes improve antistatic properties of cotton/ployester blend and ployester fabrics.Carbohydrate Polymers 2010,82,202-208.2Chantelle M.Beal,Lynne A.Olson,and Manfred Wentz. 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