季铵盐阳离子表面活性剂在涤纶碱减量中的应用.pdf

印染（2024 No.2）季铵盐阳离子表面活性剂在涤纶碱减量中的应用陈麟国1，张红娟1，2，裴刘军1，王际平1 1.上海工程技术大学 上海纺织化学清洁生产工程技术研究中心，上海 201620；2.绍兴文理学院 浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江 绍兴 312000摘要：为了降低传统涤纶碱减量中碱剂的用量，采用十二烷基二甲基苄基氯化铵（1227）、十六烷基二甲基苄基氯化铵（1627）、十八烷基二甲基苄基氯化铵（1827）三只季铵盐阳离子表面活性剂作为涤纶织物碱减量促进剂，研究了氢氧化钠和促进剂用量、促进剂分子结构以及保温时间等因素对涤纶织物碱减量的影响，并测试了涤纶织物的减量率，分析比较了碱减量后织物的服用性能与染色性能。结果表明，促进剂疏水链越长，对碱减量促进作用越显著，即促进效果大小为：182716271227。碱减量过程中，促进剂的使用可以改善涤纶织物减量后的亲水性、白度、强度等，且处理后涤纶织物染色K/S值明显高于传统液碱处理的涤纶织物，说明在达到相同碱减量效果的条件下，促进剂1827的使用可以有效降低碱剂的用量。关键词：碱减量；季铵盐阳离子表面活性剂；疏水碳链长度；涤纶织物中图分类号：TS195.523文献标志码：ADOI：10.3969/j.yinran.202402016Application of quaternary ammonium cationic surfactants in polyester alkali deweightingCHEN Linguo1,ZHANG Hongjuan1,2,PEI Liujun1,WANG Jiping1 1.Shanghai Engineering Research Center for Clean Production of Textile Chemistry,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.Key Laboratory of Cleaning Dyeing and Finishing Technology of Zhejiang Province,Shaoxing University,Shaoxing 312000,ChinaAbstract:In order to reduce the amount of alkali agent in the traditional polyester alkali reduction,three quaternary ammonium surfactants,such as dodecyl dimethyl benzyl ammonium chloride(1227),cetyl dimethyl benzylammonium chloride(1627),octadecyl dimethyl benzyl ammonium chloride(1827),are used as alkali reductionpromoters for polyester fabrics.The effects of sodium hydroxide dosage,accelerator dosage,molecular structure of accelerator and holding time on alkali reduction of polyester fabric are studied.The mass loss rate ofpolyester fabric is tested,and the wearability and dyeing property of fabric after alkali deweighting are compared.The results show that the longer the hydrophobic chain of the accelerator,the more significant the promoting effect of alkali reduction,that is,the promoting effect is 182716271227.In the process of alkali reduction,the use of accelerators can improve the hydrophilicity,whiteness,strength and other wear properties ofpolyester fabric,and theK/Svalue of polyester fabric is significantly higher than that of traditional alkali treatedpolyester fabric.Therefore,under the condition of achieving the same alkali reduction effect,the use of accelerator 1827 can effectively reduce the amount of alkali agent.Key words:alkali deweighting;quaternary cationics;hydrophobic carbon chain;polyester fabric近年来，合成纤维的消费量在时尚和相关领域大幅增长，其纤维加工总量约占全世界的65%1-2，且占比还在逐年增加，是生产服装和其他纺织品的主要材料3-5。然而，由于涤纶织物结晶度高、极性基团少，导致其存在吸湿困难、触感差、手感硬等问题6-7。为了改变涤纶表面的形态及性质，解决涤纶服用性能方面存在的问题，前期研究人员分别从以下方面进行了探索：碱减量技术8-9、等离子体改性技术10-11、生物酶处理技术12-13、表面接枝改性处理技术14-15等，但大多数方法存在一定的局限性。碱减量技术会产生大量高pH、高COD值以及可生化性差的废水16，且对织物损伤过大；等离子体改性技术成本高，在大规模生产中的应用较困难；生物酶处理技术中酶的活性会随着时间而衰减，因此需要定期进行酶活性检测和更换，成本较高且反应速度较慢；而表面接枝改性技术处理的涤纶织物由于接枝材料的存在，会使织物的刚度增加，影响手感。从实际应用角度看，通过添加促进剂来减少碱减量工艺中的液碱用量是一种极为有效的方法，在节能减排和环境保护方面具有重要的意义。本文在前人研究的基础上，优化碱处理工艺，研究了氢氧化钠和促进收稿日期：2023-10-27；修回日期：2024-01-20基金项目：国家自然科学基金青年项目（22108169）；上海市青年科技英才扬帆计划（21YF1416000）；浙江省清洁染整技术研究重点实验室开放基金（QJRZ2205）。作者简介：陈麟国（1996），男，硕士研究生，研究方向为纺织品前处理及应用性能。E-mail：。通信作者：张红娟（1990），女，副教授，博士，主要从事染料分子构效关系研究及非水介质染色关键技术开发。E-mail：。6季铵盐阳离子表面活性剂在涤纶碱减量中的应用印染（2024 No.2）剂用量、促进剂分子结构以及保温时间等因素对涤纶织物碱减量的影响；并测试了涤纶织物的减量率，分析比较了碱减量后织物的服用性能与染色性能，解析不同链长的季铵盐阳离子表面活性剂对涤纶减量率的影响规律，以期为新型碱减量促进剂的开发提供参考。1试验部分1.1织物、试剂和仪器织物100%涤纶机织物（140 g/m2，杭州娄凌贸易有限公司）试剂氢氧化钠（分析纯，上海泰坦科技股份有限公司），十二烷基二甲基苄基氯化铵（1227）、十六烷基二甲基苄基氯化铵（1627）、十八烷基二甲基苄基氯化铵（1827）（分析纯，上海麦克林生化科技股份有限公司），C.I.分散红177、C.I.分散蓝148（浙江绿宇纺织科技有限公司），连二亚硫酸钠（分析纯，上海泰坦科技股份有限公司），扩散剂NNO（浙江万丰化工有限公司）仪器DYE-24型可调向式打色机（上海千立自动化设备有限公司），Datacolor 800型测色配色仪（美国Datacolor公司），常速振荡试色机（XDS Motor公司），YG（B）026G 型万能强力机（温州大荣纺织仪器有限公司），YG871 型毛细效应测试仪（宁波纺织仪器厂），ZEN3600型纳米粒径Zeta电位测试仪（英国Malvern公司），pH计（上海泰坦科技股份有限公司），Gemini SEM500型扫描电子显微镜（德国卡尔蔡司公司），DSC 4000型差示扫描量热仪（铂金埃尔默仪器有限公司），TGA5500型热重分析仪（美国沃特世科技有限公司）1.2试验方法1.2.1涤纶织物碱减量工艺工艺处方NaOH/（gL-1）X促进剂/（gL-1）Y浴比1 6将配制好的处理液升温至40 后加入2 g织物，以5.6/min升温至95，保温50 min，以5/min降温至70。水洗15 min，浴比为1 30。水洗结束后，60 烘箱干燥60 min。1.2.2碱减量处理涤纶织物染色工艺染色工艺配制染料质量分数为0.5%（omf），匀染剂质量浓度为2 g/L的染浴，浴比为1 20。室温下投入织物，以 6/min 升温至 80，再以 3/min 升温至140，保温60 min，再以4/min降温至80。取出织物还原清洗。还原清洗配制氢氧化钠质量浓度为2 g/L，保险粉质量浓度为2 g/L的还原清洗液，浴比1 20，85 还原清洗25 min。结束后取出织物，烘干备用。1.3测试方法1.3.1减量率碱减量前后的织物于60 烘箱中烘60 min后快速称重，按照式（1）计算织物减量率。减量率=m0-m1m0100%（1）式中：m0为碱减量前织物质量；m1为碱减量后织物质量。1.3.2断裂强力按照GB/T 3923.12013 纺织品 织物性能拉伸 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）测试。1.3.3白度采用Datacolor 800型测色配色仪测试原样、碱处理织物及促进剂-碱处理织物的白度，测量3次，取平均值。1.3.4织物润湿性按FZ/T 010712008 纺织品 毛细效应试验方法标准，采用毛效测试仪测试。1.3.5Zeta电位将未处理织物、促进剂处理织物拆解为纱线，浸泡在浓度为0.001 mol/L的KCl溶液中，超声处理10 min，并静止放置2 h，取上层清液，使用纳米粒径Zeta电位仪测试纤维表面Zeta电位。1.3.6织物的表观形貌（SEM）先对涤纶纤维进行喷金处理，再使用GeminiSEM500型扫描电子显微镜观察处理前后涤纶纤维的表面形态。扫描电压5.0 kV，分别放大5 000倍和20 000倍。1.3.7染色性能使用Datacolor800型测色配色，采用D65光源，10视角测定染色织物的K/S值，每个布样测定3个点，取平均值。2结果与讨论2.1NaOH用量对涤纶减量率的影响分别设定NaOH质量浓度为5、10、15、20、36 g/L，处理后涤纶减量率的变化趋势如图1所示。H)1D2+CH#Jg/图1NaOH质量浓度对织物减量率的影响Fig.1Effect of NaOH mass concentration on the deweightingrate of polyester fabric7印染（2024 No.2）由图1可以看出，当NaOH质量浓度从10 g/L增加到 15 g/L 时，减量率大幅增加。这可能表示在某个NaOH质量浓度阈值之前，化学反应速率相对较慢，而在该阈值之后，反应开始迅速进行，反应速率急剧增加。当NaOH质量浓度由20 g/L增加到36 g/L，涤纶的减量率由13.55%增加到22.15%，减量率提高了63.46%。2.2促进剂分子结构对涤纶减量率的影响由2.1节可知，当处理液中氢氧化钠质量浓度高达36 g/L 时，减量率才能达到 20%，获得想要的织物风格。因此，使用碱减量促进剂，将碱质量浓度降低至10、15、20 g/L，探究不同疏水链长的促进剂与碱剂协同作用对涤纶减量率的影响，结果见图2。H)FCH#Jg/（a）NaOH浓度为10 g/LH)FCH#Jg/（b）NaOH浓度为15 g/LH)FCH#Jg/（c）NaOH浓度为20 g/L图2NaOH质量浓度和促进剂质量浓度对减量率的影响Fig.2Effect of mass concentration of NaOH and accelerator onthe deweighting rate由图2可以看出，在试验范围内，促进剂对涤纶织物碱减量效率顺序为：182716271227，说明促进剂的疏水链长度与减量率呈正比关系。这可能是由于促进剂结构中疏水链越长，促进剂分子与涤纶的亲和力越好，能越快吸附在涤纶表面，表现为减量率高。综合考虑减量率和纤维强力，后续试验氢氧化钠质量浓度选择15 g/L。同时，三种促进剂质量浓度在1.5 g/L后，减量率变化不再明显。从节省成本及环保减排的角度出发，选择促进剂质量浓度为1.5 g/L。2.3保温时间对涤纶减量率的影响NaOH质量浓度为15 g/L，促进剂质量浓度为1.5 g/L，探究保温时间对涤纶碱减量效果的影响，结果如图3所示。$LPLQJ/1D2+J/1D2+J/J/1D2+J/J/1D2+J/H)图3保温时间对涤纶减量率的影响Fig.3Effect of holding time on deweighting rate of polyester fabric由图3可知，在预处理的10 min内，单独使用碱剂时涤纶织物的减量率仅5.0%左右，添加三种促进剂后均可使减量率提高至15%以上，特别是促进剂1827效果尤为明显。这说明通过添加促进剂可以大幅提高涤纶织物的减量速率，且在相同时间内促进剂的作用效果为：182716271227，这可能与促进剂可以增加OH对织物中酯键的可及性有关。随着保温时间逐渐延长至50 min，涤纶织物的减量率进一步增加。这是因为随时间增加，纤维分子链段运动加剧，纤维间自由体积增加，碱剂进入纤维内部的几率增大，同时温度升高OH离子与纤维酯键的反应活性提高，水解速率增加17。但增加趋势越来越慢，这可能是由于40 min后随着反应的不断进行，处理浴中OH数量不断减少。因此，适当延长保温时间，可使涤纶中酯键的水解反应进行得更加充分。本试验中的最佳保温时间为 4050 min，为了提高碱减量工艺中NaOH的利用率，选择50 min作为最佳保温时间。2.4织物性能2.4.1物理性能选择未经处理的涤纶布样和涤纶碱减量样品进行8季铵盐阳离子表面活性剂在涤纶碱减量中的应用印染（2024 No.2）物理性能测试，结果如表1所示。表1涤纶织物服用性能测试结果Table 1Wear performance of polyester fabric处理条件未处理15 g/L NaOH15 g/L NaOH+1.5 g/L 122715 g/L NaOH+1.5 g/L 162715 g/L NaOH+1.5 g/L 1827毛效/（cm30 min-1）7.412.620.320.822.1白度/%80.3679.6377.7078.5173.41断裂强力/N524464451332309由表2可知：通过碱减量处理的涤纶织物毛效得到提高，且添加三种促进剂进行碱减量处理可以不同程度提高涤纶织物的亲水性；与未处理织物相比，碱减量处理后的织物白度变化不大；在断裂强力方面，由于减量率的提高，添加促进剂进行碱减量处理的涤纶织物强力会有一定的损失。2.4.2织物的Zeta电位为了分析促进剂促进效率的差异，进一步测定了经15 g/L氢氧化钠及添加1.5 g/L促进剂处理后涤纶织物表面的Zeta电位，结果如表2所示。表2不同促进剂处理涤纶织物表面Zeta电位Table 2Zeta potential on the surface of polyester fabric treatedby different accelerators促进剂种类无促进剂122716271827减量率/%10.89021.05024.26329.090Zeta电位/mV-24.70-7.84-4.12-1.84由表2可知，随着促进剂分子中烷基链长度增大，织物表面Zeta电位有明显的上升趋势，这表明促进剂分子与织物的结合能力顺序为182716271227。这主要是由于疏水基的长度越长，对涤纶织物亲和力越高，越容易附着在织物表面。附着的促进剂分子越多，带正电的季铵根离子会使织物表面Zeta电位迅速上升，羟基随之也更容易富集到涤纶纤维表面，这也是1827碱减量促进效果较好的原因。2.4.3织物的表观形貌（SEM测试）不同处理条件下涤纶纤维的SEM图见图4。由图4可以看出：未经处理的涤纶纤维表面较为光滑平整；经碱减量处理的涤纶纤维表面出现凹坑，说明涤纶纤维在碱的刻蚀作用下，发生“剥皮”现象。随着促进剂疏水碳链长度的增加，碱的刻蚀程度依次递增，这与减量率变化规律相符。添加1827处理的织物表面凹坑浅而多，而添加1227处理的涤纶纤维表面凹坑深而少，这说明在碱减量的均匀性方面：182716271227。DEFGHIJKD*#445E J/1D2+J/F J/1D2+J/G J/1D2+J/J J/1D2+J/K J/1D2+J/H*#445I J/1D2+J/图4不同处理条件涤纶织物的SEM表征Fig.4SEM characterization of polyester fabric under differenttreatment conditions2.4.4织物的染色性能涤纶织物染色过程包括染料分子的吸附和扩散，该过程除了与染料结构本身有关外，还与纤维表面形态密切相关18。为了探究碱减量过程中促进剂的使用对涤纶织物后续染色性能的影响，分别选用商品级染料C.I.分散蓝148和分散红177对碱减量前后的涤纶织物进行染色，结果见表3。从表3可知，经过碱减量处理后，涤纶织物的染深性有所提高，促进剂的使用使织物的K/S值进一步提高，且随着促进剂分子中疏水链长度增加，处理织物的K/S值增加越多。原因可能是碱减量后涤纶纤维表面刻蚀，增加了涤纶纤维的亲水性。9印染（2024 No.2）表3不同促进剂对涤纶颜色特征值的影响Table 3Effect of different accelerators on color characteristicvalues of polyester染料C.I.分散蓝148C.I.分散红177处理条件未处理15 g/L NaOH15 g/L NaOH+1.5 g/L 122715 g/L NaOH+1.5 g/L 162715 g/L NaOH+1.5 g/L 1827未处理15 g/L NaOH15 g/L NaOH+1.5 g/L 122715 g/L NaOH+1.5 g/L 162715 g/L NaOH+1.5 g/L 1827K/S值13.62713.85814.10517.02522.85715.5616.84817.95418.21622.024L*32.1932.0531.9930.0825.8340.0237.6338.837.5435.17a*10.199.709.169.5610.7956.0953.1156.2354.8254.07b*-40.78-40.25-39.95-40.20-38.679.707.6310.77.278.85C*42.0341.4040.9941.3240.1456.9253.6557.2455.354.79h284.03283.56282.92283.37285.599.818.1810.787.559.303结论（1）季铵盐阳离子表面活性剂可以用于涤纶纤维的碱减量工艺，能有效提高碱减量效率，大大节省碱剂用量；促进剂可将氢氧根离子富集于纤维表面，促进涤纶纤维中酯键的水解反应，且促进剂疏水链越长，碱减量促进作用越显著，促进效果：182716271227。（2）涤纶织物的碱减量最佳工艺为：NaOH 15 g/L，促进剂1.5 g/L，95 处理50 min。（3）促进剂-碱协同减量处理可以增加织物的亲水性及染深性（K/S值），减少染料用量，节省成本。参考文献：1PALACIOS-MATEO C,VAN DER MEER Y,SEIDE G.Analysis ofthe polyester clothing value chain to identify key intervention pointsfor sustainabilityJ.Environmental Sciences Europe,2021,33（1）：2.2ZHU L,DING X,WU X,et 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