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技术
    无醛防皱整理剂—柠檬酸
    2015/6/17 14:05:07

    多元酸取代传统的含醛树脂,可从根本上解决甲醛问题,其优点是显而易见的。人们早就知道纤维素分子上的羟基可与酸发生酯化反应,而如果酸中只有一个羧基与纤维反应,则形成单分子接枝:

    CELL-OH+HOOC-R-COOH→CELL-OOC-R-COOH+H-OH

     

    这对提高织物尺寸稳定性和防皱性没有作用,因此,Gagliardi等提出多元酸中至少应有两个羧基。C.M.Welch首先提出了四元羧酸在焙烘过程中,先生成一元或二元的环状酸酐,然后再与纤维素羧基形成酯交联。接着,R.A.K.Andrews等陆续加以补充,认为多元酸在高温加热时,相邻的两个羧基很容易失水形成5~6元环的酐,然后与纤维素成酯。因此至少需要三个羧基才能满足与纤维交联的要求。弱碱是酸酐与醇成酯的有效的催化剂。热重分析证实丁四羧酸在焙烘条件下失去二分子水,为酸脱水成酐并酯化交联的反应机理提供了重要证据。

     

    C.M.Welch把这一交联反应的机理概括为如下示意图:

    C:\Documents and Settings\Administrator\妗岄潰\1.png 

    根据这些要求,可作为交联用的多元酸列如下表:马来酸,邻苯二酸,丙三酸,柠檬酸,丙烯三酸,三乙酸胺,1,2,3?苯三酸,偏苯三酸,丁四羧酸,环戊四酸,乙二胺四酸,苯均四酸,二苯甲酮四酸,环己烷己酸,苯六酸等。

     

    目前研究较多的均为三元酸或四元酸,主要有丁四羧酸、丙三羧酸和柠檬酸等。

     

    丁四羧酸(BTCA)是许多学者一致认为效果最好的多元酸。可是BTCA/NaH2PO2体系对染色织物,尤其是对硫化染料,会引起色泽变化。此外,它的成本太高。

     

    在三元酸中最受人们关注的是柠檬酸(CA),尽管它的整理效果总体上不如BTCA和PTCA,但因为它价格便宜,易于得到,没有毒性,因而受到重视。CA与各种含磷的无机酸盐催化剂配合使用,以NaH2PO2的效果为最好,DP可达3.5级,折皱回复角可提高91°,接近2D树脂的水平。当NaH2PO2与Na2HPO4、NaH2PO4以及NaH2P2O7分别组成混合催化剂体系时,CA也能达到较高的防皱效果。用NaH2PO2作催化剂,经180℃以上的高温焙烘后,织物的耐洗性可接近50次。

     

    但是CA最大的问题是会使织物泛黄,影响织物白度。这是因为CA在结构上比一般多元酸多一个羟基,属于羟基酸。

     

        以高温焙烘可能转化为乌头酸(丙烯三酸)、衣康酸(甲叉丁二酸),到柠康酸(顺式甲基丁烯二酸)等产物。

    这些酸都是不饱和酸,由于分子结构中又键的存在,使得织物泛黄,影响白度。

    其次是对防皱整理性能的影响。在三元酸中,对棉织物免烫整理的效果依次为:丙三酸>丙烯三酸>柠檬酸。柠檬酸的防皱效果低于其它三元酸,是由于分子中羟基妨碍了邻近的羧基与纤维上的羟基反应,或者说是与羧基争夺纤维上的羟基,因此尽管CA使用的浓度较高,其酯化交联的程度仍低于其它酸。但在近年来崇尚自然、强调舒适随意、不追求高回弹性的趋势职,CA仍有其明显的优势和吸引力。

     

    随着多元酸与纤维酯化交联研究的不断发展,对催化剂的研究也逐渐深入。经研究,各个多元酸适用的催化剂是不必相同的,但NaH2PO2对各个多元酸均有良好的催化效果。与CA配合使用,则是在各种磷酸盐催化剂中效果最好的,折皱回复角可提高91度。NaH2PO2用作CA的催化剂,还可以改善织物的泛黄现象。例如:分别用NaH2PO2和NaH2PO4做催化剂,180度焙烘90秒,织物的白度指数分别为65和38。NaH2PO2的这种作用,Andrews和Welch等人认为是由于NaH2PO2具有还原性,由于它的还原漂白作用,抑制了织物的泛黄。而且当NaH2PO2的浓度提高时,织物的白度也随之提高。可是对于染色织物,NaH2PO2会使织物的色泽发生变化,尤其对于硫化染料和部分活性染料。这主要也是由于NaH2PO2的还原性对染料中偶氮基和含硫基团的作用。此外,NaH2PO2的价钱较贵。

     

    因此,咪唑衍生物代替及Na2H2PO2与其他磷酸盐混合的催化剂也有报道。

     

    关于催化剂的作用机理,在早期只是认为它能降低织物加工时的焙烘温度,减少由于酸性介质造成的织物脆损和强度下降。酸酐中间体酯化交联的理论提出之后,关于催化剂的作用原理,

     

    主要有两种观点:

     

    一种观点认为催化剂是加速了多元酸脱水形成酸酐。

    Welch和Andrews等人则认为,酸酐与醇进行酸化反应时,弱碱是一种有效的催化剂。因而无机磷酸的碱金属盐是作为一种弱碱催化多元酸的环状酸酐与纤维上的羟基进行交联。

    这一弱碱催化机理也可解释非磷酸盐类催化剂的作用。咪唑作为催化剂是先与酸酐形成一个酰基咪唑的盐,然后这个中间产物再与纤维酸化:

    C:\Documents and Settings\Administrator\妗岄潰\2.png 

    为了提高整理效果和改善整理后织物的性能,在整理浴中还需加入一些添加剂。

    CA在整理中会使织物泛黄,是由于CA受热脱去分子中的羟基,因此可选用醚化剂将羟基醚化,防止其脱去。各种羟基胺,包括叔胺和季铵盐,都可以用作醚化添加剂。

    这些含氮化合物不仅可提高织物白度,还能改善织物的其它性能。首先,它们作为弱碱性物质,可作为协同催化剂,有利于酯化交联反应的进行,因此可减少催化剂的用量,尤其是减少价钱较贵的NaH2PO2的用量。这些含氮化合物都是极性很强的溶剂,有利于溶胀纤维,打开纤维分子间氢链,有利于交联剂的渗透和扩散,因此有利于提高交联的均匀性,改善织物性能。加入这些添加剂后,织物的DP等级、断裂强度、撕破强度、耐摩性都均有不同程度的提高。在各种胺类加剂中,以三乙醇胺为好;同时用胺的盐比用游离胺为好,因为后者对催化剂有不利的影响。

     

    另一类可改善织物白度的添加剂是多元醇类,如甘油、季戊四醇以及不同分子量的聚乙二醇。CA经高温焙烘脱水成不饱和酸,这一导致织物泛黄的反应被认为是可逆的,因此多元醇类添加剂抑制织物泛黄的机理可能是通过分子上亲水性羟基吸附大量水分而使脱水反应逆转。

    硼酸也能作为抑制泛黄的添加剂。硼酸是通过与CA中的羟基和羧基反应,形成螯合物,阻止脱水来达到提高织物白度。硼酸与CA的用量比为0.1时,即可获得优良的白度。但使用硼酸作添加剂,织物的折皱角和DP水平有所下降。另一类添加剂是羟基酸。α-羟基酸(如苹果酸、柠檬酸、酒石酸)及其碱金属盐可以减少磷酸盐催化剂的用量,改善织物整理的效果;也能提高织物的强度,提高耐洗性。

    此外,象溴化钠之类也可作为添加剂。各种添加剂在全面改善织物整理性能方面的地位越来越重要,因此这方面的研究也日趋深入。