紡織業(yè)表面活性劑運用

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1．表面活性劑

自20世紀40年代進入工業(yè)生產(chǎn)以來,表面活性劑獲得了廣泛的應用,被譽為“工業(yè)味精”。表面活性劑分子具有兩親性,在水溶液中極易富集于表面,從而顯著改變?nèi)芤盒再|,且隨著分子中親水和親油比例的不同、結構的不同,表現(xiàn)出的性質亦有差異。它們具有分散、潤濕或抗黏、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、洗滌、防腐和抗靜電等一系列物理化學性能,這些基本性能對紡織、印染加工十分重要。據(jù)統(tǒng)計,紡織行業(yè)中用到的表面活性劑品種達到3000多種[1],紡織工藝生產(chǎn)過程,從散纖維的精制、紡絲、紡紗、織布、染色、印花和后整理等各工序,都離不開表面活性劑的應用。其作用是提高紡織品的質量,改善紗線的織造性能,縮短加工工期,因此表面活性劑對紡織行業(yè)的貢獻很大。

2．表面活性劑在紡織工業(yè)中的應用

2.1洗凈劑

洗凈劑也稱洗滌劑,在纖維紡織過程中應用廣泛,如棉布的退漿和煮練、羊毛的脫脂和洗滌、生絲的脫膠、合成纖維的脫油、織物染色和印花后清除未固色的染料等工序,都使用洗凈劑。其在水中具有乳化、潤濕、起泡、膠溶和懸浮等性能,從而表現(xiàn)出顯著的去污能力,且耐硬水,遇到鈣、鎂離子不會產(chǎn)生沉淀,在水中不產(chǎn)生游離堿,不會損傷絲、毛織物的強度,不僅能在堿性或中性溶液中使用,還可在酸性溶液中使用,洗滌過程快,用量少,低溫也可洗滌[2,3]。由于陽離子表面活性劑會產(chǎn)生靜電吸附,導致表面活性劑的疏水基向著水溶液,分散后的污垢容易再沾污到織物表面,這樣對于織物凈洗極為不利。因而,作為洗滌用的表面活性劑多用非離子、陰離子和兩性離子[4]。其中十二烷基苯磺酸鈉(LAS)用得較多,但是由于其泡沫多,刺激性大,有一定致畸性,且耐強堿性差,生物降解性能相對較差,而逐步被脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽(AES)、仲烷基磺酸鹽(SAS)、α-烯烴磺酸鈉(AOS)、α-磺基脂肪酸甲酯鈉鹽(MES)、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽(AEC),以及新型產(chǎn)品茶皂素、多肽基表面活性劑代替[5]。

2.2勻染劑和分散劑

避免染色不均勻或染斑,是印染工藝的主要任務之一。勻染劑是指染色中能延緩染料上染纖維速度(緩染),并能使染料在纖維上從高濃度的部位轉移到低濃度的部位(移染),從而避免出現(xiàn)深淺不均和色斑現(xiàn)象,并且不降低染色堅牢度的一類助劑。表面活性劑可以增加染料的溶解度,增強其纖維上的滲透力和附著力,增強其色澤和提高紡織品的耐洗度。某些陰離子表面活性劑,如烷基磺酸鈉、高級脂肪醇硫酸鈉鹽等,可用作天然纖維、錦綸纖維的親纖維型勻染劑。高級脂肪醇聚氧乙烯醚等非離子表面活性劑主要用于還原染色,也可用于分散染料、直接染料的染色。蘇喜春等人[6]在進行羊毛染色實驗中發(fā)現(xiàn),十八烷基胺聚氧乙烯醚硫酸酯鈉鹽能顯著改善弱酸性艷藍RAW對羊毛的勻染性和潤濕性能,濃度越大,勻染性越好。現(xiàn)在勻染效果較好的勻染劑是各種陰離子表面活性劑的復配體系,或陰離子和非離子表面活性劑的復配體系。分散劑是染料加工和染料應用中不可缺少的助劑,分散劑在染色中具有兩個主要特殊作用:一是拆開聚集離子的反絮凝作用;二是保持分散粒子穩(wěn)定的能力。有的分散劑本身就兼有分散性和移染性等多種作用,既可作為染料加工用擴散劑,又可作為印染中的勻染劑。當前使用的分散劑中,以陰離子型表面活性劑為主,主要有萘磺酸鹽甲醛縮合物和木質素磺酸鹽等;其次是壬基酚聚氧乙烯醚等非離子型表面活性劑,后者常與其他類型表面活性劑復配使用。陽離子型和兩性型表面活性劑在應用上有一定的局限性。隨著各種新型染色技術的逐步成熟,比如微波染色[7]、泡沫染色、數(shù)碼印花[8]和超臨界流體染色[9]等,對勻染劑和分散劑提出了更高的要求。

2.3柔軟劑

織物在印染和整理前,一般需經(jīng)練漂等前處理,會使織物產(chǎn)生比較粗糙的手感。為使織物具有持久的滑爽柔軟手感,就需使用柔軟劑,大部分柔軟劑屬于表面活性劑。陰離子柔軟劑應用較早,但由于纖維在水中帶有負電荷,所以不易被纖維吸附,因此柔軟效果較弱。由于對纖維的吸附性弱,則易于清洗除去,因此有的品種適用于紡織油劑中柔軟組分,主要有磺基琥珀酸酯和蓖麻油硫酸化物等。非離子型柔軟劑的手感和陰離子近似,不會使染料變色,能與陰離子型或陽離子型柔軟劑合用,但對纖維的吸附性不好,耐久性低,并且對于合成纖維幾乎沒有作用,主要應用于纖維素纖維的后整理和在合成纖維油劑中做柔軟和平滑組分。其中以季戊四醇脂肪酸酯和失水山梨糖醇脂肪酸單酯這兩類最重要,柔軟效果在松軟和發(fā)澀之間,能大大降低纖維素纖維和合成纖維的摩擦系數(shù)。陽離子表面活性劑和各種纖維結合的能力強,能耐高溫和經(jīng)受洗滌,耐久性強,用于整理織物可獲得豐滿的手感和滑爽感,使合成纖維具有一定的抗靜電效果和良好的殺菌和消毒能力,并能賦予纖維很好的柔軟效果,是目前最為重要、使用最廣泛的柔軟劑。陽離子表面活性劑目前絕大多數(shù)仍為含氮化合物,常用類型有叔胺鹽類和季銨鹽類。其中叔胺鹽類只在酸性介質中呈陽離子性,而季銨鹽類在任何介質內(nèi)均呈陽離子性,是應用最廣的一類[10]。雙十八烷基二甲基季銨鹽是柔軟性能突出的織物柔軟劑,用量僅0.1%～0.2%就能獲得理想的效果,還有潤濕和抗靜電作用,但較大、生物降解困難;雙氫化牛油基二甲基氯化銨作為柔軟劑,雖有優(yōu)良的柔軟效果,但存在抗靜電性差、生物降解性差,易在污水處理中被污泥吸收而污染農(nóng)田。取而代之的新一代綠色產(chǎn)品大多是含有酯基或酰胺基或羥基等親水性基團的表面活性劑,極易被微生物分解為C18、C16脂肪酸和較小的陽離子代謝物,對環(huán)境損害小。

2.4抗靜電劑

為消除或防止紡織過程中各工序產(chǎn)生的靜電和在織物整理工序時或過程中的靜電,必須使用抗靜電劑。其作用主要在于使纖維的表面具有吸濕性和離子性,從而降低纖維的絕緣性,提高導電度,并能中和電荷,達到消除或防止靜電產(chǎn)生的目的。表面活性劑中,陰離子型抗靜電劑的品種是最多的。油脂、脂肪酸和高碳脂肪醇等的硫酸化物,既有抗靜電性能,也有柔軟、潤滑和乳化性能。其中以烷基磺酸,尤其是銨鹽、乙醇胺鹽等抗靜電效力較高。不過,在陰離子型抗靜電劑中,以烷基酚聚氧乙烯醚硫酸酯類效果較佳。一般陽離子型表面活性劑不僅是效力較高的抗靜電劑,而且具有優(yōu)良的滑爽柔軟性和纖維附著性。其缺點是能使染料變色,耐曬牢度降低,不能和陰離子型表面活性劑合用,腐蝕金屬,毒性強,對皮膚有刺激性等,故使用受到限制,很少用于油劑,而主要用于織物的整理。用作抗靜電劑的陽離子型表面活性劑主要是季銨化合物和脂肪酸酰胺兩大類。甜菜堿型兩性表面活性劑除具有良好的抗靜電作用外,還有潤滑、乳化和分散作用。非離子表面活性劑吸濕性強,能用于纖維的低濕狀況。它們一般對于染料染色性能不發(fā)生影響,可在較寬范圍內(nèi)調整黏度,其毒性小,對皮膚刺激性小,所以被廣泛使用,是合成油劑的重要組分。非離子型抗靜電劑主要類型是脂肪醇聚氧乙烯醚和脂肪酸聚乙二醇酯等。

2.5滲透劑和潤濕劑

滲透劑和潤濕劑是促進纖維或織物表面快速地被水潤濕,并向纖維內(nèi)部滲透的助劑。能使液體滲透或加速深入孔性固體內(nèi)的表面活性劑稱為滲透劑。滲透的前提是必先潤濕才能吸附。潤濕就是指液體與固體接觸后,液體在固體表面鋪展的程度。因此,滲透劑和潤濕劑不僅用于退漿、煮煉、絲光和漂白等前處理工序,并且廣泛應用于印花和后整理工序。對于滲透劑和潤濕劑的特性要求是:1)能耐硬水及堿;2)滲透性強,能縮短工時;3)經(jīng)其處理后的織物毛細管效應改進顯著。陽離子表面活性劑不適于作潤濕劑,因為它們會吸附在纖維上阻礙潤濕。兩性型表面活性劑在應用上有一定的局限性。因而,用作滲透劑與潤濕劑的表面活性劑主要有陰離子和非離子表面活性劑。此外,在紡織工業(yè)中,表面活性劑還可用作精練劑、乳化劑、發(fā)泡劑、平滑劑、固色劑和防水劑等被使用。

3．表面活性劑在紡織工業(yè)中的發(fā)展

3.1高分子表面活性劑

所謂高分子表面活性劑是指相對分子質量在數(shù)千以上,且具有表面活性的物質,是一種新型的很有發(fā)展前途的表面活性劑,它能形成膠束把染料分子包裹起來,在某種條件下控制染料分子慢慢釋放,起到勻染效果,在紡織工業(yè)中應用廣泛。其中,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是由N-乙烯基吡咯烷酮經(jīng)聚合而成的線性高分子聚合物。PVP以其良好的絡合能力、生物相容性、低毒性、高分子表面活性、膠體保護能力以及與其他化合物良好的復配能力,被廣泛用作紡織助劑[11]。高分子表面活性劑的合成成為近年來表面活性劑合成研究的熱點課題之一。但是,在不斷開發(fā)新型產(chǎn)品以及探索研究其結構與性能之間的關系等方面,尚有許多基礎性的工作,有待進一步研究。因此,研究其結構與性能的關系,重視新型高分子表面活性劑的研究與開發(fā),合成高分子量和高表面活性的聚合物具有重要的理論和應用價值。此外,開發(fā)低廉、無毒、無污染和一劑多效的高分子表面活性劑將是今后高分子表面活性劑的研究趨勢。

3.2元素表面活性劑

含有氟、硅、磷和硼等元素的表面活性劑稱為元素表面活性劑。由于氟、硅、磷和硼等元素的引入而賦予表面活性劑更獨特、優(yōu)異的性能。其中含氟表面活性劑與普通表面活性劑相比,無毒或毒性非常小,它們具有高表面活性、高耐熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性和憎水憎油等優(yōu)良而獨特的性能。在紡織工業(yè)中,含氟織物整理劑主要用作織物防水防油整理劑、防污、滑爽及耐洗整理劑和纖維加工劑等[12],經(jīng)其整理后的紡織品具有多種優(yōu)異的性能,因而倍受國內(nèi)外市場的關注和歡迎。美國3M公司配制的Scotchgard(全氟羧酸鉻絡合物)及全氟烷基丙烯酸酯共聚體具有優(yōu)異的防水、防油性能,且耐洗滌,織物手感柔軟。以氟表面活性劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)織物凈洗劑氯乙烯可減少蛋白質纖維對水的吸收,從而避免了以往因過熱干燥而導致的纖維強度下降的缺點[13]。含硅表面活性劑是隨著有機硅新型材料發(fā)展起來的一種新型表面活性劑,不僅具有耐高溫、耐氣侯老化、無毒、無腐蝕及較高生理惰性等特點,還具有優(yōu)良的降低表面張力的性能,是僅次于含氟表面活性劑的特殊表面活性劑品種。在紡織行業(yè),含硅表面活性劑賦予紡織品柔軟、滑爽手感及抗菌防霉、抗靜電、親水和防水等特殊功能。至少含有一個羥苯基取代的聚二有機硅烷與等量苯酚混合可作紡織纖維的潤滑劑[14];含環(huán)氧基的硅整理劑可賦予織物良好的手感,抑制泛黃以及提高織物的吸水性;含銨基的表面活性劑還有較強的殺菌能力,對人體呈生理惰性,不刺激皮膚,整理后的織物手感較好。聚硅醚類表面活性劑,在不同溫度范圍內(nèi),既可用作消泡劑,也可用作穩(wěn)泡劑,具有重要的應用價值;用聚硅氧烷與烷基糖苷配比為0.5∶1.0～10∶1.0的乳液對印染后的滌(或滌/棉、滌/毛)織物進行整理,在保持原來的柔軟度基礎上,進一步提高了耐洗牢度。以磷酸酯表面活性劑為代表的含磷表面活性劑在化纖工業(yè)中已作為高效抗靜電劑、潤濕劑和乳化劑。其中烷基磷酸酯是很有前途的一種,可在前處理過程中用作精煉劑、滲透劑,其去污力優(yōu)于牛油醇硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉和烷基酚聚氧乙烯醚。有機硼表面活性劑是一種半極性的化合物,是由具有鄰羥基的多元醇、低碳醇的硼酸三酯和某些脂肪酸所合成的。通常為非離子型,堿性介質中重排為陰離子型。含硼表面活性劑高溫下極穩(wěn)定,可以水解,具有優(yōu)良的表面活性、抗靜電性及抗菌性,毒性較低,其用途還在進一步研究當中。

3.3Gemini表面活性劑

此類表面活性劑是通過一個聯(lián)接基將兩個傳統(tǒng)表面活性劑分子在其親水頭基或接近親水頭基處連接在一起而形成的一類新型表面活性劑。與傳統(tǒng)表面活性劑相比,陽離子Gemini表面活性劑具有顯著的緩染作用,可作為一種新型緩染劑應用于纖維染色[15]。眾所周知,陰離子表面活性劑用于洗滌劑有一定的毒性和對皮膚有一定的刺激性,且對酶會產(chǎn)生失活作用。而非離子Gemini表面活性劑可作為乳化劑產(chǎn)生O/W乳液,以便在低濃度下即產(chǎn)生更好的洗滌效果,且Gemini表面活性劑與傳統(tǒng)表面活性劑的協(xié)同作用強于傳統(tǒng)表面活性劑間的協(xié)同作用。如向陰離子表面活性劑溶液中加入極少量的非離子Gemini表面活性劑,就可使溶液中自由陰離子表面活性劑的濃度降低1個數(shù)量級以上,因此可顯著消除陰離子表面活性劑的負面效應和改善洗滌效率。而兩性Gemini表面活性劑是溫和的多功能表面活性劑,在特定的應用中僅需添加少量到表面活性劑混合物中就可顯著改善配方性能[16]。目前,由于Gemini表面活性劑的售價較高,因此尚難以大規(guī)模用于洗滌劑工業(yè),采用較多的方式是將Gemini表面活性劑與傳統(tǒng)表面活性劑復配使用。

4．結語

表面活性劑在紡織工業(yè)中應用廣泛,其技術作用和經(jīng)濟價值都相當大,是不可缺少的重要助劑。近年來,許多具有特殊化學結構的功能性表面活性劑以及綠色表面活性劑等應運而生,可為紡織生產(chǎn)提供更適宜、更高效的化學助劑,同時,紡織工業(yè)的發(fā)展也不斷拓展了表面活性劑的應用領域。相信隨著社會的發(fā)展和科學的進步,表面活性劑在紡織工業(yè)的應用中將發(fā)揮更加重要的作用。