棉织物的拒水整理方法及其拒水整理后性能研究方法与流程

本发明涉及棉织物功能整理领域，具体为一种棉织物的拒水整理方法及其拒水整理后性能研究方法。

背景技术：

棉纤维是历史最悠久，使用最广泛的古老的天然纤维素纤维，在纺织行业中有不可替代的位置。棉纤维具有很好的吸湿性，良好的透湿透气性以及染色性能。另外它光泽柔和，富有自然美感，手感柔软、优良的保暖性，因此棉织物倍受人们的喜爱。但随着科技发展以及人们生活以及科研需求的增加，如何让具有良好吸湿性的棉织物具有较强的拒水性能成为了纺织品功能整理中的一个重要课题之一。随着人们对棉织物拒水整理研究的不断深入，涌现出纳米技术，荷叶效应，花瓣效应,等离子体处理等新的方法和技术。

棉织物拒水整理发展历史源远流长。早期使用的方法既简单又经济，即使用有拒水效果的石蜡等蜡状物质熔融后均匀附着于棉织物表面，从而到达拒水效果。目前最普遍的拒水整理方法是通过在棉织物表面吸附一层物质，使棉织物表面由原来的高表面能变为底表面能，就可制出具有拒水效果的棉织物，表面能越小拒水效果越好。

织物纳米表面粗糙整理的灵感主要来自于“荷叶效应”，众所周知，水珠在荷叶表面可以自由滚动，人们通过研究发现，这个机理中起决定性作用的并不是荷叶的化学成分，最重要的原因在于荷叶表面的纳米级微观结构，荷叶表面有大量的纳米级的凹凸微细结构，这些凹凸部分均被一层表面能量很低的蜡状物质所覆盖，从而使水滴无法进入荷叶内部。

一般拒水整理剂大多为含有较长碳链的化合物。在拒水整理中，整理剂的反映基团或急性基团定向吸附在纤维表面，而碳氢长链则连续排列在棉织物表面，形成带有拒水功能的均匀薄膜；或者拒水剂分子中的活性集团在一定作用下，在纤维表面互相聚合形成多维空间结构，成网状薄膜。但是使用上述技术，存在以下不足：整理工艺拒水效果差，维持时间较短。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种棉织物的拒水整理方法及其拒水整理后性能研究方法，通过正硅酸四乙酯作为纳米二氧化硅的来源，在氨水的催化作用以及乙醇的溶解作用之下制备出纳米二氧化硅凝胶，并采用溶胶-凝胶法对前处理后的棉织物进行粗糙处理，再利用十八烷基胺降低棉织物表面能量，使得棉织物拒水效果好，并且维持时间长，再通过分组实验证明丁烷四羧酸预处理以及纳米二氧化硅粗糙整理均有利于整理后棉织物拒水性能的提高，之后对整理前后的棉织物进行物理性能测试，最后进行一组三因素三水平的正交实验，对实验结果进行数据分析，得出较优的拒水整理方案。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种棉织物的拒水整理方法，包括以下步骤：步骤1.实验试样、试剂及仪器、器皿的准备；

步骤2.制备纳米sio2溶胶；

步骤3.配置btca预处理液和oa拒水整理液；

步骤4.通过对试样进行btca整理液预处理，并将经过预处理的试样进行纳米sio2粗糙整理，最后通过oa拒水整理液整理。

优选的，步骤1中，所述试样采用经过漂白处理的纯棉平纹机织物，所述试样的大小为15cm×15cm、14.8tex×14.8tex；所述试剂采用丁烷四羧酸、十八烷基伯胺、甲醇、氨水、正硅酸四乙酯、无水乙醇和次亚磷酸钠；所述仪器包括电热恒温干燥箱、df-1001s集热式磁力搅拌器、电子天平，jc200d3接触角测量仪、yg(b)831型织物沾水度测试仪、yg461e数字式透气量仪、yg065型电子织物强力机和wd-5型全自动白度仪；所述器皿包括玻璃棒、烧杯、量筒、胶头滴管和圆底烧瓶。

优选的，在步骤2中，制备纳米sio2溶胶具体包括如下操作：首先在圆底烧瓶中加入150ml无水乙醇和7.5ml浓氨水，使用集热式磁力搅拌机在65℃下搅拌30分钟让无水乙醇和氨水混合均匀，然后使用胶头滴管往圆底烧瓶中滴加9ml正硅酸四乙酯，之后将搅拌机转速调至高转速，继续搅拌90分钟，然后取出静置60分钟，之后用其进行棉织物整理。

优选的，在步骤3中，所述btca预处理液为丁烷四羧酸与次亚磷酸钠的混合水溶液，其中：丁烷四羧酸质量分数为1.5％，次亚磷酸钠质量分数为6％，整理布样时浴比为1:30；所述oa拒水整理液为十八烷基胺和氨水的混合甲醇溶液，其中：十八烷基伯胺的质量分数为2％-6％，氨水的质量分数为1％，整理布样时浴比为1:30。

优选的，在步骤4中，对试样进行btca整理液预处理，具体包括以下步骤：将准备好的布样浸入btca拒水整理液，使用一浸一轧的工艺，浸渍时间为10分钟，轧压率为90％-100％，而后将布样在70℃预烘4分钟，180℃焙烘2分钟，之后使用去离子水充分水洗，烘干备用；将经过预处理的试样进行纳米sio2粗糙整理，具体包括以下步骤：将经过btca预处理的布样浸入制备好的纳米sio2凝胶中，使用一浸一轧的工艺，浸渍时间为60分钟，轧压率为90％-100％，而后将布样在80℃下烘干3分钟，之后使用去离子水充分水洗，烘干备用；最后通过oa拒水整理液整理，具体包括以下步骤：将经过前处理的布样浸入配置好的oa拒水整理液中，采用一浸一轧的工艺，浸渍时间为10分钟，轧压率为90％-100％，而后将布样在120℃下焙烘5分钟，之后水洗烘干。

一种棉织物的拒水整理后性能研究方法，包括以下步骤：步骤a.通过分组实验证明丁烷四羧酸预处理以及纳米二氧化硅粗糙整理均有利于整理后棉织物拒水性能的提高，所述分组实验包括静态接触角测量；

步骤b.再对整理前后的棉织物进行物理性能测试，所述物理性能包括抗湿性、白度和透气性，探究整理前后棉织物物理性能的变化；

步骤c.进行一组三因素三水平的正交实验，对实验结果进行数据分析。

优选的，在步骤a中，所述棉织物通过使用jc200d3接触角测量仪对棉织物进行静态接触角测量，所述静态接触角测量具体包括如下操作：首先将裁剪好的棉布条使用仪器固定后放在载物台上，点击电脑上活动图像按钮，屏幕上可以显示出屏幕上布样处的放大图像，之后在室内无强光的情况下对摄像头进行调焦使得屏幕上出现清晰的图像；再使用微量注射器压出体积3微升的液滴，然后旋转载物台底座的旋钮使载物台缓缓上升至所需高度，触碰到液滴后下降使得液滴留在布样上，在液滴落下10-20秒后锁定图像，使用测量软件测量液滴的接触角大小，之后重复操作在布样的其他位置一共测量三组数据，取其平均值作为最后结果。

优选的，在步骤b中，所述棉织物采用yg(b)831型织物沾水度测试仪对棉织物的抗湿性能进行测试，对棉织物抗湿性的测定具体包括如下操作：把试样安装在卡环上并与水平成45度角放置，试样中心位于喷嘴下面规定的距离，之后将250ml去离子水迅速而平稳的注入试样上方的玻璃漏斗中以便淋水持续进行，淋水一停，迅速将夹持器连同连同试样一起拿开，使棉织物正面向下几乎成水平，然后对着一个硬物轻轻敲打二次(在蹦框径向上相对的两点各一次)，敲打后，试样仍在夹持器上，根据观察到的试样润湿程度，与标准评级标准进行对比，从而判断棉织物沾水等级；

所述棉织物采用yg461e型数字式透气量仪对棉织物的透气性进行测定，对棉织物透气性的测定具体包括如下操作：首先根据试样的大小对设备的各个参数进行设置，选定好合适的喷嘴，之后将试样自然的放在已选好的定值圈(与测定面积一致)上，使用试样绷直压环放于试样上以使试样自然平直，试样放好后，压下试样压紧手柄，使压紧圈压紧试样，之后先使仪器进入测试校零并进行自动测试状态，每个布样测试10次数据，最后取各个数据的平均值为结果；

所述棉织物白度的测定具体包括如下操作：将要测试的棉织物对折3次，然后放在试样座上，测试试样的三个不同地方的白度，记录显示屏上的黄变指数，取三次的平均值。

优选的，在步骤c中，所述正交实验具体包括如下操作：以十八烷基胺的浓度、焙烘温度和焙烘时间为研究要素，并按照因素水平进行正交实验后，即选用十八烷基胺浓度为4％，焙烘时间5min，焙烘温度130℃。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的棉织物的拒水整理方法及其拒水整理后性能研究方法，具有如下有益效果：

一、采用本发明的棉织物的拒水整理方法，通过正硅酸四乙酯作为纳米二氧化硅的来源，在氨水的催化作用以及乙醇的溶解作用之下制备出纳米二氧化硅凝胶，并采用溶胶-凝胶法对前处理后的棉织物进行粗糙处理，再利用十八烷基胺降低棉织物表面能量，制备出了具有显著拒水效果的棉织物，除了获得显著的拒水效果以外，棉织物在物理服用性能方面也有很大变化，维持较好的棉织物的白度和透气性；

二、通过棉织物的拒水整理后性能研究方法，通过分组实验证明丁烷四羧酸预处理以及纳米二氧化硅粗糙整理均有利于整理后棉织物拒水性能的提高，之后对整理前后的棉织物进行物理性能测试，以十八烷基胺浓度、焙烘时间、焙烘温度为主要因素做一组三因素三水平的正交实验，通过正交试验的数据分析得出棉织物拒水整理较佳方案。

附图说明

图1为本发明棉织物的拒水整理方法实施例的流程示意图；

图2为本实施例中棉织物的拒水整理后性能研究方法的实验流程图；

图3为本实施例中棉织物的拒水整理后性能研究方法的流程示意图；

图4为本实施例中btca预处理化学反应的方程示意图；

图5为本实施例中teos水解缩合处理到btca改性棉织物化学反应的方程示意图；

图6为本实施例中棉织物整理前后的拒水性能表；

图7为本实施例中原棉/oa静态接触角的放大示意图；

图8为本实施例中原棉/oa/teos/btca静态接触角的放大示意图；

图9为本实施例中棉织物透气性测试的结果示意图；

图10为本实施例中棉织物白度测试的结果示意图；

图11为本实施例中棉织物正交工艺设计的因素水平表；

图12为本实施例中棉织物正交工艺设计的实验结果表；

图13为本实施例中棉织物正交工艺设计的方差分析表；

图14为本实施例中棉织物正交实验单因素的趋势示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示为棉织物的拒水整理方法的流程示意图，棉织物的拒水整理方法，包括以下步骤：

步骤1.实验试样、试剂及仪器、器皿的准备；

其中，试样采用经过漂白处理的纯棉平纹机织物，试样的大小为15cm×15cm、14.8tex×14.8tex。试剂采用丁烷四羧酸、十八烷基伯胺、甲醇、氨水、正硅酸四乙酯、无水乙醇和次亚磷酸钠。仪器包括电热恒温干燥箱、df-1001s集热式磁力搅拌器、电子天平，jc200d3接触角测量仪、yg(b)831型织物沾水度测试仪、yg461e数字式透气量仪、yg065型电子织物强力机和wd-5型全自动白度仪。器皿包括玻璃棒、烧杯、量筒、胶头滴管和圆底烧瓶。

步骤2.制备纳米sio2溶胶；

制备纳米sio2溶胶具体包括如下操作：首先在圆底烧瓶中加入150ml无水乙醇和7.5ml浓氨水，使用集热式磁力搅拌机在65℃下搅拌30分钟让无水乙醇和氨水混合均匀，然后使用胶头滴管往圆底烧瓶中滴加9ml正硅酸四乙酯，之后将搅拌机转速调至高转速，继续搅拌90分钟，然后取出静置60分钟，之后用其进行棉织物整理。

步骤3.配置btca预处理液和oa拒水整理液；

btca预处理液为丁烷四羧酸与次亚磷酸钠的混合水溶液，其中：丁烷四羧酸质量分数为1.5％，次亚磷酸钠质量分数为6％，整理布样时浴比为1:30。

oa拒水整理液为十八烷基胺和氨水的混合甲醇溶液，其中：十八烷基伯胺的质量分数为2％-6％，氨水的质量分数为1％，整理布样时浴比为1:30。

步骤4.通过对试样进行btca整理液预处理，并将经过预处理的试样进行纳米sio2粗糙整理，最后通过oa拒水整理液整理。

对试样进行btca整理液预处理，具体包括以下步骤：将准备好的布样浸入btca拒水整理液，使用一浸一轧的工艺，浸渍时间为10分钟，轧压率为90％-100％，而后将布样在70℃预烘4分钟，180℃焙烘2分钟，之后使用去离子水充分水洗，烘干备用；将经过预处理的试样进行纳米sio2粗糙整理，具体包括以下步骤：将经过btca预处理的布样浸入制备好的纳米sio2凝胶中，使用一浸一轧的工艺，浸渍时间为60分钟，轧压率为90％-100％，而后将布样在80℃下烘干3分钟，之后使用去离子水充分水洗，烘干备用；最后通过oa拒水整理液整理，具体包括以下步骤：将经过前处理的布样浸入配置好的oa拒水整理液中，采用一浸一轧的工艺，浸渍时间为10分钟，轧压率为90％-100％，而后将布样在120℃下焙烘5分钟，之后水洗烘干。

丁烷四羧酸的酯化交联机理：多元羧酸中两个相邻的羧基经过脱水缩合反映形成五元环状酸酐中间体，然后具有较高反应活性的环状酸酐进一步与纤维素大分子上的羟基反应生成酯，并且释放出一个羧基，在不存在空间受阻的情况下，这个被释放的羧基还可以再与另一个相邻的羧基脱水成酸酐之后与纤维素大分子上的羟基发生酯化反应，在纤维内形成交联网状结构。经丁烷四羧酸整理后的棉织物，表面上会引入大量羧基活性基团，如图4所示为btca预处理化学反应的方程示意图。

基于“荷叶效应”的原理，利用溶胶—凝胶法，在酸或碱的催化作用下使正硅酸四乙酯水解形成羟基化产物，形成—si—oh基团，相邻—si—oh基缩合形成si—o—si网络结构，最终以颗粒状聚集体的形式存在。另外，正硅酸四乙酯的水解产物可以和经过丁烷四羧酸处理后的棉纤维上的羧基反应，通过化学键将有机组分与无机组分相连，从而明显增加棉织物表面粗糙程度，如图5所示为teos水解缩合处理到btca改性棉织物化学反应的方程示意图。织物具有拒水效应，最重要的条件之一就是降低织物的表面能量。十八烷基伯胺拥有长烷烃链，可以非常显著的降低织物表面能量，从而使织物获得拒水性能。

如图2所示为棉织物的拒水整理后性能研究方法的实验流程图，如图3所示为棉织物的拒水整理后性能研究方法的流程示意图，棉织物的拒水整理后性能研究方法，包括以下步骤：

步骤a.通过分组实验证明丁烷四羧酸预处理以及纳米二氧化硅粗糙整理均有利于整理后棉织物拒水性能的提高，所述分组实验包括静态接触角测量；

棉织物通过使用jc200d3接触角测量仪对棉织物进行静态接触角测量，所述静态接触角测量具体包括如下操作：首先将裁剪好的棉布条使用仪器固定后放在载物台上，点击电脑上活动图像按钮，屏幕上可以显示出屏幕上布样处的放大图像，之后在室内无强光的情况下对摄像头进行调焦使得屏幕上出现清晰的图像；再使用微量注射器压出体积3微升的液滴，然后旋转载物台底座的旋钮使载物台缓缓上升至所需高度，触碰到液滴后下降使得液滴留在布样上，在液滴落下10-20秒后锁定图像，使用测量软件测量液滴的接触角大小，之后重复操作在布样的其他位置一共测量三组数据，取其平均值作为最后结果。

仅用拒水整理液对棉织物进行拒水整理可以使棉织物具有一定程度的拒水效果，然而预处理以及粗糙整理是否可以在一定程度上增大棉织物的拒水效果，本实验做不同组合的对比来解决这个问题，如图6所示为棉织物整理前后的拒水性能表，如图7所示为原棉/oa静态接触角的放大示意图，如图8所示为原棉/oa/teos/btca静态接触角的放大示意图。

如图6所示，原棉因为具有较强的亲水性，静态接触角为0°，淋水等级仅为1级没有拒水效果相反具有较强的亲水性。经过oa拒水整理液处理的棉织物静态接触角达到123.35°，淋水等级提升到3级，具有较好的拒水效果。经过teos粗糙整理和oa拒水整理的棉织物接触角大小为135.87°，淋水等级在3-4级之间，拒水效果进一步增强。使用btca预处理液对棉布进行预处理后再对其进行teos粗糙整理以及oa拒水整理液拒水整理，经过三步整理的棉织物接触角达到139.81°，淋水等级为4级，为具有显著效果的棉织物。

由此说明丁烷四羧酸的预处理以及纳米sio2的粗糙整理均有利于棉织物拒水效果的提升。由此来看，棉织物的拒水性能主要有两方面的影响，一是拒水处理剂降低织物表面能量，二是织物表面粗糙度的增加。具有相同表面能量的织物，表面粗糙度整理可以很有效增大其疏水性能。

步骤b.再对整理前后的棉织物进行物理性能测试，所述物理性能包括抗湿性、白度和透气性，探究整理前后棉织物物理性能的变化；

棉织物采用yg(b)831型织物沾水度测试仪对棉织物的抗湿性能进行测试，对棉织物抗湿性的测定具体包括如下操作：把试样安装在卡环上并与水平成45度角放置，试样中心位于喷嘴下面规定的距离，之后将250ml去离子水迅速而平稳的注入试样上方的玻璃漏斗中以便淋水持续进行，淋水一停，迅速将夹持器连同连同试样一起拿开，使棉织物正面向下几乎成水平，然后对着一个硬物轻轻敲打二次(在蹦框径向上相对的两点各一次)，敲打后，试样仍在夹持器上，根据观察到的试样润湿程度，与标准评级标准进行对比，从而判断棉织物沾水等级。

棉织物采用yg461e型数字式透气量仪对棉织物的透气性进行测定，对棉织物透气性的测定具体包括如下操作：首先根据试样的大小对设备的各个参数进行设置，选定好合适的喷嘴，之后将试样自然的放在已选好的定值圈(与测定面积一致)上，使用试样绷直压环放于试样上以使试样自然平直，试样放好后，压下试样压紧手柄，使压紧圈压紧试样，之后先使仪器进入测试校零并进行自动测试状态，每个布样测试10次数据，最后取各个数据的平均值为结果。

经过拒水整理的棉织物表面附着一定量的拒水整理剂以及纳米sio2固体，这样一来棉织物的透气性能将会有一定程度的下降，本实验来探讨经过拒水整理后棉织物透气性能下降的具体程度，如图9所示为棉织物透气性测试的结果示意图。从图9中数据我们可以看出，每一步整理都会对棉织物透气性能有一定程度的减弱，但是即使经过三步法整理后棉织物也仅仅下降5.9mm/s，下降率不足6％，由此可见拒水整理对织物透气性能虽有一定程度影响，但总体来说棉织物透气性能只有微小的减弱，不影响织物服用性能。

棉织物白度的测定具体包括如下操作：将要测试的棉织物对折3次，然后放在试样座上，测试试样的三个不同地方的白度，记录显示屏上的黄变指数，取三次的平均值。需要注意的是避开织物上有明显色斑或色差的地方，这些地方会对实验结果产生较大影响。

如图10所示为本实施例中棉织物白度测试的结果示意图，从图10中数据我们可以看出，每种整理液整理后棉织物的白度均有所下降，特别是三步混合整理后的棉织物白度下降至76％,由此可以看出丁烷四羧酸尽管浓度很低，但还是对棉纤维有较大程度的损坏。而经过oa以及teos整理后，因为织物表面附着大量粗糙颗粒，因此白度也有一定程度下降，影响织物的美观。但总体来说对棉织物白度影响程度较小。

步骤c.进行一组三因素三水平的正交实验，正交实验具体包括如下操作：以十八烷基胺的浓度、焙烘温度和焙烘时间为研究要素，并按照因素水平进行正交实验后，如图11所示为棉织物正交工艺设计的因素水平表。对实验结果进行数据分析，如图12所示为棉织物正交工艺设计的实验结果表。

s误＝s总-sa-sb-sc＝601.73-376.34-54.8-35.2＝135.39

f总＝9-1＝8

fa＝fb＝fc＝2

f误＝8-2x3＝2

如图13所示为棉织物正交工艺设计的方差分析表，从以上方差分析中可以看出对整理效果影响最为显著的因素是a，因素主次顺序为abc，因为接触角越大表明整理效果越好，所以优方案取各因素kmax所对应水平，最优方案为a2b2c2，即oa浓度为4％，焙烘温度130℃，焙烘时间为5min时，棉织物拒水整理效果较好。

对正交实验单个因素做单因素数据分析，绘制出正交试验单因素趋势图，如图14所示为棉织物正交实验单因素的趋势示意图，从上图中我们可以看出，三个因素中，oa浓度所对应的数据变化幅度相对其他两因素来说较大，因此oa浓度(a)为最主要因素，焙烘温度(b)和焙烘时间(c)两因素相比，b因素所对应的的数据变化幅度大于c因素。因此因素影响程度b>c。综合看来，三因素影响程度a>b>c。

对于因素a来说，在oa浓度为4％(a2)时接触角值达到最大，因此选取a2为最佳整理条件。

对于因素b来说，在焙烘温度为130℃(b2)时接触角数值达到最大，因此选取b2为最佳条件。

对于因素c来说，在焙烘时间为5min(c2)时接触角数值达到最大，因此选取c2为最佳条件。

综上分析所得，棉织物拒水整理的较好方案为：a2b2c2，即oa浓度4％，焙烘温度130℃，焙烘时间5min。

以上是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

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