亲水性聚酯纤维及其制备方法和应用与流程

2021-01-13 12:01:07|

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本发明涉及轻工纺织领域的聚酯纤维材料表面功能化领域，具体涉及一种亲水性聚酯纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

聚酯纤维是由有机二元酸和二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝所得的合成纤维，简称pet纤维。因其优异的抗皱性、保形性，且具备较高的强度与弹性恢复能力等优势，被广泛应用于织物、纺织品、输送带、绳索、电绝缘材料、轮胎帘子线等。然而聚酯纤维的大分子间以共价键相互连接，不能电离，也不能传递电子和离子，另外其分子基团极性较小，属于疏水性纤维，从而易产生静电。在使用过程中，静电容易对人体及精密仪器造成较大的损伤。同时，织物表面静电富集后，容易使织物相互缠绕、吸尘，降低纺织品的舒适性，从而限制了聚酯纤维的应用。因此，对聚酯纤维进行表面改性，改变其表面疏水性以减少静电的产生是纺织品、电绝缘材料等领域亟需的关键技术。

值得关注的是，近年来，随着全球环保形势的日益严峻，以聚酯纤维为主要材质的废弃织物、袋制品、建筑材料等都面临回收在处理方面的严重问题。我国再生资源存量主要包括废旧聚酯和废旧纺织品，目前，聚酯瓶的社会产生量已超过500万吨，废旧纺织品存量达2600万吨，其中，化学纤维1800万吨，天然纤维800万吨。以废旧纺织品为例，我国重点城市及地区废旧纺织品年收储量只有350万吨，在加强生态文明建设，发展绿色循环经济的战略构想下，废旧纺织品回收再利用的潜力很大。其中，通过采用安全环保的化学试剂，对废旧纺织品表面进行修饰，实现聚酯纤维表面的功能化是废弃聚酯纤维再生资源化的有效途径一直，而且通过表面有效的修饰，可以增加废弃聚酯纤维的附加值。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是：聚酯纤维表面惰性引起的疏水性问题，本发明通过对聚酯纤维表面进行功能化，在纤维表面嫁接活性亲水基团，提升聚酯纤维表面的亲水性。为制备亲水性良好的聚酯纤维材料提供一种工艺简单、环境友好的表面功能化方法和亲水性聚酯纤维的制备方法。

本发明分别采用纯聚酯纤维和废弃聚酯纤维作为基体，经过光照、自由基转移及表面修饰等过程，制备出表面亲水性良好的聚酯纤维。聚酯纤维为pet中重复结构的聚合物，过氧化氢在紫外光照的条件下，能产生活性自由基，在与pet纤维接触时，活性自由基能直接转移到pet纤维上，从而使pet纤维表面带有活性；然后通过其他小分子盐的修饰，对pet纤维表面的活性自由基进行锚定，使其表面具备更好的亲水性。

本发明所用术语pet树脂指的是聚对苯二甲酸乙二醇酯，均重分子量为30000～300000，本发明所述pet树脂包括pet树脂和pet树脂制品，例如pet塑料或pet纤维(聚酯纤维)。

具体来说，本发明为了解决上述技术问题，提供了如下技术方案：

一种表面亲水性聚酯纤维材料，其特征在于，其采用含有下述组分的原料制成：pet树脂、过氧化氢、过硫酸盐、碳酸氢钠和季铵盐。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述pet树脂为聚酯纤维。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述季铵盐为含碳链的季铵盐，所述碳链的碳原子数为2～5；优选的，所述的季铵盐选自2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、3-氯-2-羟丙基三甲基铵氯化物或四丁基氯化铵中的一种以上，优选为2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述过硫酸盐选自过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述过氧化氢与pet树脂的质量比为(0.5-1.0)：1，所述过硫酸盐水溶液与pet树脂的质量比为(0.1-0.5)：1，所述碳酸氢钠与pet树脂的质量比为(0.2-0.5)：1，所述季铵盐与pet树脂的质量比为(0.1-0.5)：1，其中，所述过硫酸盐水溶液的浓度为3-8mol/l。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述过氧化氢与pet树脂的质量比为(0.5-0.7)：1，所述过硫酸盐水溶液与pet树脂的质量比为(0.1-0.2)：1，所述碳酸氢钠与pet树脂的质量比为(0.2-0.3)：1，所述季铵盐与pet树脂的质量比为(0.1-0.35)：1。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述过氧化氢与pet树脂的质量比为(0.5-0.7)：1，所述硫酸盐水溶液与pet树脂的质量比为(0.1-0.15)：1，所述碳酸氢钠与pet树脂的质量比为(0.25-0.30)：1，所述季铵盐与pet树脂的质量比为(0.1-0.2)：1。

优选的，上述表面亲水性聚酯纤维材料中，所述的表面亲水性聚酯纤维材料中，按重量份计，原料包括聚酯纤维10-25份、过氧化氢5-15份、过硫酸钾1-5份、碳酸氢钠2-7份和2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物1-8份，优选为聚酯纤维15份、过氧化氢10、过硫酸钾2份、碳酸氢钠4份和2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物3份。

本发明还提供上述表面亲水性聚酯纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)清洗pet树脂；

(2)将步骤(1)中清洁的pet树脂与过氧化氢在光照下进行反应；

(3)将步骤(2)得到的pet树脂与过硫酸盐在光照下进行反应；

(4)将步骤(3)得到的pet树脂与碳酸氢钠和季铵盐加入水中，进行反应，制得表面亲水聚酯纤维材料。

优选的，上述制备方法中，所述pet树脂为聚酯纤维。

优选的，上述制备方法中，步骤(2)中光照条件为紫外光，光照强度为2.0w/m²-16w/m²，光照时间为30min～120min。

优选的，上述制备方法中，步骤(2)中，将得到的pet树脂与过氧化氢避光后，在光照下进行反应。

优选的，上述制备方法中，步骤(3)中光照条件为紫外光，光照强度为1.0-5.0w/m²，光照时间为10min～60min。

优选的，上述制备方法中，步骤(3)中，将步骤(2)所得pet树脂与过硫酸盐避光后，在光照下进行反应。

优选的，上述制备方法中，步骤(4)中所述反应温度为40-80℃。

优选的，步骤(4)所述反应过程在搅拌条件下进行，搅拌速率为250-600r/min；搅拌时间为80-160min。

优选的，上述制备方法还包括将所得表面亲水聚酯纤维材料洗涤、干燥的过程。

本发明还提供一种亲水性聚酯纤维材料，其通过上述的方法制备得到。

本发明还提供上述亲水性聚酯纤维材料在轻工纺织领域的应用。

本发明的有益效果：(1)工艺简单，并且利用废弃聚酯可以较少对环境的污染；(2)经过表面修饰后聚酯纤维表面具有良好的亲水性能，本发明所述表面亲水性聚酯纤维材料的接触角平均值可达60°～90°，优选为60°～80°，更优选为60°～65°。

附图说明

图1为实施例1所得亲水性聚酯纤维的红外光谱结果。

图2为实施例1所得亲水性聚酯纤维表面接触角测试结果。

图3为实施例2所得亲水性聚酯纤维表面接触角测试结果。

图4为实施例3所得亲水性聚酯纤维表面接触角测试结果。

图5为实施例4所得亲水性聚酯纤维表面接触角测试结果。

图6为对比例1所得聚酯纤维表面接触角测试结果。

具体实施方式

本发明为了解决聚酯纤维材料表面惰性而引起的疏水性问题，提供一种表面亲水聚酯纤维材料，同时提供了一种表面亲水聚酯纤维材料的制备方法，通过对原料pet树脂进行表面改性，制备得到的聚酯纤维材料表面具有亲水基团，提高了其表面亲水性。

一种优选的实施方式中，本发明分别采用纯pet树脂和废弃pet树脂作为基体，经过光照、自由基转移及表面修饰等过程，制备出表面亲水性良好的聚酯纤维。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种表面亲水的聚酯纤维材料，其由下述原料(按照重量份数)制备而成：聚酯纤维10-25份、过氧化氢5-15份、过硫酸钾1-5份、碳酸氢钠2-7份、无水乙醇10-20份、2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物(矮壮素)1-8份、去离子水60-120份。

另一种优选的实施方式中，本发明提供了一种表面亲水的聚酯纤维树脂的制备方法，包括下述步骤：

(1)将纯净或者废弃的pet树脂原料置于烧杯中，向烧杯中倒入去离子水并用玻璃棒搅拌，将烧杯放入超声波清洗机中清洗30分钟；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用；

(2)将过氧化氢放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(1)中的清洗后的pet树脂原料平铺于培养皿中，盖上遮光罩后，放置于紫外光下，光照强度为2.0w/m²-16w/m²，经过一定时间(30min～120min)的培养后，将聚酯纤维取出，采用去离子水将其清洗干净备用；

(3)将过硫酸钾溶液(5mol/l)放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(2)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，密封后放置于紫外光(光照强度为1.0-5.0w/m²)下，经过一定时间(10min～60min)的培养后，将聚酯纤维取出，使用去离子水将其清洗干净备用。

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与碳酸氢钠、2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、去离子水混合，在60℃、转速为400r/min的磁力搅拌器中进行搅拌反应2小时，取出后采用去离子水和无水乙醇交替清洗干净后，之后放置于40℃的干燥箱中12小时，干燥完成后，即可得到表面亲水聚酯纤维材料。

下面将通过实施例具体说明本发明所述表面亲水性聚酯纤维及其制备方法。

在下面的实施例中，所用的各试剂和仪器的信息如下：

纯净的聚酯纤维，购自苏州正邦化纤有限公司。

废弃聚酯纤维由下述步骤处理得到：将纯净的聚酯纤维经过乙醇和蒸馏水(体积比为1:1)的混合物浸泡，在200w功率、15分钟的超声清洗工艺后得到的纤维制品。

2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物(矮壮素)，化学纯，购自河南天孚化工有限公司。

uv灯，有效广谱范围在350nm～450nm之间，主波峰为365nm，购自河北贺翔光电科技有限公司。

表面接触角测试仪，型号：ca20型，厂家：dataphysics,germany。

磁力搅拌器，型号：cmagms7型，厂家：德国ika集团。

红外光谱仪，型号：ftir-8400s(ce)，厂家：日本岛津仪器。

超声波清洗机，型号：kq-200vdv型，厂家：昆山市超声仪器有限公司。

其他试剂为化学纯，购自上海晶纯试剂有限公司。

实施例1

一种亲水性聚酯纤维材料及其制备方法，采用表1中重量份数的原料：

表1亲水性聚酯纤维材料原料(质量/g)

(1)将纯净的聚酯纤维放置于烧杯中，往烧杯中倒入20g去离子水用玻璃棒搅拌，将烧杯放入超声波清洗机中清洗30分钟；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

(2)将10g过氧化氢放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(1)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为10w/m²，经过60min的培养后，将聚酯纤维取出，使用10g去离子水将其清洗干净备用。

(3)将2g过硫酸钾溶液(5mol/l)放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(2)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为5w/m²，经过20min的培养后，将聚酯纤维取出，使用10g去离子水将其清洗干净备用。

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与4g碳酸氢钠、3g的2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、20g去离子水混合，在60℃、转速为400转/分钟的磁力搅拌器中进行搅拌反应2小时，然后将聚酯纤维取出，使用20重量份去离子水和10g无水乙醇交替清洗干净后，放置于40℃的干燥箱中12小时，烘干，得到亲水性的聚酯纤维。

经过红外光谱检测，结果如图1所示，在3433cm^-1位置出现羟基的伸缩振动，在1720cm^-1位置出现c＝o基团的伸缩振动峰，1574cm^-1位置出现coo羧酸根反对称伸缩振动，1504cm^-1位置出现芳香环c＝c伸缩振动，这些特征峰都表明该聚酯纤维表面已经接枝有亲水性羧基。用表面接触角测试仪检测所得亲水性聚酯纤维的表面接触角(将样品放置于检测台上，测试软件上设置水滴量为2微升)，结果如图2所示，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为62.75°，表现出亲水性。用同样的方法检测未改性的纯净聚酯纤维的接触角平均值为102°。

实施例2

一种亲水性聚酯纤维材料及其制备方法，采用表2中重量份数的原料：

表2亲水性聚酯纤维材料原料(质量/g)

(1)将纯净的聚酯纤维放置于烧杯中，往烧杯中倒入15g去离子水用玻璃棒搅拌，将烧杯放入超声波清洗机中清洗30分钟；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

(2)将5g过氧化氢放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(1)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为16w/m²，经过30min的培养后，将聚酯纤维取出，使用5g去离子水将其清洗干净备用。

(3)将1g过硫酸钾溶液(8mol/l)放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(2)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为1w/m²，经过60min的培养后，将聚酯纤维取出，使用5g去离子水将其清洗干净备用。

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与2g碳酸氢钠、1g的2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、20g去离子水混合，在40℃、转速为600转/分钟的磁力搅拌器中进行搅拌反应1.5小时，然后将聚酯纤维取出，使用15g去离子水和10g无水乙醇交替清洗干净后，放置于40℃的干燥箱中12小时，烘干，得到亲水性的聚酯纤维。

经红外检测，得到与实施例1相同的红外光谱，说明本实施例所得改性后的聚酯纤维表面已经接枝有亲水性羧基。

表面接触角测试结果如图3所示，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为77.95°，表现出亲水性。

实施例3

一种亲水性聚酯纤维材料及其制备方法，采用表3中重量份数的原料：

表3亲水性聚酯纤维材料原料(质量/g)

(1)将纯净的聚酯纤维放置于烧杯中，往烧杯中倒入30g去离子水用玻璃棒搅拌，将烧杯放入超声波清洗机中清洗30分钟；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

(2)将15g过氧化氢放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(1)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为2w/m²，经过120min的培养后，将聚酯纤维取出，使用30g去离子水将其清洗干净备用。

(3)将5g过硫酸钾溶液(3mol/l)放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(2)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为2w/m²，经过60min的培养后，将聚酯纤维取出，使用10g去离子水将其清洗干净备用。

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与7g碳酸氢钠、8g的2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、20g去离子水混合，在80℃、转速为300转/分钟的磁力搅拌器中进行搅拌反应2.5小时，然后将聚酯纤维取出，使用30g去离子水和20g无水乙醇交替清洗干净后，放置于40℃的干燥箱中12小时，烘干，得到亲水性的聚酯纤维。

经红外检测，得到与实施例1相同的红外光谱，说明本实施例所得改性后的聚酯纤维表面已经接枝有亲水性羧基。

经过表面接触角测试，结果如图4所示，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为88.1°，表现出亲水性。

实施例4

一种亲水性聚酯纤维材料及其制备方法，采用表4中重量份数的原料：

表4亲水性聚酯纤维材料原料(质量/g)

(1)将废弃的聚酯纤维放置于烧杯中，往烧杯中倒入20g去离子水用玻璃棒搅拌，将烧杯放入超声波清洗机中清洗30分钟；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

(3)将2重量份过硫酸钾溶液(5mol/l)放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(2)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，密封后放置于紫外光下，调节光照强度为5w/m²，经过20min的培养后，将聚酯纤维取出，使用10g去离子水将其清洗干净备用。

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与4g碳酸氢钠、3g的2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、20g去离子水混合，在60℃、转速为400转/分钟的磁力搅拌器中进行搅拌反应2小时，然后将聚酯纤维取出，使用20g去离子水和10g无水乙醇交替清洗干净后，放置于40℃的干燥箱中12小时，烘干，得到亲水性的聚酯纤维。

经红外检测，得到与实施例1相同的红外光谱，说明本实施例所得改性后的聚酯纤维表面已经接枝有亲水性羧基。

经过表面接触角测试，结果如图5所示，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为89.35°，表现出较弱的亲水性。

实施例5

一种亲水性聚酯纤维材料及其制备方法，采用表5中重量份数的原料：

表5亲水性聚酯纤维材料原料(质量/g)

(3)将5g过硫酸钾溶液(5mol/l)放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(2)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为5w/m²，经过20min的培养后，将聚酯纤维取出，使用10g去离子水将其清洗干净备用。

经红外检测，得到与实施例1相同的红外光谱，说明本实施例所得改性后的聚酯纤维表面已经接枝有亲水性羧基。

经过表面接触角测试得出，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为86.7°，表现出较弱的亲水性。

实施例6

一种亲水性聚酯纤维材料及其制备方法，采用表6中重量份数的原料：

表6亲水性聚酯纤维材料原料(质量/g)

(2)将5g过氧化氢放置于干燥的培养皿中，然后将步骤(1)中的聚酯纤维平铺于培养皿中，避光后放置于紫外光下，调节光照强度为10w/m²，经过60min的培养后，将聚酯纤维取出，使用10g去离子水将其清洗干净备用。

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与5g碳酸氢钠、5g的2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物、20g去离子水混合，在60℃、转速为400转/分钟的磁力搅拌器中进行搅拌反应2小时，然后将聚酯纤维取出，使用20重量份去离子水和10g无水乙醇交替清洗干净后，放置于40℃的干燥箱中12小时，烘干，得到亲水性的聚酯纤维。

经红外检测，得到与实施例1相同的红外光谱，说明本实施例所得改性后的聚酯纤维表面已经接枝有亲水性羧基。

经过表面接触角测试得出，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为84.6°，表现出较弱的亲水性。

实施例7

本实施例与实施例1类似，区别为：

(4)将步骤(3)中得到的聚酯纤维与4g碳酸氢钠、3g的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、20g去离子水混合，在60℃、转速为400转/分钟的磁力搅拌器中进行搅拌反应2小时，然后将聚酯纤维取出，使用20重量份去离子水和10g无水乙醇交替清洗干净后，放置于40℃的干燥箱中12小时，烘干，得到亲水性的聚酯纤维。

经过表面接触角测试得出，改性后的聚酯纤维表面接触角平均值为86.4°，表现出较弱的亲水性。

对比例1

取实施例4所用的废弃的聚酯纤维，仅进行表面清洗：将废弃的聚酯纤维放置于烧杯中，往烧杯中倒入20g去离子水用玻璃棒搅拌，将烧杯放入超声波清洗机中清洗30分钟；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

经过表面接触角测试结果如图6所示，未经改性的聚酯纤维表面接触角约为112.3°，表现出较强的疏水性。

对比例2

对比例2与实施例1类似，区别为：无步骤(3)所述过硫酸钾处理的过程，经过(4)步骤中的碳酸氢钠和2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物处理后，清洗；然后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

经过表面接触角测试可知，未经改性的聚酯纤维表面接触角约为106.8°，表现出较强的疏水性。

对比例3

对比例3与实施例1类似，区别为：无(4)步骤中的碳酸氢钠和2-氯-n,n,n-三甲基乙铵氯化物处理过程；经步骤(3)处理后将烧杯中的聚酯纤维倒出，使用冷风吹干机将其吹干备用。

经过表面接触角测试结果为，未经改性的聚酯纤维表面接触角约为103°，表现出较强的疏水性。

对比例4

对比例4与实施例1类似，区别为：步骤(4)中没有碳酸氢钠，用与实施例1相同的方法制备得到亲水性聚酯纤维。