通过静电自组装技术增强莱赛尔针织织物的强度,并制备出无甲醛的防纤维化薄膜

《Progress in Materials Science》:Strength enhancement and zero formaldehyde film for fibrillation resistance of lyocell knitted fabric via electrostatic self-assembly

【字体: 时间:2025年12月04日 来源:Progress in Materials Science 40

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  抗分裂纤维膜制备及Lyocell针织物性能优化研究,采用EDC-PAE电静自组装法在Lyocell针织物表面构建三重作用保护膜(抑制纤维膨胀/物理屏障/纤维团簇),使撕裂强度提升5.1%且白度保持率>95%,相比传统交联法减少甲醛释放达100%,为环保型高性能纤维素针织物开发提供新策略。

  
郑秋萌|王磊|方雷|鲍伟|郝龙云|方宽军
山东省纺织与服装学院,青岛大学低碳与功能性纺织品实验室,中国青岛市266071

摘要

莱赛尔纤维是一种可持续且高性能的再生纤维素纤维。然而,其在机械应力作用下的湿态纤维化倾向严重阻碍了莱赛尔织物的加工。传统的抗纤维化方法存在诸如强度损失、发黄和甲醛释放等缺点,并且主要针对莱赛尔机织织物。为了克服这些限制,本文提出了一种通过静电自组装技术制备薄膜来赋予莱赛尔针织织物抗纤维化性能的策略。首先利用静电作用将环氧氯丙烷-二甲胺共聚物(EDC)和聚丙烯酸乳液(PAE)依次吸附到织物表面,形成一层保护膜。该保护膜通过三种机制抑制纤维化:抑制纤维膨胀、提供物理保护和粘合并游离纤维。与未经处理的织物相比,这种抗纤维化处理使织物的抗破强度提高了5.1%,同时不会影响其白度和光泽度。此外,还显著提高了织物的湿态透气性(45.6%)。这种无甲醛的方法在生产高质量、可持续的莱赛尔针织纺织品方面展现了巨大潜力。

引言

用可再生资源(如自然界中丰富的纤维素)替代化石基原材料,以生产零碳和低碳的可持续纺织品,是环保发展的重要组成部分[1]。莱赛尔纤维是一种绿色再生纤维素纤维,采用N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)作为溶剂进行纤维素浆料的纺丝制备[2]。其独特的浆料制造技术和封闭的生产流程使得溶剂回收率超过99.7%[3]。这种生产过程无毒、无害、节能且环保,符合可持续发展的要求[4,5]。此外,莱赛尔纤维结合了棉的舒适性、接近聚酯的强度、羊毛的美丽以及丝绸的柔软度,在纺织行业中广受欢迎[6],[7],[8]。然而,莱赛尔纤维在潮湿状态下受到摩擦时,会沿轴向分裂成直径小于1微米的纤维[9,10]。一方面,这一特性可用于生产独特的桃皮绒织物[11];另一方面,这些纤维具有不同的光散射行为,导致染色缺陷,如织物颜色变淡和表面划痕[12,13],这显著影响了织物的外观,并极大地限制了其应用范围。
目前,已经开发出多种方法来控制莱赛尔织物的纤维化现象。使用纤维素酶处理织物可以去除表面纤维,但并未从根本上解决纤维化问题[14]。1,3,5-三丙烯酰基-六氢-1,3,5-三嗪(TAHT)与纤维素大分子交联,降低了莱赛尔织物的纤维化倾向[15,16],但该方法存在强度损失大和成本高的问题。二甲醇二羟基乙烯脲(DMDHEU)也被用作莱赛尔织物的抗纤维化处理剂,但未反应的DMDHEU会导致水解并释放甲醛,引发安全风险[17,18]。此外,柠檬酸还用于与纤维素大分子的酯化反应,虽然有效降低了莱赛尔织物的纤维化倾向,但交联后会导致明显的发黄并降低织物强度[19,20]。大多数现有的抗纤维化技术主要集中在莱赛尔机织织物的轧制和烘焙工序上,而对于莱赛尔针织织物的抗纤维化研究相对较少。
本研究提出了一种基于静电自组装的策略,旨在改善莱赛尔织物的抗纤维化性能,同时避免严重的发黄、甲醛释放和强度损失。首先使用阳离子型环氧氯丙烷-二甲胺共聚物(EDC)在织物表面形成正电荷层,然后通过静电作用吸附阴离子型聚丙烯酸乳液(PAE)形成薄膜。EDC是一种阳离子有机絮凝剂,能够从水和废水中去除悬浮颗粒和胶体[21,22]。尽管单体环氧氯丙烷具有毒性,但其聚合形式EDC由于分子量较高,被认为具有较低的生态和健康风险。此外,PAE在织物表面的吸附和成膜作用增强了EDC的固定效果。PAE常被用作成膜剂、粘合剂和分散剂,应用于涂料、纺织和建筑等多个领域[23],[24],[25]。作为含有活性基团的聚合物,PAE能在织物表面形成稳定且惰性的薄膜,更安全且环保。
通过扫描电子显微镜(SEM)评估了多次洗涤后莱赛尔织物表面的纤维化情况。研究了聚丙烯酸乳液(PAE)的用量、烘焙温度和烘焙时间对莱赛尔织物抗纤维化性能的影响。此外,通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、ζ电位、接触角和膨胀度测量等方法分析了静电自组装的抗纤维化机制。进一步通过测试莱赛尔织物的抗破强度、白度、光泽度和透气性,评估了该抗纤维化方法在日常使用中的效果。这一方法为高质量莱赛尔针织织物的广泛应用提供了新的见解。

材料

所使用的100%莱赛尔针织织物(197克/平方米)来自青岛吉发集团有限公司。其α-纤维素含量为97.19%,半纤维素含量为2.24%,木质素含量为0.53%,分子量为89,104道尔顿。环氧氯丙烷-二甲胺共聚物(EDC,固体含量50%)购自广东翁江化学试剂有限公司。聚丙烯酸乳液(PAE,固体含量45%,密度1.0–1.1克/立方厘米)购自上海康顿新材料有限公司。NaOH由...

PAE浓度对纤维化抗性影响

研究了不同洗涤周期下PAE浓度对莱赛尔织物抗纤维化性能的影响。图2显示,随着洗涤次数的增加,织物表面的纤维化现象加剧。未经处理的莱赛尔织物表面有大量纤维,这些纤维会缠结成球状;而经过EDC-PAE处理的莱赛尔织物表面纤维较少。

结论

本研究成功开发了一种静电自组装策略,为莱赛尔针织织物赋予了抗纤维化性能。该方法通过依次将阳离子EDC和阴离子PAE吸附到织物表面,利用静电作用形成保护膜。该保护膜通过三种机制有效抑制纤维化:抑制纤维膨胀、提供物理保护和粘合并游离纤维。在...

作者贡献声明

郑秋萌:撰写初稿、方法论设计、实验研究、概念构建。王磊:数据可视化、方法论设计。方雷:实验研究、概念构建。鲍伟:数据可视化、概念构建。郝龙云:结果验证、实验监督、概念构建。方宽军:撰写修订稿、实验监督、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国山东省重点研发计划(项目编号:2023CXGC010612)、生物纤维与生态纺织品国家重点实验室(项目编号:ZDKT202008、ZDKT202103)以及青岛大学的Textile Plus联合研究计划(项目编号:FZ2024101)的支持。
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