染色涤纶织物耐光色牢度增进剂的研制、应用及机理

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随着我国社会经济快速发展,人民生活水平迅速提高,国防军事力量现代化进程进一步加快,包括军服在内的服装、家用及汽车装饰等诸多领域对纺织品耐光色牢度的要求越来越高;而另一方面,地球环境的日益恶化引起的紫外线辐射量不断增加,不仅严重危害到人们的身体健康,也加剧了服装及装饰用纺织品在使用过程中的光致变色现象。涤纶纤维由于其结实耐用而成为目前应用最为广泛的纺织纤维,而我国已成为位居世界第一的涤纶纤维生产大国和消费大国。虽然用分散染料染色的涤纶织物一般具有较高的耐光色牢度,但在使用过程中仍会在多种因素作用下发生褪色。目前,对那些耐光色牢度要求极高的涤纶纺织品,仍然需要在生产中添加具有光稳定作用的助剂来增进染色织物的耐光色牢度。当染色织物中的染料因吸收能量较高的紫外光子而处于激发态后,就有可能发生光化学反应,导致染料褪色或发生色光的变化。这种变化的发生同时也会受到纺织品基质的影响,上染到涤纶织物上的分散染料在对涤纶基质光降解最严重的波长范围下最容易发生光化学反应而褪色,这个波长范围在紫外区域的280nm至340nm之间,最敏感波长为310nm。紫外线吸收剂是一类能够强烈吸收紫外线并能将所吸收的能量以破坏性较小的形式释放出去的物质,在涤纶织物上添加紫外线吸收剂,可以避免由于紫外线对织物基质及织物上染料的照射而引发的光化学反应,对织物基质和染料起到保护作用,提高其耐光色牢度。因此,可以采用紫外线吸收剂作为开发涤纶耐光色牢度增进剂的有效成分,经过细化、分散制成稳定的分散液和分散染料同浴上染涤纶织物。而所要选用的紫外线吸收剂必须满足对紫外线具有强烈的吸收和对涤纶具有较高的上染等性能。为此,通过合成一只均三嗪类紫外线吸收剂、选择系列商品苯并三唑类紫外线吸收剂和一只二苯甲酮类紫外线吸收剂,将它们作为耐光色牢度增进剂的有效成分,研究它们的紫外线吸收特性、对涤纶的上染性能及其动力学和热力学、紫外线吸收剂与分散染料同浴上染涤纶的相互作用、改善涤纶织物耐光色牢度的作用及相关规律性等,以期筛选紫外线吸收剂,开发染色涤纶织物耐光色牢度增进剂。在均三嗪类紫外线吸收剂合成中,通过两步合成反应(1)三聚氯氰和间二甲苯在无水三氯化铝的催化作用下生成中间体2,4-二(2’,4’-二甲基苯基)-6-氯-1,3,5-三嗪(2)该中间体与间苯二酚在无水三氯化铝催化下生成2,4-二(2’,4’-二甲基苯基)-6-(2’,4’-二羟基苯基)-1,3,5-三嗪,获得最终目标产物;通过测试熔点、红外吸收光谱、核磁共振光谱、质谱以及紫外吸收曲线等手段对目标产物中间体及其最终产物进行表征,确定所合成的目标产物即为紫外线吸收剂UV-T;该紫外线吸收剂的分子量为397.0,在260-360nm之间有强烈吸收,吸收主峰位于286nm,最大吸收波长下的摩尔消光系数为2.82×104cm-1·mol-1·L。然后,以紫外线吸收剂UV-1为例,通过对细化、分散加工工艺中各参数的单因素分析和正交设计实验,得到制备均匀、稳定的紫外线吸收剂分散液的细化分散基本工艺条件:砂磨液中的紫外线吸收剂固含量28%,选用分散剂D-1用量为相对紫外线吸收剂的10%,超分散剂用量为相对紫外线吸收剂用量的2%,砂磨冷却水温度15℃,砂磨时的介质填充率选择为50%,砂磨时间2h。为了系统研究紫外线吸收剂对涤纶的上染性能,通过对紫外线吸收剂上染涤纶试样的DMF萃取试验及其温度、次数、时间等因素的分析和参比液选择,建立了紫外线吸收剂高温高压法上染涤纶织物的DMF萃取测试上染率方法;通过选择合适的分析波长和参比波长,建立了紫外线吸收剂与分散染料同浴上染涤纶上染率的双波长分光光度法测试方法,从而能够排除分散染料对紫外线吸收剂上染率测试的干扰。研究中不仅分析了所选用的各只苯并三唑类紫外线吸收剂结构对其吸收紫外线能力的影响,也比较了均三嗪类、苯并三唑类和二苯甲酮类紫外线吸收剂之间紫外线吸收特性的差异;并发现在各只紫外线吸收剂对涤纶的上染中,温度起着非常重要的作用;与分散染料上染涤纶遵循自由体积模型相类似,紫外线吸收剂上染涤纶温度高至130℃时,其对涤纶的上染率才迅速上升。分散液中紫外线吸收剂颗粒的粒径对其在涤纶上的上染性能有一定的影响,粒径越小越有利于紫外线吸收剂的上染;苯并三唑类紫外线吸收剂中,分子量小、分子体积小、结构简单的,对涤纶的上染率就高;不同类型的紫外线吸收剂中,分子呈线状的UV-7对涤纶织物上染率最高,它们的大小比较为:UV-7>UV-T>UV-3。比较苯并三唑类紫外线吸收剂和不同类型紫外线吸收剂上染涤纶织物的紫外线透过率和UPF值,发现上染率的高低对涤纶织物吸收紫外线能力的影响起主要的作用,而同时本身具有较强紫外线吸收能力的紫外线吸收剂,更能使涤纶织物强烈吸收紫外线,UPF值的大小表现为UV-7>UV-T>UV-3;然而,尽管紫外线吸收剂与分散染料同浴上染涤纶织物的色光基本没有变化,紫外线吸收剂和分散染料同浴上染涤纶织物时的上染率与各自单独上染时相比都有一定程度的下降。依据维克斯塔夫采用的双曲线吸附方程和希尔(Hill)公式,由上染速率求得所选择的5只典型的紫外线吸收剂对涤纶的平衡上染量、上染速率常数、半染时间及表观扩散系数等动力学参数;绘制了5只紫外线吸收剂在110℃和130℃下对涤纶纤维的吸附等温线,表明这些紫外线吸收剂对涤纶纤维的上染属于Nernst型,并分析了紫外线吸收剂对涤纶纤维的亲和力、染色热和染色熵值。针对分子较大、结构较复杂的紫外线吸收剂对涤纶上染率低的问题,参照涤纶纤维采用增塑剂、增溶剂提高分散染料上染率的方法,采用结构简单的乙酸正戊酯可以改善紫外线吸收剂单独上染涤纶时的上染性能;利用新型Gemini型表面活性剂对大分子量紫外线吸收剂的增溶作用,与乙酸正戊酯复配而成增塑增溶助剂使用,可进一步改善较大分子量、结构复杂紫外线吸收剂对涤纶的上染率;但该增塑增溶助剂在提高和分散染料同浴时紫外线吸收剂对涤纶上染率的同时,使染料对涤纶的上染率有更多的降低。采用优化的紫外线吸收剂细化分散工艺制备耐光色牢度增进剂,与分散染料同浴上染涤纶织物,可使染色涤纶织物的耐光色牢度有显著的改善,其中以紫外线吸收剂UV-3作为有效成分的耐光色牢度增进剂,改善染色涤纶织物耐光色牢度的效果最为显著,对原来耐光色牢度较低的分散染料染色涤纶织物可提高其耐光色牢度1.5级,对原来耐光色牢度较高的分散染料染色涤纶织物可提高其耐光色牢度0.5级;以紫外线吸收剂UV-7和UV-T作为有效成分的耐光色牢度增进剂,能使低或中等耐光色牢度的分散染料染色涤纶织物的耐光色牢度提高0.5-1级,某些高耐光色牢度分散染料染色涤纶织物的耐光色牢度提高0.5级。以紫外线吸收剂为有效成分的耐光色牢度增进剂,对原来较低或中等耐光色牢度的分散染料染色涤纶织物的耐光色牢度改善作用显著,而对原来耐光色牢度较高的分散染料染色涤纶织物改善作用较弱。以紫外线吸收剂为有效成分的耐光色牢度增进剂改善染色涤纶织物的耐光色牢度作用,主要取决于所选用紫外线吸收剂在涤纶敏感波长310nm处的吸光强度和该紫外线吸收剂对涤纶的上染量,以两者的乘积作为紫外线吸收剂对染色涤纶织物耐光色牢度改善作用的预测参数,为染色涤纶织物耐光色牢度增进剂的设计、制备提供了理论依据。
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