[纺织助剂]硅系与钛系纳米浆料助剂性能的对比

       自2004年全国浆料浆纱年会以来，纳米浆料助剂发展迅速，应用范围也不断扩大。纳米浆料助剂有乳液型、溶胶型、溶液型、乳胶液型以及固体型，前二种都以纳米材料为主体，后三种是纳米浆料助剂。纳米材料作为添加剂成分或在丙烯浆料聚合过程中加入,或与丙烯浆料相混合，或添加到可以相混的其他浆料中，前二种是真正的纳米浆料助剂，后三种是用纳米材料改性的浆料，为了与乳液型纳米浆料助剂相区分，将添加纳米材料的丙烯乳液浆料暂时起名为乳胶液型纳米浆料助剂。目前市场上涌现出来的纳米材料品种比较多，其中关于以无机氧化物TiO2和SiO2制得的纳米浆料助剂性能的对比,尚未有报道，为此根据试验使用效果加以浅议。

 

1 纳米浆料助剂基本性能

 

       样品1为以比表面积（m³/g）是200粒经的SiO₂纳米材料为主体制得的纳米浆料助剂，产品代号为F；样品2为以粒经≤50nm的TiO₂为纳米材料制得的纳米浆料助剂,产品代号为L；样品3 TiO₂与样品2相同。不同之处在于使用不同的分散剂体系（表面处理剂）,产品代号为K。纳米浆料助剂基本性能见表1。

 

     

 

       由表1可知，三种样品除含固量接近外, 其余六项基本性能各不相同。样品3纳米粒子分散最细。样品2次之，样品1最次；粘度样品1原液最大，但当浓度降至3%时，粘度最小。关于长期储存性，原液粘度大未必不好，应该说有利于浆液稳定。样品3长期储存有少量沉淀，为此在使用前要求用高速剪切机搅拌半小时，而样品2和样品1无此项要求。样品2与样品3采用的纳米材料虽相同，但使用的分散剂（即纳米粒子表面修饰剂）不同，因而从外观到应用性也有所差别。

2 纳米浆料助剂对变性淀粉性能的影响

 

       参考文献^［1］中，就纳米浆料助剂对淀粉浆料性能的影响作过全面探讨，本文仅略作部分粗略的浅议。纳米浆料助剂对木薯变性淀粉浆料浆液性能的影响见表2。

 

3 纳米浆料助剂对酸解玉米淀粉浆料性能的影响（见表3）

 

 

   

 

       （1）由表2、表3看出，不论是木薯变性淀粉还是玉米酸解淀粉，淀粉浆中加入纳米浆料助剂对浆液粘度没有明显影响，但都会提高浆液粘度的热稳定性；

?

       （2）由表2看出，对没有凝胶性的的木薯变性淀粉来说，加入TiO₂系纳米浆料助剂对浆液凝胶性影响轻微，加入SiO₂系纳米浆料助剂略有影响，且随用量增加，凝胶性增加，因而为防止浆液凝胶，需保持一定温度或不停地搅拌浆液，并控制一定用量。以免浆液凝胶冻结在管道中；

 

       （3）浆液中加入纳米浆料助剂后，防霉性都有不同程度的提高。玉米酸解淀粉中加入TiO₂系纳米浆料助剂后，防霉性的提高强于SiO₂系，而木薯变性淀粉中加入SiO₂系纳米浆料助剂后，防霉性优于TiO₂。分析原因，可能SiO₂的表面修饰剂与木薯淀粉上的腈基（C≡N）对防霉性有协同作用；

 

       （4）相同的纳米材料，采用不同的分散剂制得的助剂，它们对浆液的抗凝胶性、防霉性都有差异。因此要制得性能良好的纳米浆料助剂，应该优选甚至组合好分散剂，以符合浆纱工艺要求。

4 纳米浆料助剂对淀粉浆液的粘着力影响（见表4）

 

     

 

       由表4可知：

       （1）玉米酸解淀粉加纳米浆料助剂后，明显提高了对棉、对涤/棉混纱粗纱的粘着力，对涤/棉粘着力提高的幅度，高于对纯棉的粘着力。

 

       （2）样品1 SiO₂与样品3Ti系比较。加1号样品的淀粉浆对涤/棉粘着力的提高优于3号样品。

       （3）不论样品1还是样品3，纳米浆料助剂对淀粉浆的添加量3.3%,粘着力高于5%的添加量,说明纳米浆料助剂用量并非愈多愈好。3.3%的用量相当生产实践中每桶浆75 kg玉米变性淀粉加纳米浆料助剂2.5 kg。

 

       淀粉浆加入纳米浆料助剂后能对粘着力大幅提高。分析原因不论SiO₂还是TiO₂表面积很大，表面布满了活性很强的硅醇基（Si-OH）或钛醇基（Ti-OH）。它们既可与淀粉上的羟基（-OH）氢键结合，也可与纤维上的羟基结合。制SiO₂、TiO₂系纳米浆料助剂的分散剂，不是一般的表面活性剂，主体是能对SiO₂、TiO₂表面改性的修饰剂（简称表面改性剂或表面修饰剂），它们柔韧的分子链的一端可与SiO₂、TiO₂表面的羟基结合。另一端或为另一种极性基团能增加对纤维上的羟基结合力，或为非极性基团，与纤维上的酯基具有亲和性。

?

       因此淀粉浆中加入纳米浆料助剂后，粘附力能大为提高。纳米颗粒依靠它的微尺寸，能渗入到浆液的各个方面，在浆液的干燥成膜过程中，则形成了以纳米材料为中心的联结网络。

 

       所以浆膜强力高韧性好。SiO₂中的Si原子与TiO₂的Ti原子，由于分子结构的关系均处于浆膜的表面，故浆膜表面摩擦系数低，浆膜显得十分光滑。

 

       （4）纳米浆料助剂对淀粉浆膜强伸度的影响见表5。

 

 

 

       由表5看出,变性淀粉中添加了3.3%的纳米浆料助剂后，浆膜强度有所提高，浆膜伸长有所增加。纳米浆料助剂用量增加到5.0%以后，比3.3%用量时的性能不升反降。由此进一步说明了添加纳米浆料助剂有一个限度，即无需超过3%左右。从对伸长率的影响比较来看,Ti系纳米浆料助剂优于Si系。

 

       这可能与SiO2分子上的Si－O键比Ti－O键长，

                                          ／﹨        ／﹨  

                                        O   O       O   O?

 

       团粒中Si键角比 Ti键角大因而材料结构空间大，造成Si系纳米浆料助剂有触变性有关。SiO₂分子空间结构大,从浆膜的透明度高于TiO₂纳米浆料助剂的淀粉浆膜也可进一步说明之。

5 小结

       （1）硅系和钛系纳米浆料助剂都能显著提高淀粉浆料的上浆性能，最显著的是粘着力的提高（尤其对T/C纱），浆液粘度热稳定性提高，浆膜伸长率增加，抗霉性改善。但对抗凝胶性略有下降；

 

       （2）淀粉浆中添加1号硅系纳米浆料助剂对T/C纱粘着力高于3号钛系助剂，而对浆膜伸长率增加则正相反。对二种不同淀粉的防霉性又正好相反，总的比较二者性能差异不大。唯对浆液的抗凝胶性硅系助剂差于钛系；

       （3）考虑到3号钛系纳米浆料助剂中钛元素是金属离子，浆膜导电性理应比1号硅系助剂强,遗撼未来得及测试。不过1号样品在制备过程中加了特别处理。因而二者在总体性能上才不分伯仲；

 

       （4）由于TiO₂纳米材料价格为SiO₂纳米材料的4～6倍，虽SiO₂的分散剂等价格比TiO₂贵1倍，用量也增加1～2倍，但总体成本号只有3号的1/2左右。所以SiO₂系纳米浆料助剂在价格上更有优势。

       参考文献：

              ［1］ 范雪荣.纳米级浆料添加剂上浆性能的作用机理探讨.

              ［2］ 赵林泉.纳米材料在纺织浆料中的应用和探讨.