多元羧酸分子结构对棉织物易护理的影响及计算机模拟

摘要

棉纤维织物具备优良的服用性能，因而受到人们的广泛喜爱，但其在穿着过程中易于起皱。N-羟甲基类交联剂被用于棉织物的免烫整理并取得了良好的防皱效果，但游离甲醛的释放则严重威胁到人们的健康。为此，印染工作者开发出许多无甲醛交联剂，其中多元羧酸最有望代替传统的2D树脂。低强力保留率和高整理成本这两大缺点使多元羧酸迟迟没能在工业上实现大规模应用。近几十年以来，研发人员也未能开发出成本低廉、绿色健康的高性能交联剂。纠其原因，人们对于交联剂分子结构与其赋予棉织物折皱回复性的关系认识不够充分。因此，理解多元羧酸分子对棉织物折皱回复性能的结构因素对开发新型交联剂有着重要的意义。 围绕上述目的，本文选择丙三酸（PCA）、丁烷四羧酸（BTCA）、顺式环戊烷四羧酸（cis-CPTA）、环己烷六甲酸（CHHA）、反式环戊烷四羧酸（trans-CPTA）、四氢呋喃四羧酸（HFTA）六种结构不同的多元羧酸，在相同工艺条件下对棉纤维织物进行整理，分析交联尺寸、分子体积、成酐温度、分子刚性几个因素对交联性能的影响，并重点对成酐因素和刚性因素交进行计算机分子模拟。实验结果表明： 经cis-CPTA、CHHA、BTCA、PCA、trans-CPTA与HFTA整理后织物的折皱回复角为266°、258°、250°、225°、209°、188°。分子体积最小的PCA（127.5?3）易于向纤维的内部扩散，体积最大的CHHA（244.2?3）在纤维中的扩散较为困难，合适的分子体积约在180?3左右。高效交联剂能够在烘焙过程中形成足够数量的酸酐中间体，这需要有较低的成酐温度，合适的成酐温度约在160℃。整理剂分子合适的交联尺寸在3?到6?之间，具备一定的可旋转性，确保交联剂能与纤维素发生有效的交联反应。同时，分子结构必须带有一定的刚性，这样才能更好的限制纤维素大分子链之间的滑移。 论文还运用分子模拟的方法探讨分子结构对酯化交联反应的影响，并分析交联剂分子的刚性因素。BTCA、cis-CPTA、trans-CPTA的成酐反应活化能分别为42.87kcal/mol、39.27kcal/mol和53.29kcal/mol，成酯反应的活化能分别为40.15kcal/mol、36.79kcal/mol和43.78kcal/mol。由于trans-CPTA的空间位阻较大，故而其反应的活化能高于其他羧酸。BTCA分子存在三个稳定的旋转构象，其相互转化的旋转势能为5.704kcal/mol、9.382kcal/mol和19.139kcal/mol；CPTA只存在两个稳定的旋转构象，两个构象相互转化的旋转势能为11.869kcal/mol和30.718kcal/mol，明显高于BTCA。CPTA的稳定构象少，且相互转化较为困难，因此其刚性大于BTCA。在受到外力时刚性分子能够使棉纤维产生较大的内应力；当撤去外力时，内应力能促使纤维素分子链段回复到初始的位置。相比于刚性较差的BTCA，CPTA具备更优异的交联效果。

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