热智能化纤维素纺织品的研究

摘要

聚N-异丙基丙烯酰胺[Poly-（N-isopropylacrylamide），PNIPAAM]具有良好的温度敏感性能，在低临界溶解温度（Lower critical solution temperature，LCST）附近表现出明显的溶胀/收缩性能变化。但聚N-异丙基丙烯酰胺本身的机械强度很差，尤其是在被水溶胀后基本丧失了支撑其自身的能力，因此其应用受到了很大的限制。为克服这一不足，可通过各种方法如射线辐射接枝、光引发接枝、低温等离子体接枝和溶液自由基接枝等方法接枝NIPAAM到力学性能较好的其他聚合物基材上。接枝后不仅改善PNIPAAM的机械性能，更重要的是，通过接枝共聚可赋予接枝基材特殊的温度敏感性，扩大其应用范围和应用效果。
　　 本课题选用纤维素纺织品如棉、亚麻和粘胶织物作为接枝基材，通过简单可行的溶液自由基接枝法接枝NIPAAM于纤维上，制备具有温敏性的智能纺织品。
　　 在溶液自由基接枝方法中，引发体系选用硝酸铈铵（CAN）、过硫酸钾（KPS）、双氧水/抗坏血酸（H2O2/H2A）三种分别进行接枝试验，以优选适当的引发体系及相应的接枝聚合条件。实验结果可知，H2O2/H2A氧化还原引发体系的反应时间短，接枝率高，对织物白度影响小，是较为可行的引发体系。在H2O2/H2A体系中，考察了引发剂浓度、反应时间、单体浓度等对接枝率G％的影响，以优选反应条件。实验可得，引发剂浓度为7.5mmol/L时，反应时间为1.5h，单体浓度为10％时较为合适。
　　 接枝后纤维特性的表征主要通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和差示扫描热量仪（DSC）等测试分析手段进行。FTIR分析发现在红外谱图上有较为明显的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ、异丙基等特征吸收峰，证实了NIPAAM与棉织物发生了接枝聚合反应，；用SEM观察了接枝前后织物的表面形貌变化，发现接枝纤维表面和纤维之间有明显的聚合物生成；用DSC测定了接枝织物的LCST为32～33℃，接近于聚合物PNIPAAM的相转变温度，且不同接枝率下织物的LCST几乎不发生变化，而可逆焓变值△H随接枝率的提高有所增加。
　　 接枝产物的温敏性测试通过测定不同温度下的吸水性（毛细上升高度法和滴水法）来表征。在20℃下，由于接枝在纤维上的PNIPAAM发生伸展，易与环境中的水分子形成氢键，表现出亲水性好；反之，在50℃时，水分子的热运动加剧，PNIPAAM发生收缩，聚合物与水分子之间的氢键断裂，疏水性好；从而表现出接枝织物在低温下的吸水性高于高温下的吸水性。接枝棉、亚麻、粘胶织物都表现出明显的吸水性差异。同时由于接枝在织物上的PNIPAAM低温伸展、高温收缩的温敏性，导致低温下接枝织物组织之间孔隙变小，保暖性提高；高温下，织物组织之间孔隙变大，透气性好，给人以凉爽的感觉，即所谓的“冬暖夏凉”的效果。
　　 论文还简明地探讨了NIPAAM与纤维素的接枝聚合机理。宏观上，纤维素纤维接枝NIPAAM主要发生在纤维的无定形区和纤维表面；微观上，接枝主要发生在纤维素C（2）和C（6）的羟基（-OH）与NIPAAM的乙烯双键（-CH=CH-）之间，产生新的醚键（-C-O-C-）。在H2O2/H2A引发体系中，游离基（Cell·）由纤维素上的羟基（-OH）被[A-]阴离子自由基引发失去一个质子所得。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 N-异丙基丙烯酰胺的性质及其聚合物的温敏性机理

1.2.1 N-异丙基丙烯酰胺的性质

1.2.2 聚N-异丙基丙烯酰胺的温敏性机理

1.3 国内外研究现状

1.3.1 N-异丙基丙烯酰胺类材料的接枝方法

1.3.2 NIPAAM类材料的应用

1.4 本课题研究的内容和意义

第二章 织物表面接枝改性的表征方法及机理分析

2.1 织物表面接枝改性的表征方法

2.1.1 傅立叶变换红外光谱仪

2.1.2 差示扫描热量仪

2.1.3 扫描电子显微镜

2.2 织物白度测试

2.3 温敏性测试

2.4 接枝聚合机理

第三章 温敏性棉织物的制备及影响因素

3.1 实验部分

3.1.1 原料与试剂

3.1.2 实验方法与测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 体系中氧气存在对接枝率G％的影响

3.2.2 三种引发体系的接枝情况及影响因素

3.3 本章小结

第四章 Cell-g-PNIPAAM的表征与温敏性研究

4.1 实验部分

4.1.1 仪器测试与温敏性表征

4.2 结果与讨论

4.2.1 FTIR分析

4.2.2 温度敏感性研究

4.2.3 DSC分析

4.2.4 SEM分析

4.3 本章小结

第五章 温敏性亚麻和粘胶织物的制备与表征

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 原料与试剂

5.2.2 实验方法与测试

5.2.3 结果与讨论

5.3 本章小结

第六章结论与建议

参考文献

附 录

致 谢