СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ВОДООТТАЛКИВАЮЩИХ СВОЙСТВ ВОЙЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ГИДРОФОБНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
METHOD FOR IMPROVING WATERPROOF PROPERTIES OF FELT MATERIALS USING HYDROPHOBIC SILICON DIOXIDE NANOPARTICLES

2
Изобретение относится к физическому способу повышения водоотталкивающих свойств войлочных материалов. Способ заключается в насыщении войлочного материала гидрофобным нанодисперсным порошком диоксида кремния SiO марки Wacker HDK Н20 (Германия) с размером частиц от 5 до 40 нм, растворенного в этиловом спирте и последующее удаление растворителя. Обработка войлочного материала гидрофобным нанодисперсным порошком производится в ультразвуковой ванне в суспензии этиловый спирт-нанопорошок с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 12 ч. Изобретение обеспечивает повышение гидрофобности волокон шерсти, характеризующегося значением краевого угла смачивания водой не менее 120° и не требует введения в раствор дополнительных эмульгаторов и сшивающих агентов. Изобретение относится к модификации войлочных материалов и может быть использовано для придания водоотталкивающих свойств текстильным материалам на основе шерсти.
Способ является технологичным и не требует больших материальных, энергетических затрат.
В настоящее время наиболее распространенным являются химические способы гидрофобизации текстильных материалов. Принцип химических способов гидрофобизации текстильных материалов заключается в том, что для придания гидрофобных свойств волокнистым материалам на заключительной стадии отделки их обрабатывают агентами с низкой поверхностной энергией. Для этого используются готовые композиции отечественного или импортного производства: модифицированные производные меламина или этиленмочевины, содержащие остатки высших жирных кислот (Аламин С, Байгард AFF, AG-4000); препараты на основе эмульсий парафинов и восков с солями алюминия или циркония (Аламин 520, Перлит 40178). Широкое применение нашли препараты на основе силоксанов (ПЕНТА различных марок, ГКЖ-94, А-4) и полисилоксанов Siligen SIR (производство немецкой фирмы Rudolf Chemie) или фторсодержащих полимеров (Скотчгард, латексы ЛФМ-2, ЛФМ-3, ЛФМ-Н). Эффективность различных препаратов, можно расположить в ряд по мере увеличения их гидрофобизирующей активности: парафины, силаны и силоксаны, фторсодержащие углеводороды. [Холмберг К., Йенссон Б., Кронберг Б., Линдман Б. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. - М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007, с. 387].
3
3
Известен химический способ гидрофобизации тканей фторсодержащим алкоксисиланом в среде сверхкритического диоксида углерода (Химические волокна. 2009, №1, с. 39-44) [1] путем нанесения перфторалкилгептанамида на поверхность ткани непосредственно из раствора в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 35-70°C, давлении от 10 до 22 МПа, продолжительности выдержки в сверхкритической среде от 1 до 3 часов и концентрации модификатора от 1.25 до 9 мг/см после экспозиции проведением декомпрессии кюветы со скоростью 1.2; 0.5 или 0.3 см/мин с последующей температурной обработкой тканей путем каландрирования при 180°C или прогрева поверхности горячим воздухом при 90°C в течение 1 мин. Использование фторуглеводородных заместителей в составе силоксановых олигомеров являются «отправными пунктами» на пути достижения этого эффекта [M.J. Owen. Fluorosilicone coatings. // Polymer Preprints. 2006. V. 47(2), P. 1125; T. Ruhl, P. Spahn, H. Winkler, G.P. Hellmann. // Macromol. Chem. Phys. 2004. V.205. P. 1385; J.M. Mabry, B.D. Viers. Ultrahydrophobicity and molecular surface roughness in fluorinated polyhedral oligomeric silsesquioxanes. // Polymer Preprints. 2006. V. 47(2), P. 1216]. Однако супергидрофобный эффект при использовании фторуглеводородных производных силоксанов наблюдался лишь при обработке наноструктурированных твердых поверхностей. Использование соединений этого типа для обработки текстильных материалов неизвестно.
3
2
5
2
3
2
5
3
Из патента РФ №2394956 [2] известен способ получения защитного гидрофобного и олеофобного покрытия на текстильном материале, включающий обработку ткани раствором фторсодержащего соединения и последующее удаление растворителя. В качестве фторсодержащего соединения используют 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,-7,7,7-тридекафтор-N-[3-(триэтоксисилил)пропил]-гептанамид формулы CF(CF)-C(O)-NH-(CH)Si(OCH). Растворителем является слабополярный органический растворитель из ряда: этиловый спирт, изопропиловый спирт, ацетон, тетрагидрофуран или толуол. После удаления растворителя осуществляется дополнительная фиксация гидрофобизатора обработкой горячим воздухом при 90°C или путем каландрирования при 180°C.
Недостатком химических способов гидрофобизации является то, что они технологически трудоемкие, высокая стоимость, большой расход модификаторов и они могут быть экологически вредными.
Заявляемое изобретение по гидрофобизации войлочных материалов относится к физическому способу, а именно использование ультразвукового кавитационного процесса в суспензии этиловый спирт-нанопорошок для внедрения наночастиц и их агломератов в пористую структуру волокна шерсти.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технологии использования акустической кавитации является способ обработки текстильных материалов (хлопковых, синтетических) гидрофобными наночастицами. Способ основывается на смешивании гидрофобного наноструктурного пирогенного диоксида кремния с поверхностно-активными веществами (ПАВ) в воде, с последующим нанесением на поверхность изделия (патент DE 10135157).
2
Для повышения светоустойчивости шерстяного текстиля используют наночастицы TiO, диспергированные в ультразвуковой ванне, растворенного в воде с поверхностно-активным веществом Butane Tetra Carboxylic Acid (BTCA) [M. Montazer, Ε. Pakdell, and M.B. Moghadam, Superhydrophobicity of cotton fabrics treated with silica nanoparticles and water-repellent agent Nano Titanium Dioxide on Wool Keratin as UV Absorber Stabilized by Butane Tetra Carboxylic Acid (BTCA): A Statistical Prospect. // Fibers and Polymers. 2010, 11(7), 967-975].
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы разработать новый способ внедрения гидрофобных наночастиц и их агломератов в пористую структуру волокна шерсти, а именно использование процесса акустической кавитации в суспензии спирт-нанопорошок.
Существенным отличием предложенного способа от известных является то, что в результате акустической кавитации наночастицы (агломераты) внедряются во внутреннюю структуру волокна шерсти (фиг. 1а, б).
2
Преимуществом заявляемого способа является заполнение войлочного материала гидрофобным нанодисперсным порошком диоксида кремния SiO по всему объему, равномерным внедрением наночастиц (агломератов) внутрь структуры волокна шерсти, благодаря акустическим кавитационным процессам в ультразвуковой ванне. Использование малого количества гидрофобного нанопорошка (0,005%-0,05% по массе) и доступного, дешевого, безвредного растворителя - этилового спирта. Способ технологически прост, нетрудоемкий, не требует больших материальных и энергетических затрат, отсутствие разрушающего воздействия на структуру материала, экологически безвреден. Этот способ можно использовать на любом этапе производства изделий.
Для осуществления предложенного способа используют следующее устройство и компоненты:
1) Ультразвуковая ванна, работающая при мощности 30 Вт и 50 Вт. Она используется для:
а) диспергирования гидрофобного нанопорошка диоксида кремния в этиловом спирте;
б) удаления грязи, жира с поверхности волокон шерсти в процессе гидрофобизации;
в) пропитки войлока по всему объему супензией нанопорошок-спирт;
г) осаждения наночастиц (агломератов) на поверхность волокна войлока, а также их внедрения в структуру волокна.
2
2) Гидрофобный нанодисперсный порошок марки Wacker HDK Н20 (Германия) с удельной поверхностью 200 м/г и размером частиц 5÷40 нм.
3) Этиловый спирт (95%).
4) Сушильная печь
Способ осуществляется следующим образом.
1. Войлочный материал очищался от грязи, жира в ультразвуковой ванне с дистиллированной водой в течение 3 мин и сушится в сушильной печи при температуре 120°C в течение 2 ч.
2. В ультразвуковой ванне диспергируется гидрофобный нанодисперсный порошок диоксида кремния марки Wacker HDK Н20 в этиловом спирте при мощности установки 50 Вт в течение 5 мин.
3. В суспензию этилового спирта с диспергированным гидрофобным нанопорошком опускают войлочный материал, включают ультразвуковую ванну. При мощности 50 Вт установка работает в течение 10 мин.
4. Войлочный материал сушится при комнатной температуре в течение 12 ч с целью удаления растворителя.
В таблице 1 приведены данные угла смачивания войлочного материала при разных концентрациях гидрофобного нанопорошка в этиловом спирте. Измерения угла смачивания производились путем нанесения капли дисциллированной воды на поверхность войлочного материала.
Наибольший угол смачивания достигается при содержании нанопорошка в суспензии 0,03% (масс.).
Для определения степени водопоглощения образцы из войлочного материала опустили на поверхность воды, и фиксировалось время до их полного погружения. Образцы войлочного материала с осажденными и внедренными в волокна шерсти гидрофобными наночастицами (агломератами) не смачивались дольше, чем образец без гидрофобизации. Время до полного погружения варьировалось от 0,5 ч до 3 суток (Табл. 2).
Данные проведенных испытаний на гидрофобность войлочного материала указывают на то, что максимальный эффект водоотталкивания соответствует концентрации гидрофобного нанопорошка диоксида кремния в этиловом спирте, равной 0,03 мас.%.