Способ повышения водоотталкивающих свойств войлочных материалов гидрофобными наночастицами диоксида кремния
Владельцы патента RU 2579207:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Бурятский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к обработке текстильных материалов. Способ повышения водоотталкивающих свойств войлочных материалов заключается в обработке войлочного материала в суспензии спирт-нанопорошок гидрофобного диоксида кремния марки Wacker HDK Н20 (Германия) под воздействием акустической кавитации в ультразвуковой ванне. Растворителем является слабо полярный органический растворитель - этиловый спирт. Предлагаемое изобретение обеспечивает придание материалу эффекта гидрофобности, характеризующегося значением краевого угла смачивания водой не менее 120°, при этом способ является нетрудоемким, технологичным, безвредным и не требует больших материальных и энергетических затрат. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к физическому способу повышения водоотталкивающих свойств войлочных материалов. Способ заключается в насыщении войлочного материала гидрофобным нанодисперсным порошком диоксида кремния SiO2 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].
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/см3 после экспозиции проведением декомпрессии кюветы со скоростью 1.2; 0.5 или 0.3 см3/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.
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 CF3(CF2)5-C(O)-NH-(CH2)3Si(OC2H5)3. 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).
Для повышения светоустойчивости шерстяного текстиля используют наночастицы TiO2, 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).
Преимуществом заявляемого способа является заполнение войлочного материала гидрофобным нанодисперсным порошком диоксида кремния SiO2 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) Гидрофобный нанодисперсный порошок марки Wacker HDK Н20 (Германия) с удельной поверхностью 200 м2/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.%.
1. Способ повышения водоотталкивающих свойств войлочных материалов гидрофобными наночастицами (агломератами) диоксида кремния SiO2, характеризующийся тем, что внедрение гидрофобного нанопорошка в пористую структуру волокна шерсти осуществляют в процессе акустической кавитации в суспензии спирт-нанопорошок.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация нанопорошка в спирте составляет 0,005 - 0,05 мас.%.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используется процесс акустической кавитации для внедрения наночастиц (агломератов) во внутреннюю пористую структуру волокна шерсти.
