抗静电非织造布的研制与开发.docx

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抗静电非织造布的研制与开发

编号:

二OO四届毕业设计

题目:

抗静电非织造布的研制与开发

专业:

高分子材料与工程（非织造布）

班级:

姓名:

同组人：

指导教师:

设计时间:

2004年5月1日—2004年6月10日

目录

摘要-----------------------------------------2

第一章前言-------------------------------------3-4

第二章实验部分------------------------------------5-12

第一部分壳聚糖抗静电整理剂的制备-----------------5-8

第一节实验过程-------------------------------5-6

第二节结果与讨论-----------------------------6-8

第二部分烷基磷酸酯型抗静电剂的制备----------------9-12

第一节实验过程-----------------------------9

第二节结果与讨论---------------------------9-11

第三节结论-----------------------------12

第三章后整理部分---------------------------------13-18

第一节壳聚糖在织物上的后处理---------------13-15

第二节抗静电剂的稀释-----------------------16

第三节比电阻的测试-------------------------16-17

第四节透气性的测试-------------------------17

第五节撕破、顶破强力测试-------------------18

第四章结束语-----------------------------------19

参考文献--------------------------------------20

致谢--------------------------------------21

抗静电非织造布的研制和开发

摘要：

本文介绍了抗静电剂的种类及其特性，论述了抗静电剂的使用方法与作用机理，着重介绍了高分子型永久抗静电剂及暂时性抗静电剂，对国内外抗静电剂的研究、现状及发展趋势进行了报道，并以虾壳为原料采用酸浸、碱煮、脱乙酰后直接制得壳聚糖抗静电剂，分析了操作中各步骤的溶液组成、处理温度和处理时间等因素对壳聚糖脱乙酰度的影响。

同时又以脂肪醇和五氧化二磷为主要原料合成烷基磷酸脂型抗静电剂，研究了影响酯化反应的主要因素，确立了最佳反应条件。

最后讨论了具体施加到非织造布上的抗静电剂的用量，测试分析了抗静电非织造布的抗静电性能以及其他物理机械性能。

关键词：

抗静电剂；高分子；抗静电性能；壳聚糖；脱乙酰度；烷基磷酸酯；酯化反应;抗静电整理。

TheManufactureandProceedingofAntistaticNonwovens

lijie

Abstract：

Inthispaperthepropertyofallkindsofantistatisintroduced.Thewaytouseantistatandmechanismofactionofantistatarediscussed,andpolymerpermanentantistatisintroductedonemphasis.Thestatusandtendencyoftheresearchworkonantistatathomeandabroadarereported.Andbyusingshrimpandshellsbyaciddunking,alkalicookinganddeacetylatingwasstudied.Theeffectsofconcentration,reactiontemperatureandreactiontimeonthedegreeofdeacetylationwereinvestigated.Andbyuseingfattyalcoholandphosphorusasmainrawmaterials.Antistaticagentofalkylphosphonateesterwassynthesizedinthispaper.Themainfactorsaffectingesterifictionwarealsostudied.Theoptimumrectionconditionswereestablished.Inthefinishs,weintroducedthenonwovensindustrypresentsitution;thefibersusedinnonwovens,whichisRayon,Polyester,Polyperpylenefibers.Atlastweexploratethetechnologicalprocessofantistaticnonwovens.Andanalyzedtheresultofantistaticnonwovensantistaticpropertyandanyotherphysialandanyotherphysicalandmechanicalproperty.

Keywords:

Antistatic;Polymei;AntistatPerformance;Chitosan;Degreeofdeacetylation;AlkylPhosphonateEster;Esterification；Antistaticfinishing.

第一章前言

合成纤维制品由于具有很高的比电阻，电气绝缘性能高（导电性差），缺少亲水性基团（回潮率低），在生产和加工使用过程中由于受到摩擦、牵伸、压缩、剥离及电场感应和热风干燥等因素的作用而产生静电，如果这些静电荷不能通过各种途径迅速散失，就会在材料和加工机械上逐渐积累、增加；基于静电的力学效应和放电效应，静电荷的积累达到一定程度时将会引发各种障碍和危害，特别是随着化学纤维（主要是合成纤维）在纺织上生产和应用的越来越多，这些高分子聚合物所固有的的高绝缘性和憎水性，使之极易产生、积累静电，所以，随着合成纤维的大量应用，纺织材料的带电现象及由此出现的静电危害也日趋严重，无论从生产和消费角度看，都已经成为急待解决的问题。

上世纪50年代后期，国外就开始了抗静电织物技术的研究，60—70年代，日本、德国、美国等工业发达国家陆续提出了对抗静电织物及服装的要求。

80年代以后，国内外对抗静电织物开展了系统的研究，所采用的技术途径归纳起来有三种。

（一）对织物进行抗静电处理：

即对合成纤维织物进行抗静电整理，所用抗静电剂大多是结构与被整理的纤维相似的高分子物，经过浸、轧、焙烘而粘附在合成纤维或其织物上，这些高分子物是亲水的，因此涂附在表面上通过吸湿而增加纤维的导电，使纤维不至于积聚较多的静电荷而造成危害。

（二）制造抗静电纤维：

抗静电纤维的制造方法是在合成纤维聚合物内部添加抗静电剂，如磷酸脂、磺酸盐等表面活性剂，或是引入第三单体，如聚氧乙烯及其衍生物，以使纤维本身具有抗静电效果，添加在聚合物内部的抗静电剂大多数具有极性基团，这些极性集团在聚合物的外层形成导电层或通过氢键与空气中水分相结合，使聚合物的电阻减少，加速静电荷的散逸。

（三）织物中嵌入导电纤维：

在合成纤维织物中，嵌入导电纤维也是一种有效消除静电的方法。

抗静电整理所采用的抗静电整理剂一般属于表面活性剂。

能阻止静电蓄积的物质称为抗静电剂，抗静电剂用于合成纤维，即能防止静电的产生，又能使织物易于去污，用于燃料等油品，能提高油品的导电率，在高速泵输送及过滤时防止因摩擦起电造成火灾；用于塑料可消除塑料的静电，防止塑料吸附尘埃而影响制品的透明性和表面的美观，防止电影胶片吸尘而影响放映质量；以及人在塑料地板上行走，因摩擦使人体带电，这些情况使人在与其他物体接触时遭电击。

根据添加方式不同，高分子材料抗静电剂的使用可以分为外部涂敷法和内部混炼发两种。

外部涂敷法即在高分子材料表面涂一层抗静电剂从而使其起到表面抗静电作用，通过泄漏静电荷的方式，抑制非织造布产品的带静电荷量。

该法优点是操作简单，用量较少，并且不影响制品的成型加工性能。

缺点是使用寿命短，经过水洗或摩擦以后，抗静电涂层容易脱落或消失，因此是一种暂时性的抗静电处理方法。

国外曾采用高分子性表面活性剂作为抗静电涂层，在一定程度上改善了高分子材料的抗静电的持久性。

本文主要讨论烷基磷酸酯阴离子型抗静电剂。

内部混炼法则是将抗静电剂与树脂经机械混合后再加工成型，抗静电剂分子由高分子材料内部向表面迁移，并在表面形成均匀的抗静电层，若表面的抗静电剂因水洗或摩擦后，内部抗静电剂还会移向表面从而恢复起抗静电性能，因此又成为称为永久型抗静电剂，这种技术目前已被广泛应用。

本文采用耐久新型抗静电剂壳聚糖，此类整理剂上具有大量亲水性基团和疏水性基团，当整理剂在纤维上有规则的排列时，形成一层网络薄膜，其疏水性基团连在纤维表面，被一种放射状结构所覆盖，形成静电屏蔽，降低了纤维的表面电阻，从而起到了抗静电作用。

除抗静电效果外，织物还具有吸湿、防污、不吸尘等功能。

无论是外部涂敷法还是内部混炼法高分子材料用抗静电剂的作用机理主要表现在两个方面：

一是材料表面形成导电层，从而降低表面电阻率，使已产生的静电荷迅速泄露；二是赋予材料表面有一定的润滑性、降低摩擦系数、从而抑制和减少静电荷的产生。

用各种亲水型聚合物作为抗静电剂，加入到基料树脂中而开发了所谓聚合物合金型永久型抗静电树脂，永久型抗静电剂在树脂中的分散程度和分散状态对对树脂抗静电性能有显著影响。

研究表明，永久型抗静电剂主要在母体中形成芯壳结构，并以此为通路泄露电荷：

永久型抗静电剂以细微的层状或筋状形态主要分布在制品的表面，中心部分较少且主要以颗粒状存在。

而决定形态结构的主要原因是成型加工条件和与母体树脂的相溶性，最直接的影响因素是母体树脂与永久型抗静电剂的熔融粘度差或粘度比、它常以剪切速率和加工温度控制。

根据电荷的状态，永久型抗静电剂可以分为阳离子型、阴离子型和非离子型，抗静电能力依次减少。

抗静电剂在国外发展很快，尤其在美国、日本和西欧等发达国家，无论是抗静电剂的生产还是销售均居世界前列。

目前研究人员正致力于研制开发新型的抗静电剂。

总的看来，国外抗静电剂的发展趋向于持久、耐热、适用性广和品种系列化、此外，用于计量和操作加工固体抗静电剂品种也在逐渐增加。

相比之下国内对抗静电剂的研制工作起步较晚，但近年来抗静电剂的研制和开发取得了一定进展，例如，上海塑料制品二十一厂成功开发了聚烯烃抗静电母料，可用于吹塑、注射、挤出等多种成型工艺，具有较好的抗静电效果，且不影响产品的机械性能。

另外，军械工程学院抗静电技术所研制成功了L—H型抗静电剂，它是一种掺杂渗透性改性剂，尤其适用于PVC、PE和ABS的抗静电改性处理，即使水洗或擦拭也不会失去抗静电性能，因而具有持久的抗静电效果。

随着对电子产品等包装的抗静电性能要求的日益提高，抗静电剂的需求量也越来越大，因此，应在不断完善现有的抗静电剂品种的基础上，加强系列化产品的研制工作，努力开发抗静电剂新品种，并应把改性效率较高的阳离子抗静电剂、具有增容效果的反应型抗静电剂以及不同种类抗静电剂的混合使用技术作为研究的主要方向。

介绍完了抗静电剂的发展状况,我们进入本次论文的实验部分.

第二章实验部分

第一部分壳聚糖抗静电整理剂

甲壳素广泛分布于虾（蟹）壳中，是天然高分子化合物，化学名称为聚N--乙酰基--D--葡萄糖胺，是一种维持和保护甲壳动物、微生物躯体的线形氨基多糖，这种物质脱乙酰后就成为壳聚糖，化学名为聚（1，4）-2-氨基-2-脱氧--D-葡聚糖。

壳聚糖（chitosan）能很好地溶解在稀醋酸等酸性溶液中，并且有较好的稳定性，可应用于日用化工、生物工程、医药、水处理、造纸、纺织、食品等行业，是近年来崛起的一种新型生物材料，正日益受到人们的广泛关注。

壳聚糖是20世纪80年代出现的一种新材料，它具有多种优良特性，在纺织领域的多种应用也已经得到研究。

例如改善可染性、用于抗菌整理，或开发成新的智能材料。

壳聚糖在低湿环境中的回潮率很高，而且在水中不膨胀，故能避免由水引起的整理品耐久性变差的问题。

若能通过纤维与亲水材料的交联而形成一层不溶性的导电涂覆层，就可以使纤维获得永久性的抗静电整理。

壳聚糖显然具有同时改善丙纶吸水性和抗静电性的潜质。

第一节实验过程

一壳聚糖制备原理

（1）脱钙质虾蟹壳中一般含又10%-30%的甲壳素，此外还有钙质蛋白质、脂肪色素及少量的P,Fe,I等因素,其中钙一般是以碳酸盐形式存在于生物体内因此可用稀盐酸浸泡，使其充分溶解，然后除掉酸液，用水冲洗净钙质。

（2）脱蛋白质虾蟹壳中蛋白质一般为角质、外壳类蛋白质，为纤维蛋白，一般不溶于水，但易在酸、碱、酶存在的条件下水解，其水解过程为：

蛋白质→多肽→二肽→α-氨基酸，因此，可用稀碱加热的方法来除掉蛋白质、脂肪及部分色素。

（3）脱色素经过除钙脱蛋白质后，得到的甲壳素仍有部分色素，主要是虾红素。

脱除的方法是先用高锰酸钾氧化，再用草酸还原，得到较纯净的白色甲壳素。

（4）脱乙酰基甲壳素分子中含有RNHCOCH3，在热浓碱作用下，分子中的乙酰基能逐渐水解脱掉。

二制备方法

虾壳：

74.284g，经水洗、粉碎（粒度0.5cm-2.0cm）后，在室温下先用10%盐酸360ml浸泡3h除钙，过滤，回收得一次废盐酸，滤饼水洗至中性，然后利用脱乙酰后的废氢氧化钠溶液（浓度为20%）在100℃下碱煮30min以脱去蛋白质，最后在130℃下直接用50%氢氧化钠溶液脱乙酰3h，过滤并回收氢氧化钠溶液，滤饼水洗至中性，干燥制得壳聚糖样品：

5.565g。

三检测方法及结果

（一）溶解性：

取两份0.05g壳聚糖分别于10.0ml0.5%醋酸溶液和10.0ml0.1mol/l盐酸溶液中，观察它们在醋酸和盐酸中的溶解性。

醋酸溶解稍快于盐酸两分钟。

（二）粘度：

准确称取0.5克壳聚糖溶于100ml0.5%醋酸溶液中，待完全溶解后，在室温下用旋转粘度计测定其粘度。

（1）测定溶剂流出时间

将恒温槽调节至25+0.1℃。

用铁夹夹好粘度计，放入恒温水槽，使毛细管垂直于水面，使水面浸没大球上方的小球。

用移液管从大管口注入15ml滤过溶剂（100ml0.5%醋酸），恒温十分钟后，用吸管将溶剂吸至大球上方小球的一半，停止抽气。

放开细口夹子，水平注视液面的下降，用秒表计下液流经上、下刻度线а、β的时间，21.75秒。

（2）溶液流出时间的测定

用移液管吸取15ml溶液注入粘度计,粘度测定如前,测得溶液流出时间114秒.然后再移入溶剂7.5ml,这时粘度计内的溶液浓度是原来的2/3,将它混合均匀，并把溶液吸至大球上方小球的一半，洗两次，再用同法测89秒。

同样操作再加入7.5ml，15ml，15ml，溶剂，分别测得72秒，57秒，44秒，求出值为:

相对粘度η1=114/21.75=5.25

增比粘度η2=5.25-1=4.25

（三）脱乙酰度：

精称0.204克壳聚糖烘至恒重0.182克，溶于25ml的0.1mol盐酸标准溶液中，振荡使其溶解完全，再用0.1mol标准氢氧化钠溶液回滴过量盐酸，以甲基橙为指示剂指示终点。

消耗氢氧化钠溶液24.7ml。

按公式计算游离氨基含量和脱乙酰度：

游离氨基含量={[（0.1×25-0.1×24.7）×0.016]/0.182}×100%=0.264%

脱乙酰度=[（203×0.246%）/（16+42×0.246%）]×100%=3.32%

第二节结果与讨论

一脱钙参数的选择

在酸浸脱钙过程中，酸处理温度、反应时间和酸的浓度将引起壳聚糖脱乙酰度和粘均分子量的变化，为此，分别对这些参数进行了考察，后继工艺为：

在20%氢氧化钠溶液中煮30min后130℃下用50%氢氧化钠溶液脱乙酰3h。

（1）酸处理浓度的选择

在浸酸的时间为4h，酸浸温度为室温条件下，考虑盐酸浓度对壳聚糖粘均分子量及脱乙酰度的影响，由图一结果可以看出，随着盐酸浓度的增加，粘均分子量降低，脱乙酰度升高。

当盐酸浓度大于10%时，脱乙酰度变化不大，而粘均分子量有较大幅度下降。

当盐酸浓度小于10%时，脱乙酰度相对降低。

因此适宜的盐酸浓度为10%左右。

（2）酸处理时间

用10%盐酸室温下浸泡虾、蟹壳，考察酸浸时间的影响结果。

由结果可以看出，酸处理的时间为4h时，钙质即可完全除尽，并且随着酸尽时间的延长，脱乙酰度缓慢增加，但粘均分子量大幅度减小。

此外，实验中得知过于延长酸处理时间，对脱除钙效果越好。

表1Ca2+浓度与反应时间的关系

反应时间Ca2+浓度粘均分子量脱乙酰度

/b/x10-4mol.L-1/x105/﹪

31.25.4076.2

40.65.0777.4

50.24.2078.1

（3）酸处理温度

在10%盐酸酸浸4h条件下，考察酸浸的温度对壳聚糖粘均分子量及脱乙酰度的影响。

由图2结果可以看出，随酸处理温度的升高，壳聚糖的粘均分子量大幅度下降，而脱乙酰度只略有增加，可见酸浸温度以25℃为宜.

二脱蛋白质的选择

　　脱蛋白质的效果与碱的浓度、温度及处理时间有直接关系，而这些因素又影响壳聚糖的粘均分子量及脱乙酰度。

采用一次碱煮，用提高碱煮温度的办法加快反应速度。

考虑溶液沸点的限制，将碱煮温度控制在100℃，在除尽蛋白质前提下，考察碱的浓度，碱煮的时间对壳聚糖粘均分子量和脱乙酰度的影响。

（1）碱煮浓度的影响

随着碱浓度的增加,脱乙酰度增大,粘均分子量降低。

当碱浓度由10%增加至15%时，脱乙酰度增加约6%，粘均分子量降低并不多。

当碱浓度超过15%时，碱浓度增加对脱乙酰度影响减小。

可见，碱浓度应以15%为宜。

（2）碱煮时间的影响

随着碱煮时间延长，脱乙酰度缓慢增加，而粘均分子量却降低较快。

说明除蛋白质过程中伴随部分脱乙酰及壳聚糖分子的降解，而且随碱煮时间延长降解过程显著。

综合考虑选择碱煮时间为30min。

三脱乙酰参数的选择

由于碱溶液在促使乙酰基水解的同时，会使分子中葡萄糖胺单体水解断裂，直接影响产品优劣，而碱浓度，脱乙酰温度及时间对壳聚糖脱乙酰度和粘均分子量均有影响。

因此，在实验中，固定酸浸脱钙为10%盐酸溶液室温下浸泡4h，碱煮脱蛋白质为20%氢氧化钠溶液在100℃下煮30min。

由实验结果证明影响脱乙酰度的主要因素依次为温度、时间和浓度，最佳操作方案为：

碱度为55%，时间为4h，温度为140℃。

四结语

由上述实验结果得知制得的壳聚糖脱乙酰度相当低，游离氨基含量很低，相对粘度和增比粘度都相当大，这些都使壳聚糖在施加到纤维后比电阻测定中得到相当大的阻值，证明出此实验相当成功。

在实验中我们采用了四种测定方法，其中第四种方法被我们完全采用，前三种方法由于是在实践中，遇到酸浓度过高或碱浓度过高或加热时间过长或温度过高，结果制得的壳聚糖在醋酸和盐酸稀溶液中不能完全溶解，不能得到理想的抗静电剂。

我们从实验中分析出酸浓度、加热温度、反应时间等都影响着抗静电效果。

因此我们采用第四种方案时，综合前几种优点进行操作，结果很成功。

这在比电阻测定中得到证明。

以虾壳为原料制备甲壳素一般浸酸用3％~10％盐酸溶液，室温或加热处理30min至2d这应根据不同分子量要求采用不同的工艺参数。

酸浓度高、温度高、时间长分子量则低。

制备壳聚糖应根据不同的脱乙酰度、分子量等要求，确定工艺参数，NaOH浓度低于30％时脱乙酰度只能达到50％要制得70％~90％脱乙酰度的产品NaOH浓度必须高于30％。

由壳聚糖制备羧甲基壳聚糖时，羧甲基化程度随壳聚糖分子量增加而降低，碱浓度低时羧甲基化程度也下降。

第二部分烷基磷酸酯型抗静电剂

烷基磷酸酯型抗静电剂不仅具有良好的抗静电性，而且还具有乳化、防锈和分散等性能，从而扩大了其应用范围，它还可以为皮革、塑料用抗静电剂。

它主要包括单酯（MAP）和双酯（DAP）两部分，双酯能赋予织物优良的平滑性，可减轻摩擦，有利于减轻静电的产生；单酯不仅抗静电性优于双酯，又可作为低刺激性皮肤洗涤剂的基剂及化妆品用乳化剂，今后其应用范围将会更加的广泛。

烷磷酸酯型抗静电剂主要合成方法有4种：

（1）无氧化二磷与醇反应

（2）聚磷酸与醇反应

（3）三氯氧磷与醇反应

（4）三氯化磷与醇反应

（1）法比较通用，

（2）法单酯得率达75%，（4）法双酯得率达90%。

在以上诸方法中，

（1）法简单易行，反应条件温和，不需要特殊设备，得率高，成本低，但缺点是单酯含量低（约为35%），色泽欠佳（多为棕黄色）。

第一节实验过程

一、原料

主要原料、规格及产地

原料规格产地

月桂醇化学纯上海

正辛醇分析纯天津

无氧化二磷分析纯北京

二乙醇胺化学纯北京

双氧水优级纯江苏

亚磷酸分析纯上海

二、工艺过程

将一定比例的脂肪酸、亚磷酸、去离子水投入干燥的四口瓶中，于较低温度下充分搅拌，将定量的五氧化二磷，分次数投入，然后升至一定温度进行酯化反应，待达到一定酯化时间后，加入与亚磷酸等摩尔数的双氧水，再保温反应一定时间后，测定酸值，产物用碱中和，得产品。

第二节结果与讨论

一、酯化反应

烷基磷酸酯的工艺过程，分酯化反应和中和反应，其中酯化在整个合成过程中是十分重要的环节，反应机理比较复杂，主要是P2O5中6个P-O-P键用ROH,H2O进行分解反应,如下所示（以ROH为例）。

见下图：

为提高产品质量，实验从以下几个方面进行。

1.投料方式的选择

酯化反应为放热反应，如产生的热量不能及时的扩散，会使醇脱水产生烯烃而使产物着色。

因此，为避免局部过热，并使固液相充分接触，采用在较低的温度下，分批加入P2O5和强力搅拌等方式，这样得到的烷基磷酸酯的颜色较好。

2.投料比的试验

游离非离子物与酯化试剂的摩尔比是影响产物组成及使用性能的主要因素，由实验结果可知：

醇与五氧化二磷的适宜比值为1.5-1.7：

1，这样，在一定条件下，可得单酯含量为70%的产品。

3.反应温度和反应时间的试验

为确保酯化过程的工艺条件，分别作了反应时间和时间对酯化过程影响的条件试验，试验表明，反应温度和时间对酯生成有一定影响，反应温度升高，单酯含量也有所升高，但反应温度过高，又不可避免地生成聚磷酸酯，而且色泽有所加深，当温度大于100°C，磷酸酯又容易分解，经实验确定最佳反应温度为70C；反应时间长，单酯、双酯的含量都有所增加，酯化反应得率快，反应时间一般取4小时。

研究表明，水有助于磷酸酯水解为单酯。

对于有水存在的ROH用P2O5酯化后，再加水，即使最终ROH/P2O5/H2O摩尔比相同，生成也有很大的变化，ROH在有水存在的磷酸化，得到了含MAP高的生成物，这可以由下列反应来说明：

上式为醇解

偏磷酸

焦磷酸