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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。