pH环境应激有机硅表面活性剂的聚集体变化规律及其与织物的耦合机制研究

This project is aiming to synthesize stimuli-responsive typed surfactants, and study on the change regulation for the aggregate structure of siloxane based surfactant in pH stimuli-responsive environment and its coupling interaction mechanism with the fabric, which provides some critical data and regularity for the theory research and its application. By regulating of micro-structure change by controlling pH environment and aggregate structure, the micro topography of fabric surface were studied, and relevant rugulation were further established. Firstly, stimuli-responsive typed surfactants with different structures were synthesized by microwave method, chemical thermodynamics and kinetics method of the change of micellar structures of the surfactants were studied and the thermodynamic model of its aggregates will be set up. The relation of the adsorption rate or behavior and pH value will be investigated. The controllable self-assembly of surfactant and its interactions with the fabric and micro-structure change were also investigated. By evaluating fabric properties and application performances, the relationship between pH environment and fabric properties were established.

研究表面活性剂在pH环境变化条件下激发的聚集体变化规律和织物的耦合作用，从机理上探明响应型表面活性剂与织物的相互作用机制，既可以为该领域的研究与应用补充与完善相关基础数据，也可为纺织品染整行业的技术创新提供理论依据。本项目设计合成环境响应型有机硅表面活性剂，通过pH环境响应激发调控微结构和聚集体变化，研究表面活性剂在溶液中的胶束自组装规律；研究pH环境响应激发所产生的聚集态转变行为和相关热力学与动力学，建立聚集态转变行为的相关物理化学作用模型；考察表面活性剂在织物表面的吸附过程和表面微观形态，探究织物表面微观形貌影响的行为和相互作用的耦合机制；通过考察织物整理的特性和应用性质，得到有机硅表面活性剂的结构、pH环境响应与整理性能的关联性规律。

本项目通过分子设计和工艺改进，将微波高压的思路引入反应过程，以系列中/长碳链脂肪酸、N-甲基二乙醇胺（MDEA）以及γ-氯丙基三甲氧基硅烷（CPTMO）作为主要原料，经酯化和季铵化两步反应合成了系列双长链酯基有机硅季铵盐。采用红外光谱、核磁共振氢谱、质谱以及热重分析等方法对中间体及目标产物的结构进行表征，最终确定合成产品与预期结果一致；同时，通过高效液相色谱-蒸发光散射检测器（HPLC-ELSD）测定酯基有机硅季铵盐的纯度高达98.77%。最后，针对系列有机硅季铵盐产品（SiQCnCl）在水溶液中的临界胶束浓度（CMC）、表面张力（γCMC）、增溶性能、乳化性能、润湿性能以及起泡性能等基本性能进行了系统地研究。对于不同碳链长度的有机硅季铵盐，CMC和γCMC值均随着碳链长度的增长而减小；最大过剩表面浓度（Γmax）随碳链长度的增加而增大；相反地，饱和吸附时每个分子在界面上所占的面积（Amin）随之减小。与此同时，也对有机硅季铵盐在水溶液中的微观行为进行了深入研究，实验中发现季铵盐产品在水溶液中均形成了球形或椭球型的聚集体，且随着碳链长度的增加而逐渐增大；其中，聚集体粒径大小为300 nm~900 nm，其数值与动态光散射（DLS）测得粒径大小相近。.本项目进一步研究了酯基有机硅季铵盐与织物纤维之间的耦合作用机制。其中，以异构醇聚氧乙烯醚为乳化剂配制有机硅季铵盐乳液，对织物进行整理后测定其柔软性能。结果表明：与原始胚布相比，随着疏水尾链的增长，有机硅季铵盐对织物整理后的柔软性能在不断提升。同时，对比分析处理前后织物纤维表面的微观形貌，未经处理的原始胚布表面特别粗糙、凹凸不平而且有许多沟壑，元素能谱分析（EDS）显示原胚布纤维上主要含有两种元素，即C（53.80%）和O（46.20%）。而经有机硅季铵盐处理后的织物表面变得相对光滑，沟壑也相对减少，处理后的织物表面又出现了Si（7.21%）和N（14.57%）元素。最后，本项目提出了酯基有机硅季铵盐在织物整理过程中的交联机理及作用机制，有机硅季铵盐分子与织物表面主要通过硅甲氧基的交联缩合、范德华力、氢键、静电作用等加强分子间作用力，最终锚接于织物表面，降低摩擦系数，改善织物手感。项目所提出的表面活性剂在织物表面微观形貌的转变行为的微观研究，探究分子结探究分子结构与织物性能的关联性规律，具有重要的科学意义和应用基础指导价值