Povrchová hydrofilizace polyesteru

Hafiz Affan Abid, M.Sc.

Doctoral thesis

Surface Hydrophilization of Polyester

Abstract:

Polyester is the most widely used material for both textile and non-fibrous applications. The major potential applications are high mechanical strength, good stretchability, heat stability, rapid drying, wrinkle resistance and resistance to usual organic solvents. The inherent hydrophobic nature of the polyester products are lacking water and moisture wicking, poor adhesion properties and ability to develop static charge. The modification of surface of the polyester by low concentration alkaline hydrolysis with NaOH in aqueous finishing bath under hot drying conditions is explored in this study. Moreover the surface of polyester film is modified by synergistic effect of sulphuric acid and sodium hydroxide in order to achieve hydrophilic surface with improved adhesion. The use of chemicals allows the surface hydrophilization of polyester at conventional pad-dry stenters without use of any sophisticated equipment that is required by most of the physical modifications (like plasma, corona, ozone etc). The surface hydrophilization of polyester fabric is done by low concentration of sodium hydroxide. The time of treatment, curing temperature and concentration of sodium hydroxide played very important role in getting better wicking rate and stability of the treatment. The weight loss of the fabric is minimized through the low liquor ratio pad-dry method of application. The use of hygroscopic agents like glycerin and urea at elevated temperatures has contributed to retain humidity during hot dry reaction conditions. The weight loss is far less than the high liquor ratio alkali treatment of polyester fabric. In this work optimization of parameters for getting higher vertical wicking rate and less surface scission through weight loss has been achieved by varying concentration of sodium hydroxide (20, 35 and 50 g/l), time of treatment (2,4, and 6 minutes) and drying temperature (130, 150 and 170 C). Later the stability of the surface hydrophilization is evaluated at different temperatures by placing for longer times. The hydrophilized polyester fabric surface shows good stability at different temperatures and in comparison with plasma and ozone surface hydrophilic treatment. The activated polyester fabric shows good fastness against number of washing cycles. The surface morphology and chemical characterization of the hydrophilized polyester fabric is measured by Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) and Brunauer Emmett Teller (BET). The polyester film is hydrophilized with strong sulphuric acid solution and followed by low concentration alkali solution to evaluate the surface wettability and adhesion properties. The super hydrophilic surface is obtained at 80 % sulphuric acid and 50 g/l sodium hydroxide aqueous solution treatment. These treatment conditions give the polyester film surface with lowest water contact angle and high SFE values with good adhesion properties. The presence of hydroxyl groups on the surface with significant decrease in the surface energy has been confirmed through contact angle measurements. The SEM, BET analysis and T-peel data obtained by the polyurethane resin has indicated the increase in adhesion strength after chemical treatment and improvement of adhesion by thermoset resin can be attributed to the increase in surface wettability and roughness due to the surface modification.

Abstract:

Polyester je nejrozšířenějším materiálem jak pro textilní, tak pro nevlákenné aplikace. Hlavní potenciální aplikace předurčuje vysoká mechanická pevnost, dobrá tažnost, tepelná stabilita, rychlé sušení, nemačkavost a odolnost vůči obvyklým organickým rozpouštědlům. Vlastní hydrofobní povaha polyesterových výrobků bez přítomnosti vody a vlhkosti zapříčiňuje špatné adhezní vlastnosti a schopnost vytvářet statický náboj. Modifikace povrchu polyesteru alkalickou hydrolýzou s nízkou koncentrací NaOH ve vodné dokončovací lázni za podmínek sušení za tepla se zkoumá v této studii. Navíc je povrch polyesterové fólie modifikován synergickým účinkem kyseliny sírové a hydroxidu sodného, aby se dosáhlo hydrofilního povrchu se zlepšenou přilnavostí. Použití chemikálií umožňuje povrchovou hydrofilizaci polyesteru na konvenčních zařízeních bez použití sofistikovaného vybavení, které vyžaduje většina fyzikálních modifikací (jako je např. plazma, korona, ozón apod.) Povrchová hydrofilizace polyesterové tkaniny se provádí nízkou koncentrací hydroxidu sodného. Doba úpravy, teplota sušení a koncentrace hydroxidu sodného hrály velmi důležitou roli při získávání vyšší vzlínací rychlosti a stability úpravy. Úbytek hmotnosti tkaniny je minimalizován aplikací suchého způsobu nanášení na suchý podklad. Použití hygroskopických činidel, jako je glycerin a močovina, při zvýšených teplotách přispělo k udržení vlhkosti při reakčních podmínkách sušení za zvýšených teplot. Ztráta hmotnosti je mnohem nižší, než je poměr vysokého obsahu alkoholu při alkalickém zpracování polyesterové tkaniny. V této práci byly optimalizovány procesní parametry pro dosažení vyšší vertikální rychlosti nasákavosti a nižšího narušení povrchu sledovaného prostřednictvím úbytku hmotnosti, a to pomocí změny koncentrace hydroxidu sodného (20, 35 a 50 g/l), doby zpracování (2, 4 a 6 minut) a teploty sušení (130, 150 a 170 °C). Stabilita povrchové hydrofilizace se sleduje po delší dobu, při různých teplotách. Hydrofilizovaný povrch polyesterové tkaniny vykazuje dobrou stabilitu při různých teplotách a ve srovnání s hydrofilním zpracováním povrchu plazmy a ozonu. Aktivovaná polyesterová tkanina vykazuje dobrou stálost vůči počtu pracích cyklů. Morfologie povrchu a chemická charakterizace hydrofilizované polyesterové tkaniny se měří pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM), rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a Brunauer Emmett Teller (BET). Polyesterová fólie se hydrofilizuje silným roztokem kyseliny sírové a následně působením alkalického roztoku o nízké koncentraci za účelem průzkumu povrchové smáčivosti a adhezních vlastností. Superhydrofilní povrch se získá při použití 80% roztoku kyseliny sírové a 50 g/l vodného roztoku hydroxidu sodného. Tyto podmínky zpracování poskytují polyesterovému povrchu fólie nejnižší kontaktní úhel smáčení vodou a vysoké hodnoty SFE s dobrými adhezními vlastnostmi. Přítomnost hydroxylových skupin na povrchu s výrazným poklesem povrchové energie byla potvrzena měřením kontaktního úhlu. SEM, BET analýza a T-Peel data získaná s využitím polyuretanové pryskyřice naznačila zvýšení adhezní síly po chemickém zpracování a zlepšení adheze termosetovou pryskyřicí lze přičítat nárůstu smáčivosti povrchu a zvýšení drsnosti díky povrchové modifikaci.

Keywords

polyester, hydrofilizovaný povrch, optimalizace, stabilita, vertikální vznícení, smáčivost, drsnost

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 2. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 1. 10. 2018

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering