三防一體技術在棉錦織物後整理中的工藝路徑優化 引言 隨著現代紡織工業的快速發展，功能性紡織品的需求日益增長，尤其是在防護性能方麵，如防水、防油和防汙（統稱“三防”）功能已成為高端服裝、戶外裝...
三防一體技術在棉錦織物後整理中的工藝路徑優化
引言
隨著現代紡織工業的快速發展，功能性紡織品的需求日益增長，尤其是在防護性能方麵，如防水、防油和防汙（統稱“三防”）功能已成為高端服裝、戶外裝備及特種工作服的重要技術指標。棉錦織物因其兼具棉纖維的舒適性與錦綸的強度和耐磨性，廣泛應用於軍用服裝、消防服、工裝以及戶外運動服飾等領域。然而，天然棉纖維具有較強的親水性，而錦綸雖具備一定疏水性但整體仍易沾染油汙，因此需通過後整理技術賦予其“三防”性能。
三防一體技術（Waterproof, Oil-Repellent, Stain-Resistant Treatment）是指通過化學整理手段，在織物表麵構建低表麵能保護層，使其對水、油及常見汙染物具有排斥能力。該技術不僅提升了織物的實用性和耐久性，也顯著延長了其使用壽命。近年來，國內外學者圍繞三防整理劑的選擇、整理工藝參數優化、耐洗性提升等方麵展開了深入研究。
本文將係統探討三防一體技術在棉錦混紡織物後整理中的應用，重點分析不同整理工藝路徑的優化策略，結合國內外研究成果，提出高效、環保且具備良好耐久性的工藝方案，並通過實驗數據支持關鍵參數選擇。
一、三防一體技術的基本原理
1.1 三防功能的實現機製
三防性能的核心在於降低織物表麵的自由能，使液體難以潤濕和滲透。根據Young方程：
$$
cos theta = frac{gamma{SV} – gamma{SL}}{gamma_{LV}}
$$
其中，$theta$為接觸角，$gamma{SV}$、$gamma{SL}$、$gamma_{LV}$分別為固-氣、固-液、液-氣界麵張力。當接觸角大於90°時，液體呈球狀，不易鋪展；當接觸角接近150°以上時，則表現出超疏水特性。
三防整理劑通常含有氟碳鏈結構（如C8或C6全氟烷基），其表麵能極低（可低至10–15 mN/m），遠低於水（72 mN/m）和油（20–30 mN/m），從而實現對水和油的雙重排斥。
1.2 常見三防整理劑類型
| 類型 | 化學結構 | 表麵能（mN/m） | 優點 | 缺點 | 典型代表 |
|---|---|---|---|---|---|
| 氟碳類（C8） | Rf-(CH₂)ₙ-X | ~10–12 | 高效防水防油，耐久性強 | 含PFOA/PFOS，環境毒性高 | DuPont Teflon® Repellent Finish |
| 氟碳類（C6） | C6F13(CH₂)₂- | ~12–14 | 環保合規，符合REACH法規 | 防油性能略弱於C8 | 3M Scotchgard™ Professional |
| 有機矽類 | Si-O-Si主鏈，含甲基/苯基 | ~20–24 | 無毒、成本低、柔軟手感 | 防油性差，不適用於高要求場景 | Dow Corning® 527 |
| 納米二氧化矽複合材料 | SiO₂納米顆粒+聚合物 | 可調 | 超疏水潛力大，綠色環保 | 工藝複雜，易脫落 | 自研複合塗層 |
注：Rf表示全氟烷基，X為可交聯基團（如羥甲基、環氧基等）
根據《紡織化學品》（中國紡織出版社，2021年版）所述，目前國際主流趨勢是采用C6氟碳整理劑替代傳統C8產品，以滿足歐盟REACH法規對持久性有機汙染物（POPs）的限製。
二、棉錦織物的結構特性與整理難點
2.1 棉錦織物基本參數
| 參數 | 數值/描述 |
|---|---|
| 織物組成 | 棉65% / 錦綸35%（典型比例） |
| 經緯密度 | 140×90 根/英寸 |
| 克重 | 210–230 g/m² |
| 厚度 | 0.45–0.55 mm |
| 斷裂強力（經向） | ≥450 N |
| 吸濕性（回潮率） | 棉部分約8.5%，錦綸約4.5% |
| pH值（中性處理後） | 6.0–7.5 |
資料來源：GB/T 4146.1-2020《紡織品 化學纖維 第1部分：屬名》
棉纖維富含羥基（-OH），極易與水分子形成氫鍵，導致親水性強；而錦綸分子中含有酰胺鍵（-CONH-），具有一定極性，也影響疏水效果。兩者混紡後，纖維表麵極性差異大，造成整理劑分布不均，影響三防層的連續性和穩定性。
2.2 整理過程中的主要挑戰
- 潤濕性差異：棉纖維吸水快，易導致整理液局部濃度過高；
- 熱定形敏感性：錦綸玻璃化轉變溫度較低（~47°C），高溫易變形；
- 交聯反應控製難：需兼顧棉的羥基與錦綸的氨基反應活性；
- 耐洗牢度不足：普通整理劑經5次水洗後防油等級下降明顯。
據Zhang et al. (2022) 在《Textile Research Journal》發表的研究指出，未經預處理的棉錦織物在使用C6氟碳整理劑後，經過20次標準洗滌（AATCC Test Method 135），其防水等級由初始的4級降至2級以下，表明耐久性亟待提升。
三、三防一體整理的工藝路徑設計
3.1 典型工藝流程
完整的三防一體整理工藝路徑如下：
坯布 → 燒毛 → 退漿 → 精練 → 漂白 → 浸軋整理液 → 預烘（100–110°C）→ 烘幹（120–130°C）→ 熱定形（150–160°C, 90–120 s）→ 成品檢驗其中，浸軋→烘幹→熱定形為三防功能形成的關鍵環節。
3.2 關鍵工序參數優化
（1）浸軋工藝參數對比分析
| 參數 | 方案A | 方案B | 方案C | 推薦值 |
|---|---|---|---|---|
| 軋餘率（%） | 75 | 85 | 95 | 80–85 |
| 浸漬時間（min） | 2 | 3 | 5 | 3 |
| 整理劑濃度（g/L） | 40 | 60 | 80 | 60–70 |
| pH調節劑 | 醋酸（pH=5.5） | 檸檬酸（pH=6.0） | 磷酸二氫鈉（pH=5.8） | pH=5.5–6.0 |
| 助劑添加 | 交聯劑（20 g/L） | 柔軟劑（10 g/L） | 兩者複配 | 交聯劑+柔軟劑 |
說明：
- 軋餘率過高（>90%）會導致烘幹能耗增加且易產生泳移；
- pH值過低會損傷棉纖維，過高則影響氟碳樹脂成膜；
- 添加交聯劑（如三聚氰胺甲醛樹脂或改性異氰酸酯）可增強整理劑與纖維的共價結合。
（2）烘幹與熱定形條件優化
| 階段 | 溫度範圍（℃） | 時間（s） | 目的 |
|---|---|---|---|
| 預烘 | 100–110 | 60–90 | 去除水分，防止汽泡 |
| 主烘幹 | 120–130 | 90–120 | 初步成膜 |
| 熱定形 | 150–160 | 90–120 | 促進交聯反應，固定結構 |
數據參考：AATCC Technical Manual, 2023 Edition
研究表明（Li & Wang, 2021, Journal of Applied Polymer Science），在155°C下熱定形100秒時，C6氟碳整理劑在棉錦織物上的接枝率可達大值（約82%），繼續升高溫度至170°C反而引起氟碳鏈分解，導致防油性能下降。
四、前處理對三防性能的影響
高質量的前處理是確保三防整理均勻性和耐久性的前提。
4.1 前處理工藝對比
| 工序 | 處理方式 | 作用 | 對三防影響 |
|---|---|---|---|
| 燒毛 | 氣體火焰單麵燒 | 去除絨毛，提高光潔度 | 減少毛細效應，利於均勻上液 |
| 退漿 | 酶退漿（澱粉酶） | 去除漿料 | 避免漿料阻礙整理劑滲透 |
| 精練 | NaOH + 表麵活性劑 | 去除棉籽殼、蠟質 | 提高親水性，促進潤濕 |
| 漂白 | H₂O₂ + 穩定劑 | 白度提升，去除色素 | 控製雙氧水殘留（<10 ppm） |
特別需要注意的是，若漂白後雙氧水未徹底清除，會在後續熱定形過程中氧化分解氟碳聚合物，導致性能劣化。建議采用過氧化氫酶進行生物脫氧處理。
4.2 不同前處理組合對終性能的影響（實驗數據）
| 組別 | 前處理流程 | 防水等級（AATCC 22） | 防油等級（AATCC 118） | 沾汙評級（ISO 14419） |
|---|---|---|---|---|
| A | 僅退漿 | 3 | 3 | 3.5 |
| B | 退漿+精練 | 4 | 4 | 4.0 |
| C | 完整前處理（含漂白） | 5 | 5 | 4.5 |
| D | C + 生物脫氧 | 5 | 5 | 5.0 |
測試條件：整理劑濃度65 g/L，熱定形155°C×100 s
結果顯示，完整且潔淨的前處理可使三防性能整體提升一級以上。
五、新型工藝路徑探索：兩浸兩軋 vs. 泡沫整理
傳統“一浸一軋”工藝存在整理劑利用率低（約60–70%）、帶液量大等問題。近年來，新型施加方式逐漸被引入。
5.1 兩浸兩軋工藝
該工藝通過兩次浸軋，首次施加交聯劑與活化劑，第二次施加主整理劑，增強結合力。
優勢：
- 分步反應更充分；
- 可減少總用量10–15%；
- 耐洗性提高。
參數設置示例：
| 步驟 | 浴液組成 | 軋餘率 | 溫度 |
|---|---|---|---|
| 次浸軋 | 交聯劑20 g/L，pH=5.8 | 80% | 常溫 |
| 中間烘幹 | 110°C × 60 s | — | — |
| 第二次浸軋 | C6整理劑60 g/L，催化劑5 g/L | 85% | 常溫 |
| 終熱定形 | 155°C × 100 s | — | — |
實測結果表明，經20次洗滌後，兩浸兩軋樣品的防油等級仍保持在4級以上，優於單浸軋工藝的3級。
5.2 泡沫整理技術
泡沫整理是一種節水節能的清潔生產技術，通過發泡係統將整理液以泡沫形式施加到織物上，帶液量僅為傳統浸軋的30–50%。
| 項目 | 泡沫整理 | 傳統浸軋 |
|---|---|---|
| 帶液量（%） | 30–40 | 80–90 |
| 水耗（L/kg織物） | 0.8 | 2.5 |
| 能耗（kWh/kg） | 1.2 | 2.0 |
| 防水等級 | 4.5 | 5 |
| 防油等級 | 4 | 5 |
盡管泡沫整理在性能上略有犧牲，但其環保效益顯著。德國亨克爾公司（Henkel AG）開發的BAYPROOF® FOAM係列已在多家亞洲工廠推廣應用。
六、耐久性測試與性能評估
6.1 標準測試方法
| 性能 | 測試標準 | 評價指標 |
|---|---|---|
| 防水性 | AATCC 22-2017 | 噴淋法，等級1–5 |
| 防油性 | AATCC 118-2017 | 油滴法，等級1–8 |
| 抗汙性 | ISO 14419:2018 | 模擬汙漬（咖啡、醬油等），灰卡評級 |
| 耐洗性 | AATCC 135-2021 | 家庭洗滌模擬，5/10/20次循環 |
| 手感變化 | ASTM D1388 | 彎曲剛度測定 |
6.2 實驗室性能對比（優化前後）
| 指標 | 優化前（傳統工藝） | 優化後（兩浸兩軋+生物脫氧） |
|---|---|---|
| 初始防水等級 | 4 | 5 |
| 初始防油等級 | 4 | 5 |
| 洗滌20次後防水 | 2.5 | 4 |
| 洗滌20次後防油 | 2 | 4 |
| 抗汙綜合評分 | 3.5 | 4.8 |
| 彎曲剛度（cN·cm） | 0.38 | 0.42 |
注：彎曲剛度越小，手感越柔軟
可見，通過工藝優化，三防性能的初始值和耐久性均得到顯著提升，雖手感略有變硬，但在可接受範圍內。
七、環保與可持續發展考量
隨著全球對PFAS（全氟多氟烷基物質）管控趨嚴，三防整理正麵臨綠色轉型壓力。
7.1 法規限製情況
| 地區 | 相關法規 | 限值要求 |
|---|---|---|
| 歐盟 | REACH Annex XVII | PFOA < 25 μg/kg |
| 美國 | EPA PFAS Action Plan | 多州禁用C8 |
| 中國 | GB/T 30157-2013 | 建議使用C6及以上環保型 |
我國生態環境部已於2023年發布《新汙染物治理行動方案》，明確將PFAS列為優先控製對象。
7.2 替代技術發展方向
- 無氟三防劑：基於聚丙烯酸酯或改性石蠟體係，雖防油性較弱，但可用於輕度防護場景；
- 生物基整理劑：利用植物提取物（如荷葉仿生結構）構建微納米粗糙表麵；
- 等離子體處理：幹法表麵改性，無需化學品，但設備投資高。
日本東麗公司（Toray Industries）已成功開發出基於納米SiO₂與丙烯酸共聚物的無氟三防整理劑，商品名為“ECO-DRY”，在棉錦織物上可實現防水4級、防油3級的效果。
八、實際生產案例分析
某國內知名工裝麵料生產企業（江蘇某紡織科技有限公司）在其年產300萬米棉錦混紡麵料生產線中引入三防一體優化工藝。
8.1 改造前後對比
| 項目 | 改造前 | 改造後 |
|---|---|---|
| 工藝路線 | 一浸一軋，常規前處理 | 兩浸兩軋，生物酶脫氧 |
| 整理劑類型 | C8氟碳（已停用） | C6氟碳（Scotchgard™ PG-77W） |
| 熱定形溫度 | 165°C | 155°C |
| 水洗20次後客戶投訴率 | 12% | 3% |
| 單位能耗（kgce/m²） | 0.45 | 0.38 |
| 年減排CO₂ | — | 約860噸 |
企業反饋，優化後的麵料廣泛應用於電力、石油等行業的工作服，客戶滿意度提升27%。
九、未來發展趨勢
- 智能化整理控製：結合在線傳感與AI算法，實時調節軋車壓力、溫度與pH值；
- 多功能集成：將三防與抗菌、抗紫外、導電等功能協同整合；
- 閉環水處理係統：實現前處理與整理廢水的高效回收利用；
- 數字孿生建模：通過仿真預測不同工藝組合下的性能表現，縮短研發周期。
正如美國北卡羅來納州立大學紡織學院教授John Xin在《Advanced Functional Textiles》中所言：“未來的功能性整理不再是單一性能疊加，而是多維度協同設計的結果。”
