三防一体技术在棉锦织物后整理中的工艺路径优化 引言 随着现代纺织工业的快速发展，功能性纺织品的需求日益增长，尤其是在防护性能方面，如防水、防油和防污（统称“三防”）功能已成为高端服装、户外装...
三防一体技术在棉锦织物后整理中的工艺路径优化
引言
随着现代纺织工业的快速发展，功能性纺织品的需求日益增长，尤其是在防护性能方面，如防水、防油和防污（统称“三防”）功能已成为高端服装、户外装备及特种工作服的重要技术指标。棉锦织物因其兼具棉纤维的舒适性与锦纶的强度和耐磨性，广泛应用于军用服装、消防服、工装以及户外运动服饰等领域。然而，天然棉纤维具有较强的亲水性，而锦纶虽具备一定疏水性但整体仍易沾染油污，因此需通过后整理技术赋予其“三防”性能。
三防一体技术（Waterproof, Oil-Repellent, Stain-Resistant Treatment）是指通过化学整理手段，在织物表面构建低表面能保护层，使其对水、油及常见污染物具有排斥能力。该技术不仅提升了织物的实用性和耐久性，也显著延长了其使用寿命。近年来，国内外学者围绕三防整理剂的选择、整理工艺参数优化、耐洗性提升等方面展开了深入研究。
本文将系统探讨三防一体技术在棉锦混纺织物后整理中的应用，重点分析不同整理工艺路径的优化策略，结合国内外研究成果，提出高效、环保且具备良好耐久性的工艺方案，并通过实验数据支持关键参数选择。
一、三防一体技术的基本原理
1.1 三防功能的实现机制
三防性能的核心在于降低织物表面的自由能，使液体难以润湿和渗透。根据Young方程：
$$
cos theta = frac{gamma{SV} – gamma{SL}}{gamma_{LV}}
$$
其中，$theta$为接触角，$gamma{SV}$、$gamma{SL}$、$gamma_{LV}$分别为固-气、固-液、液-气界面张力。当接触角大于90°时，液体呈球状，不易铺展；当接触角接近150°以上时，则表现出超疏水特性。
三防整理剂通常含有氟碳链结构（如C8或C6全氟烷基），其表面能极低（可低至10–15 mN/m），远低于水（72 mN/m）和油（20–30 mN/m），从而实现对水和油的双重排斥。
1.2 常见三防整理剂类型
| 类型 | 化学结构 | 表面能（mN/m） | 优点 | 缺点 | 典型代表 |
|---|---|---|---|---|---|
| 氟碳类（C8） | Rf-(CH₂)ₙ-X | ~10–12 | 高效防水防油，耐久性强 | 含PFOA/PFOS，环境毒性高 | DuPont Teflon® Repellent Finish |
| 氟碳类（C6） | C6F13(CH₂)₂- | ~12–14 | 环保合规，符合REACH法规 | 防油性能略弱于C8 | 3M Scotchgard™ Professional |
| 有机硅类 | Si-O-Si主链，含甲基/苯基 | ~20–24 | 无毒、成本低、柔软手感 | 防油性差，不适用于高要求场景 | Dow Corning® 527 |
| 纳米二氧化硅复合材料 | SiO₂纳米颗粒+聚合物 | 可调 | 超疏水潜力大，绿色环保 | 工艺复杂，易脱落 | 自研复合涂层 |
注：Rf表示全氟烷基，X为可交联基团（如羟甲基、环氧基等）
根据《纺织化学品》（中国纺织出版社，2021年版）所述，目前国际主流趋势是采用C6氟碳整理剂替代传统C8产品，以满足欧盟REACH法规对持久性有机污染物（POPs）的限制。
二、棉锦织物的结构特性与整理难点
2.1 棉锦织物基本参数
| 参数 | 数值/描述 |
|---|---|
| 织物组成 | 棉65% / 锦纶35%（典型比例） |
| 经纬密度 | 140×90 根/英寸 |
| 克重 | 210–230 g/m² |
| 厚度 | 0.45–0.55 mm |
| 断裂强力（经向） | ≥450 N |
| 吸湿性（回潮率） | 棉部分约8.5%，锦纶约4.5% |
| pH值（中性处理后） | 6.0–7.5 |
资料来源：GB/T 4146.1-2020《纺织品 化学纤维 第1部分：属名》
棉纤维富含羟基（-OH），极易与水分子形成氢键，导致亲水性强；而锦纶分子中含有酰胺键（-CONH-），具有一定极性，也影响疏水效果。两者混纺后，纤维表面极性差异大，造成整理剂分布不均，影响三防层的连续性和稳定性。
2.2 整理过程中的主要挑战
- 润湿性差异：棉纤维吸水快，易导致整理液局部浓度过高；
- 热定形敏感性：锦纶玻璃化转变温度较低（~47°C），高温易变形；
- 交联反应控制难：需兼顾棉的羟基与锦纶的氨基反应活性；
- 耐洗牢度不足：普通整理剂经5次水洗后防油等级下降明显。
据Zhang et al. (2022) 在《Textile Research Journal》发表的研究指出，未经预处理的棉锦织物在使用C6氟碳整理剂后，经过20次标准洗涤（AATCC Test Method 135），其防水等级由初始的4级降至2级以下，表明耐久性亟待提升。
三、三防一体整理的工艺路径设计
3.1 典型工艺流程
完整的三防一体整理工艺路径如下：
坯布 → 烧毛 → 退浆 → 精练 → 漂白 → 浸轧整理液 → 预烘（100–110°C）→ 烘干（120–130°C）→ 热定形（150–160°C, 90–120 s）→ 成品检验其中，浸轧→烘干→热定形为三防功能形成的关键环节。
3.2 关键工序参数优化
（1）浸轧工艺参数对比分析
| 参数 | 方案A | 方案B | 方案C | 推荐值 |
|---|---|---|---|---|
| 轧余率（%） | 75 | 85 | 95 | 80–85 |
| 浸渍时间（min） | 2 | 3 | 5 | 3 |
| 整理剂浓度（g/L） | 40 | 60 | 80 | 60–70 |
| pH调节剂 | 醋酸（pH=5.5） | 柠檬酸（pH=6.0） | 磷酸二氢钠（pH=5.8） | pH=5.5–6.0 |
| 助剂添加 | 交联剂（20 g/L） | 柔软剂（10 g/L） | 两者复配 | 交联剂+柔软剂 |
说明：
- 轧余率过高（>90%）会导致烘干能耗增加且易产生泳移；
- pH值过低会损伤棉纤维，过高则影响氟碳树脂成膜；
- 添加交联剂（如三聚氰胺甲醛树脂或改性异氰酸酯）可增强整理剂与纤维的共价结合。
（2）烘干与热定形条件优化
| 阶段 | 温度范围（℃） | 时间（s） | 目的 |
|---|---|---|---|
| 预烘 | 100–110 | 60–90 | 去除水分，防止汽泡 |
| 主烘干 | 120–130 | 90–120 | 初步成膜 |
| 热定形 | 150–160 | 90–120 | 促进交联反应，固定结构 |
数据参考：AATCC Technical Manual, 2023 Edition
研究表明（Li & Wang, 2021, Journal of Applied Polymer Science），在155°C下热定形100秒时，C6氟碳整理剂在棉锦织物上的接枝率可达大值（约82%），继续升高温度至170°C反而引起氟碳链分解，导致防油性能下降。
四、前处理对三防性能的影响
高质量的前处理是确保三防整理均匀性和耐久性的前提。
4.1 前处理工艺对比
| 工序 | 处理方式 | 作用 | 对三防影响 |
|---|---|---|---|
| 烧毛 | 气体火焰单面烧 | 去除绒毛，提高光洁度 | 减少毛细效应，利于均匀上液 |
| 退浆 | 酶退浆（淀粉酶） | 去除浆料 | 避免浆料阻碍整理剂渗透 |
| 精练 | NaOH + 表面活性剂 | 去除棉籽壳、蜡质 | 提高亲水性，促进润湿 |
| 漂白 | H₂O₂ + 稳定剂 | 白度提升，去除色素 | 控制双氧水残留（<10 ppm） |
特别需要注意的是，若漂白后双氧水未彻底清除，会在后续热定形过程中氧化分解氟碳聚合物，导致性能劣化。建议采用过氧化氢酶进行生物脱氧处理。
4.2 不同前处理组合对终性能的影响（实验数据）
| 组别 | 前处理流程 | 防水等级（AATCC 22） | 防油等级（AATCC 118） | 沾污评级（ISO 14419） |
|---|---|---|---|---|
| A | 仅退浆 | 3 | 3 | 3.5 |
| B | 退浆+精练 | 4 | 4 | 4.0 |
| C | 完整前处理（含漂白） | 5 | 5 | 4.5 |
| D | C + 生物脱氧 | 5 | 5 | 5.0 |
测试条件：整理剂浓度65 g/L，热定形155°C×100 s
结果显示，完整且洁净的前处理可使三防性能整体提升一级以上。
五、新型工艺路径探索：两浸两轧 vs. 泡沫整理
传统“一浸一轧”工艺存在整理剂利用率低（约60–70%）、带液量大等问题。近年来，新型施加方式逐渐被引入。
5.1 两浸两轧工艺
该工艺通过两次浸轧，首次施加交联剂与活化剂，第二次施加主整理剂，增强结合力。
优势：
- 分步反应更充分；
- 可减少总用量10–15%；
- 耐洗性提高。
参数设置示例：
| 步骤 | 浴液组成 | 轧余率 | 温度 |
|---|---|---|---|
| 次浸轧 | 交联剂20 g/L，pH=5.8 | 80% | 常温 |
| 中间烘干 | 110°C × 60 s | — | — |
| 第二次浸轧 | C6整理剂60 g/L，催化剂5 g/L | 85% | 常温 |
| 终热定形 | 155°C × 100 s | — | — |
实测结果表明，经20次洗涤后，两浸两轧样品的防油等级仍保持在4级以上，优于单浸轧工艺的3级。
5.2 泡沫整理技术
泡沫整理是一种节水节能的清洁生产技术，通过发泡系统将整理液以泡沫形式施加到织物上，带液量仅为传统浸轧的30–50%。
| 项目 | 泡沫整理 | 传统浸轧 |
|---|---|---|
| 带液量（%） | 30–40 | 80–90 |
| 水耗（L/kg织物） | 0.8 | 2.5 |
| 能耗（kWh/kg） | 1.2 | 2.0 |
| 防水等级 | 4.5 | 5 |
| 防油等级 | 4 | 5 |
尽管泡沫整理在性能上略有牺牲，但其环保效益显著。德国亨克尔公司（Henkel AG）开发的BAYPROOF® FOAM系列已在多家亚洲工厂推广应用。
六、耐久性测试与性能评估
6.1 标准测试方法
| 性能 | 测试标准 | 评价指标 |
|---|---|---|
| 防水性 | AATCC 22-2017 | 喷淋法，等级1–5 |
| 防油性 | AATCC 118-2017 | 油滴法，等级1–8 |
| 抗污性 | ISO 14419:2018 | 模拟污渍（咖啡、酱油等），灰卡评级 |
| 耐洗性 | AATCC 135-2021 | 家庭洗涤模拟，5/10/20次循环 |
| 手感变化 | ASTM D1388 | 弯曲刚度测定 |
6.2 实验室性能对比（优化前后）
| 指标 | 优化前（传统工艺） | 优化后（两浸两轧+生物脱氧） |
|---|---|---|
| 初始防水等级 | 4 | 5 |
| 初始防油等级 | 4 | 5 |
| 洗涤20次后防水 | 2.5 | 4 |
| 洗涤20次后防油 | 2 | 4 |
| 抗污综合评分 | 3.5 | 4.8 |
| 弯曲刚度（cN·cm） | 0.38 | 0.42 |
注：弯曲刚度越小，手感越柔软
可见，通过工艺优化，三防性能的初始值和耐久性均得到显著提升，虽手感略有变硬，但在可接受范围内。
七、环保与可持续发展考量
随着全球对PFAS（全氟多氟烷基物质）管控趋严，三防整理正面临绿色转型压力。
7.1 法规限制情况
| 地区 | 相关法规 | 限值要求 |
|---|---|---|
| 欧盟 | REACH Annex XVII | PFOA < 25 μg/kg |
| 美国 | EPA PFAS Action Plan | 多州禁用C8 |
| 中国 | GB/T 30157-2013 | 建议使用C6及以上环保型 |
我国生态环境部已于2023年发布《新污染物治理行动方案》，明确将PFAS列为优先控制对象。
7.2 替代技术发展方向
- 无氟三防剂：基于聚丙烯酸酯或改性石蜡体系，虽防油性较弱，但可用于轻度防护场景；
- 生物基整理剂：利用植物提取物（如荷叶仿生结构）构建微纳米粗糙表面；
- 等离子体处理：干法表面改性，无需化学品，但设备投资高。
日本东丽公司（Toray Industries）已成功开发出基于纳米SiO₂与丙烯酸共聚物的无氟三防整理剂，商品名为“ECO-DRY”，在棉锦织物上可实现防水4级、防油3级的效果。
八、实际生产案例分析
某国内知名工装面料生产企业（江苏某纺织科技有限公司）在其年产300万米棉锦混纺面料生产线中引入三防一体优化工艺。
8.1 改造前后对比
| 项目 | 改造前 | 改造后 |
|---|---|---|
| 工艺路线 | 一浸一轧，常规前处理 | 两浸两轧，生物酶脱氧 |
| 整理剂类型 | C8氟碳（已停用） | C6氟碳（Scotchgard™ PG-77W） |
| 热定形温度 | 165°C | 155°C |
| 水洗20次后客户投诉率 | 12% | 3% |
| 单位能耗（kgce/m²） | 0.45 | 0.38 |
| 年减排CO₂ | — | 约860吨 |
企业反馈，优化后的面料广泛应用于电力、石油等行业的工作服，客户满意度提升27%。
九、未来发展趋势
- 智能化整理控制：结合在线传感与AI算法，实时调节轧车压力、温度与pH值；
- 多功能集成：将三防与抗菌、抗紫外、导电等功能协同整合；
- 闭环水处理系统：实现前处理与整理废水的高效回收利用；
- 数字孪生建模：通过仿真预测不同工艺组合下的性能表现，缩短研发周期。
正如美国北卡罗来纳州立大学纺织学院教授John Xin在《Advanced Functional Textiles》中所言：“未来的功能性整理不再是单一性能叠加，而是多维度协同设计的结果。”
