【重磅】新理论阐明织物柔软剂的作用机理

作者：中村孝一，日本花王公司

翻译：老罗

摘要：

关于柔软机制的传统理论指出柔软效应是由于纤维和纱线。我们的新理论解释了通过氢键抑制纤维间的交联，包括非冷结束缚水。柔软剂有两个重要作用：（1）干燥过程中纤维间弯月面力的降低防止纤维间距离减小。（2）柔软剂抑制在纤维之间束缚水交叉连接的形成。此外，柔软剂导致不均匀吸附，因此柔软剂吸附的层次发生了：更多的是在外部，内部更少。因此，更柔软的外部和更坚硬的内部两种不同的物理性质是面料的柔软和弹性关键因素。

作者

大多数消费者都会联想到湿棉布被自然晾干后会发生什么（或者是被手挤压）：它们变得如此坚硬，就像织物被粘住了。织物柔软剂在减少这种硬度。在20世纪30年代初，研究表明阳离子表面活性剂，最初是为了改善对纤维素的直接染料耐水性柔软剂。阳离子织物柔软剂大约在1955年首次引入美国市场。虽然最初的增长没有那么高，但全球市场此后显著增长。现在，织物柔软剂在许多家庭中被视为必需品。现在市场上的织物柔软剂进一步融合了其他功能，比如香味、除皱、除臭，以及抗菌作用。尽管如此，织物柔软剂没有改变基本目的。柔软的水洗面料舒适、有弹性的感觉使我们的日常生活更加令人满意。

织物柔软剂能轻松有效地改善洗过的衣服和棉毛巾的手感。传统理论将其柔软效应归因于增加纤维和纱线之间的“滑动”。柔软剂是一种阳离子表面活性剂，但有两个长烷基分子结构中的链。在这个理论中，由柔软剂形成的阳离子囊泡吸附在在水中带负静电的棉纤维纤维素表面上。结果被认为是表面覆盖一层高度结合的烷基链。疏水的这些链的性质意味着在与空气的接口处这一层具有较低的表面能。因此，干的纤维减少，导致布料中的纱线变软。

自20世纪30年代以来，有很多关于织物承受外力作用下的应力变化的报道。

他们中的许多人似乎受到了上述相关纺织品性能与柔软效应以减摩擦理论为基础情况的影响。例如，larrat报告说柔软度仪测量的摩擦力与柔软度之间没有相关性；当用摩擦仪代替时摩擦力减小了是。另一方面，罗德和Olofsson报告了它们之间的摩擦和柔软一个重要的关系。这个静摩擦系数和动摩擦系数之间的平衡被认为是至关重要的，低的“静摩擦系数”是被认为对柔软效果至关重要。然而，柔软度的水平及其趋势取决于关于测量方法。因此，一种柔软剂减少纤维之间的摩擦并不总是减少纤维与人体皮肤之间的摩擦。相反的方向，crutzen的结果表明强烈的柔软效果并不总是有效地减少摩擦系数。最后，Sebastian等人。试图评估连接破裂力（JRF），即从织物上抽出一根线所需的力。对我们来说，jrf值是被认为是代表静摩擦力的表面柔软指数。同时，这些研究人员还注意到测量值并不完全取决于连接处的摩擦力，因为这种现象包括粘着力和摩擦力。

尽管有这些有趣的结果，但是直接研究柔软过程的基本原理，这就是我们目前研究的动机。棉有高保水能力（25°C时重量的8%和60%相对湿度），因为其组成纤维素单元是一种高度亲水的聚合物。因此，我们将重点放在表面众多羟基（–oh）的作用棉纤维/纱线。这些羟基可以形成氢彼此结合。交联氢中的水单个纤之间的连接网络可以是虚构的，被认为是棉织物变硬的原因。

在研究过程中，我们发现了以下两种现象。其一是当它们通过施加机械力进行测试时（通过川端康成评估系统KES FB2进行弯曲试验），有柔软剂与没有柔软剂对棉纱硬度的影响不同。另一种是棉纱非常柔软，而且它们在真空（110°C，3小时，2-35Torr）下完全干燥看起来很柔软。据了解，在这种情况下，棉不会退化然后释放到使用CaCl2管完全防潮控制的正常压力下。这些干棉纱感觉好像他们用织物柔软剂处理。这些两项发现表明纱线的硬化和软化通过以下方式进行机制。主要原因棉的硬化是氢的多重交联（主要是非冻结水）之间菲布雷斯。这些水分子是可想象的，被束缚或强烈的被无数以纤维素为基础的棉纤维羟基的表面羟基。这水的结合力很强以致不能在差示扫描量热法（dsc）测量。然而，在KES弯曲试验中观察到。这些键可以被机械力破坏。因此，有理由假设织物柔软剂是通过抑制这些氢键的交联而产生的作用。

当我们用颜色指示剂用于染色吸附在织物上柔软剂的区域检查其吸附状态（溴酚蓝，BPB）。柔软剂分子有利于吸附在布和纱线的外部或外露部分，吸附在内部的较少。这个我们使用外切分馏法时也发现了同样的纱线“渐变”现象。最后，这种柔软剂的吸附分级确认了纱线的内外部二次离子质谱（tofsims）是一种用于表面测量的标准工具。柔软剂在纱线之间以及纱线内部交叉点的吸附概率很低。这些结果与Sakai等人研究了在云母板的表面柔软剂的报道一致。他们发现吸附是通过柔软剂囊泡被驱动的与吸附柔软剂的碰撞分子保持在同一位置，没有任何迁移。根据仔细的实验，这些作者说吸附的主要驱动力不是静电吸引。

我们还发现了一个非常有趣比较的柔软度交叉点的现象。在前一种情况下，纱线首先用柔软剂处理，然后织成布样品以确保交叉点。与基于摩擦的逻辑预期相反理论上，交叉点柔软剂较少的布料是与体积更大多用软化剂覆盖的十字点相比，它更柔软。这个结果表明吸附在纱线或织物外部的柔软剂是比纤维与纱线之间的“摩擦”更重要的。

被吸附在上面柔软剂赋予纤维高度疏水性。是因为它扮演着两个重要的角色。首先，它减小干燥过程中的纤维弯月面力，从而防止纤维彼此靠近。第二，柔软剂抑制纤维非冻结束缚水之间交联氢键的形成。另一方面手，柔软剂不太可能出现在纱线内部，根据不均匀的吸附现象必然会有氢键的连接在那里形成，导致硬化酷似杜拉门的形象。因此，除非我们用适当的量柔软剂、硬化结构层包括非冻结十字连杆纤维之间的束缚水三维空间是降低。因此，两者形成对比物理性质，用柔软剂清洗后体积较大的织物创造所需的柔软和弹性感觉的因素是：即柔软的纱线外层泡沫结构和像杜拉门一样的坚硬的内部是关键。我们认为我们可以注意到过多的柔软剂可以缩小内硬膜的假想直径，这会给面料带来“枯萎”的感觉。

我们研究的最终目标是改进和丰富消费者体验。我们希望这些柔软机制进展将激发新的发展思路更好的柔软体系，以及新的满足市场需求的纺织制造业技术。

小编附：

作者毕业于日本金泽大学工程硕士，自1991年以来，她一直在高聚物公司材料研发部开发实验室和R&Dhousehold产品研究实验室。她目前是后者的高级研究科学家。