Повышение нефтеотталкивания текстильных тканей для спецодежды путем осаждения фторполимерных покрытий из растворов в сверхкритическом диоксиде углерода

Статья в Elpub

Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018; : 38-48

Повышение нефтеотталкивания текстильных тканей для спецодежды путем осаждения фторполимерных покрытий из растворов в сверхкритическом диоксиде углерода

Зефиров В. В., Любимцев Н. А., Стаханов А. И., Эльманович И. В., Кондратенко М. С., Галлямов М. О.

Аннотация

Специфика работ в области нефтегазового сектора предъявляет особые требования к спецодежде работающих. От тканей требуются не только выраженная нефте- и гидрофобность, но также антистатические и огнезащитные свойства. Если нефтеотталкивание привносится за счет использования фторуглеродных модификаторов, то водоотталкивание тканей в силу их высокой гидрофобности обеспечивается автоматически. Однако антистатические свойства подразумевают способность ткани сорбировать влагу. Возникает кажущееся противоречие между привносимым водоотталкиванием и желаемой сорбционной способностью по отношению к воде. В статье представлен метод финишной обработки текстильных материалов для спецодежды нефтегазового сектора, позволяющий получить весь комплекс требуемых функциональных свойств. Доказано, что задача может быть решена путем применения в качестве растворителя сверхкритического диоксида углерода, а также использования сополимеров, содержащих как фторуглеродные цепочки, так и гидрофильные группы. Первые обеспечивают нефтеотталкивание и несмачивание нефтью, а также водой. Вторые служат для «пришивания» покрытия к поверхности подложки в целях обеспечения долговременной стабильности при стирках, а также обеспечивают антистатический эффект. Также показана возможность стабильной модификации тканей с натуральными волокнами. Технология масштабируема и промышленно применима на пилотных установках уже в настоящее время. Обсуждается возможность дальнейшей модификации для придания тканям огнезащитных свойств.

Список литературы

1. ГОСТ Р 12.4.290–2013. Одежда специальная для защиты работающих от воздействия нефти, нефтепродуктов. Технические требования. М.: Стандартинформ, 2014. 15 с.

2. ГОСТ 11209–2014. Ткани для специальной одежды. Общие технические требования. Методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2015. 16 с.

3. Türk M., Ehrmann A., Mahltig B. Water-, Oil-, and Soil-Repellent Treatment of Textiles, Artificial Leather, and Leather // J. Text. Inst. 2015. Vol. 106(6). P. 611–620. doi: 10.1080/00405000.2014.931108

4. Lakshmi R.V., Bharathidasan T., Bera P., Basu B.J. Fabrication of Superhydrophobic and Oleophobic Sol-Gel Nanocomposite Coating // Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 206. P. 3888–3894.

5. Tomšič B., Simončič B., Orel B., Černe L., Tavčer P.F., Zorko M., Jerman I., Vilčnik A., Kovač J. Sol-Gel Coating of Cellulose Fibres with Antimicrobial and Repellent Properties // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2008. Vol. 47. P. 44–57. doi: 10.1007/s10971-008-1732-1

6. Vilčnik A., Jerman I., Šurca Vuk A., Koželj M., Orel B., Tomšič B., Simončič B., Kovač J. Structural Properties and Antibacterial Effects of Hydrophobic and Oleophobic Sol-Gel Coatings for Cotton Fabrics // Langmuir. 2009. Vol. 25(10). P. 5869–5880. doi: 10.1021/la803742c

7. Vasiljević J., Gorjanc M., Tomšič B., Orel B., Jerman I., Mozetič M., Vesel A., Simončič B. The Surface Modification of Cellulose Fibres to Create Super-Hydrophobic, Oleophobic and Self-Cleaning Properties // Cellulose. 2013. Vol. 20. P. 277–289. doi: 10.1007/s10570-012-9812-3

8. Tang W., Huang Y., Meng W., Qing F.-L. Synthesis of Fluorinated Hyperbranched Polymers Capable as Highly Hydrophobic and Oleophobic Coating Materials // Eur. Polym. J. 2010. Vol. 46. P. 506–518.

9. Li J., Shi L., Chen Y., Zhang Y., Guo Zh., Su B.-l., Liu W. Stable Superhydrophobic Coatings from Thiol-Ligand Nanocrystals and Their Application in Oil/Water Separation // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. P. 9774–9781.

10. Truong Q., Yip P., Pomerantz N., Mabry J.M., Sieber M., Ramirez S.M. Pilot-Scale Coating of Fabrics with Fluorodecyl Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane/Fluoroelastomer Blends // Surf. Innovations. 2014. Vol. 2(SI2). P. 79–93. doi:10.1680/si.13.00049

11. Zorko M., Vasiljević J., Tomšič B., Simončič B., Gaberšček M., Jerman I. Cotton Fiber Hot Spot in situ Growth of Stöber Particles // Cellulose. 2015. Vol. 22. P. 3597–3607. doi: 10.1007/s10570-015-0762-4

12. Kleingartner J.A., Srinivasan S., Truong Q.T., Sieber M., Cohen R.E., McKinley G.H. Designing Robust Hierarchically-Structured Oleophobic Fabrics // Langmuir. 2015. Vol. 31(48). P. 13201–13213. doi: 10.1021/acs.langmuir.5b03000

13. Hayn R.A., Owens J.R., Boyer S.A., McDonald R.S., Lee H.J. Preparation of Highly Hydrophobic and Oleophobic Textile Surfaces using Microwave-Promoted Silane Coupling // J. Mater. Sci. 2011. Vol. 46. P. 2503–2509.

14. Simončič B., Tomšič B., Černe L., Orel B., Jerman I., Kovač J., Žerjav M., Simončič A. Multifunctional Water and Oil Repellent and Antimicrobial Properties of Finished Cotton: Influence of Sol-Gel Finishing Procedure // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2012. Vol. 61. P. 340–354. doi: 10.1007/s10971-011-2633-2

15. Zhao J., Leng B., Shao Z., de With G., Ming W. Triple-Scale Structured Superhydrophobic and Highly Oleophobic Surfaces // RSC Adv. 2013. Vol. 3. P. 22332–22339.

16. Pereira C., Alves C., Monteiro A., Magn C., Pereira A.M., Ibarra A., Ibarra M.R., Tavares P.B., Arajo J.P., Blanco G., Pintado J.M., Carvalho A.P., Pires J., Pereira M.F.R., Freire C. Designing Novel Hybrid Materials by One-Pot Co-Condensation: From Hydrophobic Mesoporous Silica Nanoparticles to Superamphiphobic Cotton Textiles // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2011. Vol. 3. P. 2289–2299. doi: 10.1021/am200220x

17. Vasiljević J., Zorko M., Tomšič B., Jerman I., Simončič B. Fabrication of the Hierarchically Roughened Bumpy-Surface Topography for the Long-Lasting Highly Oleophobic “Lotus Effect” on Cotton Fibres // Cellulose. 2016. Vol. 23. P. 3301–3318. doi: 10.1007/s10570-016-1007-x

18. Textor T., Mahltig B. Nanosols for Preparation of Antistatic Coatings Simultaneously Yielding Water and Oil Repellent Properties for Textile Treatment // Mater. Technol. 2010. Vol. 25(2). P. 74–80. doi: 10.1179/175355510x12716725525555

19. Kwon G., Post E., Tuteja A. Membranes with Selective Wettability for the Separation of Oil-Water Mixtures // MRS Commun. 2015. Vol. 5. P. 475–494.

20. Zhou X., Zhang Z., Xu X., Men X., Zhu X. Fabrication of Super-Repellent Cotton Textiles with Rapid Reversible Wettability Switching of Diverse Liquids // Appl. Surf. Sci. 2013. Vol. 276. P. 571– 577. doi: 10.3390/coatings8030101

21. Wu J., Wei W., Zhao S., Sun M., Wang J. Fabrication of Highly Underwater Oleophobic Textiles through Poly(Vinyl Alcohol) Crosslinking for Oil/Water Separation: the Effect of Surface Wettability and Textile Type // J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52. P. 1194–1202.

22. Howarter J.A., Genson K.L., Youngblood J.P. Wetting Behavior of Oleophobic Polymer Coatings Synthesized from Fluorosurfactant-Macromers // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2011. Vol. 3. P. 2022–2030.

23. Molina R., Gόmez M., Kan C.-W., Bertran E. Hydrophilic-Oleophobic Coatings on Cellulosic Materials by Plasma assisted Polymerization in Liquid Phase and Fluorosurfactant Complexation // Cellulose. 2014. Vol. 21. P. 729–739.

24. Патент № 2331532 Российская Федерация, МПК7 B 60 R 13/00. Водоотталкивающий элемент и способ получения гидрофобного покрытия / М.О. Галлямов, А.Р. Хохлов, В.М. Бузник, Л.Н. Никитин, А.Ю. Николаев; № 2006134338/11; заявл. 28.04.2006; опубл. 20.08.2008; Бюл. № 23. 15 с.

25. Zefirov V.V., Lubimtsev N.A., Stakhanov A.I., Elmanovich I.V., Kondratenko M.S., Lokshin B.V., Gallyamov M.O., Khokhlov A.R. Durable Crosslinked Omniphobic Coatings on Textiles via Supercritical Carbon Dioxide Deposition // J. Supercritical Fluids. 2018. Vol. 133(1). P. 30–37.

26. Vasiljević J., Tomšič B., Jerman I., Orel B., Jakša G., Kova J., Simončič B. Multifunctional Superhydrophobic/Oleophobic and Flame-Retardant Cellulose Fibres with Improved Ice-Releasing Properties and Passive Antibacterial Activity Prepared via the Sol-Gel Method // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2014. Vol. 70. P. 385–399.

27. Vasiljević J., Tomšič B., Jerman I., Orel B., Jakša G., Simončič B. Novel Multifunctional Water- and Oil-Repellent, Antibacterial, and Flame-Retardant Cellulose Fibres Created by the Sol-Gel Process // Cellulose. 2014. Vol. 21. P. 2611–2623. doi: 10.1007/s10570-014-0293-4

Territorija “NEFTEGAS” [Oil and Gas Territory]. 2018; : 38-48

Improvement of Oil-Repellency of Textiles for Protective Clothing by Means of Deposition of Fluoropolymer Coatings from Solutions in Supercritical Carbon Dioxide

Zefirov V. V., Lubimtsev N. A., Stakhanov A. I., Elmanovich I. V., Kondratenko M. S., Gallyamov M. O.

Abstract

The peculiarity of oil-and-gas producing industry imposes specific requirements for the working clothes. Not only the clothes are supposed to be pronouncedly oil- and hydro- phobic ones, but they should possess antistatic and flameretardant properties as well. If oil-repellency is to be introduced by means of usage of fluorocarbon modifying agents, then water-repellency of the clothes is to be ensured automatically. Yet, antistatic properties imply ability of the fabric to sorb moisture. Thus some apparent contradiction between the water-repellency being introduced and desirable sorbtion ability towards water appears. In the paper we are solving the problem to develop textiles finishing procedure for working clothes in oil-and-gas producing industry with introduction of the whole spectra of the required functional properties, some of which seem to be mutually contradictive. This problem appears to be solved by means of usage of a peculiar solvent with advanced properties, i. e. supercritical carbon dioxide. Besides, the solution requires usage of copolymers, which have both fluorocarbon chains and additionally hydrophilic groups. The former ones provide oil repellency and nonwetting by oil as well as by water. The latter ones are used for cross-linking and grafting of the coating to the substrate surface in order to ensure long-term durability during washing as well as to promote an anti-static effect. Further, for the same purpose, the possibility to perform stable modification of the fabric with natural fibers is also successfully demonstrated. The technology is to be completely scaled-up and industrially exploitable at the present stage on pilot setups. We discuss the possibility to modify the technology further in order to impart flame-retardant properties to the fabrics as well.

References

1. GOST R 12.4.290–2013. Odezhda spetsial'naya dlya zashchity rabotayushchikh ot vozdeistviya nefti, nefteproduktov. Tekhnicheskie trebovaniya. M.: Standartinform, 2014. 15 s.

2. GOST 11209–2014. Tkani dlya spetsial'noi odezhdy. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya. Metody ispytanii. M.: Standartinform, 2015. 16 s.

4. Lakshmi R.V., Bharathidasan T., Bera P., Basu B.J. Fabrication of Superhydrophobic and Oleophobic Sol-Gel Nanocomposite Coating // Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 206. P. 3888–3894.

8. Tang W., Huang Y., Meng W., Qing F.-L. Synthesis of Fluorinated Hyperbranched Polymers Capable as Highly Hydrophobic and Oleophobic Coating Materials // Eur. Polym. J. 2010. Vol. 46. P. 506–518.

15. Zhao J., Leng B., Shao Z., de With G., Ming W. Triple-Scale Structured Superhydrophobic and Highly Oleophobic Surfaces // RSC Adv. 2013. Vol. 3. P. 22332–22339.

19. Kwon G., Post E., Tuteja A. Membranes with Selective Wettability for the Separation of Oil-Water Mixtures // MRS Commun. 2015. Vol. 5. P. 475–494.

24. Patent № 2331532 Rossiiskaya Federatsiya, MPK7 B 60 R 13/00. Vodoottalkivayushchii element i sposob polucheniya gidrofobnogo pokrytiya / M.O. Gallyamov, A.R. Khokhlov, V.M. Buznik, L.N. Nikitin, A.Yu. Nikolaev; № 2006134338/11; zayavl. 28.04.2006; opubl. 20.08.2008; Byul. № 23. 15 s.