聚氨酯涂層對(duì)聚乳酸非織造布水解性能的影響*

1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通226019；2. 江蘇省安全與防護(hù)用紡織品工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南通226019；3. 杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江 杭州310019

聚乳酸纖維是一種可降解、可循環(huán)的綠色材料，在自然條件下能被微生物分解成水和二氧化碳，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[1-2]。此外，聚乳酸纖維還有許多優(yōu)異性能，比如有極好的吸濕性、透氣性和懸垂性及良好的抗紫外線輻射功能，成型加工性也好，并富有光澤和彈性等[3-4]。隨著這類新纖維材料的不斷開發(fā), 其在非織造布中的應(yīng)用也日漸增多。

非織造布是用途廣泛的材料，具有透濕、透氣、柔韌、質(zhì)輕、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是與傳統(tǒng)機(jī)織布和針織布相比，非織造布具有強(qiáng)度和耐久性較差及不宜水洗等缺點(diǎn)。另外，外界環(huán)境對(duì)聚乳酸非織造布的使用影響也很大，特別是聚乳酸非織造布遇強(qiáng)堿容易水解[1]。

本文利用聚氨酯對(duì)聚乳酸非織造布進(jìn)行涂層整理，在非織造布上形成聚氨酯膜，它是一種具有較好透濕性的防護(hù)材料，在保持聚乳酸非織造布的吸濕透氣和懸垂等性能的同時(shí)，可以阻止其他外界物質(zhì)進(jìn)入，并起到有效防護(hù)外部環(huán)境不良影響的作用。但是，聚乳酸纖維在特定環(huán)境中易發(fā)生水解，那么聚氨酯涂層對(duì)聚乳酸非織造布的水解性能有何影響？本文將對(duì)此進(jìn)行探究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要材料與設(shè)備

1.1.1 主要材料

聚乳酸非織造布，面密度為75 g/m2，深圳盛德福投資發(fā)展有限公司生產(chǎn)；聚氨酯樹脂，上海匯得科技股份有限公司生產(chǎn)；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。

1.1.2 主要設(shè)備

DSC 214 Polyma差示掃描量熱儀，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司生產(chǎn)；YG065型電子織物強(qiáng)力試驗(yàn)儀，山東萊州市電子儀器有限公司生產(chǎn)；HHS21-4電熱恒溫水浴鍋，上海華聯(lián)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備公司恒昌儀器廠生產(chǎn)；Y802A型八籃恒溫烘箱，江蘇常州紡織儀器廠生產(chǎn)；JSM-6390A型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)；DT500B型電子天平，常熟市佳衡天平儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 試樣的制備

將聚乳酸非織造布裁剪成25 cm×5 cm的試樣，即未經(jīng)涂層整理的試樣，記作試樣A。

1.2.2 涂層整理劑的制備

將聚氨酯與DMF按1∶5的質(zhì)量比混合，充分?jǐn)嚢?，待聚氨酯完全溶解并靜置至無氣泡后使用。

1.2.3 涂層整理試驗(yàn)

涂層整理工藝流程：

按照以上工藝流程對(duì)試樣A進(jìn)行涂層整理，得到涂層整理試樣，記作試樣B。

1.2.4 水解試驗(yàn)

聚乳酸纖維在酸堿性不同的溶液中易發(fā)生水解的程度，由大到小的順序?yàn)閴A性>酸性>中性[5]。因此，配置1 mol/L NaOH溶液，其pH值為14，置于37 ℃恒溫水浴鍋中，對(duì)試樣進(jìn)行快速水解試驗(yàn)。將試樣A和試樣B放入上述強(qiáng)堿溶液中，于水解時(shí)間為1、2、3、4、5 h時(shí)分別取出，然后用去離子水清洗，再置于50 ℃烘箱中烘干，待測(cè)試。

1.3 測(cè)試

1.3.1 質(zhì)量保持率的測(cè)定

取一定質(zhì)量(記作m)的試樣，放置在pH值為14的NaOH溶液中水解，于1、2、3、4、5 h時(shí)分別取出水解后試樣，用吸水紙吸干后放置于干燥皿中48 h，然后用DT500B型電子天平稱取其質(zhì)量(記作m′)。每組試樣測(cè)定5組數(shù)據(jù)，結(jié)果取平均值。

質(zhì)量保持率計(jì)算式：

式中：m為水解前試樣質(zhì)量(g)；m′為水解后試樣質(zhì)量。(g)

1.3.3 拉伸性能測(cè)試

拉伸性能測(cè)試按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》進(jìn)行，拉伸速度為10 cm/min，試樣夾持長(zhǎng)度為20 cm，每個(gè)試樣測(cè)定5組數(shù)據(jù)，結(jié)果取平均值。

斷裂強(qiáng)力保持率計(jì)算式：

其中：P為水解前試樣斷裂強(qiáng)力(N)；P′為水解后試樣斷裂強(qiáng)力(N)。

斷裂伸長(zhǎng)保持率計(jì)算式：

其中：L為水解前試樣斷裂伸長(zhǎng)(mm)；L′為水解后試樣斷裂伸長(zhǎng)(mm)。

1.3.2 SEM觀測(cè)

采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察試樣微觀形貌，電壓為5 kV，放大500倍。

1.3.4 DSC分析

升溫范圍0～200 ℃，升溫速率10 ℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯涂層對(duì)試樣質(zhì)量保持率的影響

圖1所示為測(cè)得的試樣質(zhì)量保持率及水解3 h時(shí)試樣A和試樣B的實(shí)物照片。

圖1 試樣質(zhì)量保持率

由圖1可以看出，聚乳酸非織造布在強(qiáng)堿溶液中水解速度很快，特別是未經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣A，水解3 h時(shí)其質(zhì)量保持率只有13.32%，試樣已經(jīng)不成形，4 h時(shí)試樣基本完全水解。經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣B，水解2 h時(shí)其質(zhì)量保持率為79.19%，5 h時(shí)其質(zhì)量保持率才下降到57.42%。由此可見，在一定的時(shí)間內(nèi)，聚氨酯涂層對(duì)聚乳酸非織造布在強(qiáng)堿溶液中的水解有抑制作用，這是因?yàn)樵诰廴樗岱强椩觳急砻嫘纬闪艘粚泳郯滨ケ∧?，其一方面阻止了大部分?qiáng)堿溶液向非織造布表面擴(kuò)散，減少了聚乳酸纖維與強(qiáng)堿溶液接觸的機(jī)會(huì)；另一方面阻止了聚乳酸纖維的水解產(chǎn)物向外擴(kuò)散，維持非織造布內(nèi)部的pH值低于14，延緩了水解反應(yīng)。

2.2 聚氨酯涂層對(duì)試樣拉伸性能的影響

表1、表2分別列出了測(cè)得的試樣斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長(zhǎng)保持率。

表1 試樣斷裂強(qiáng)力保持率

由表1可以看出，未經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣A，經(jīng)過1 h的水解，其強(qiáng)度基本損失殆盡；而經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣B，水解1 h，其斷裂強(qiáng)力保持率為63.53%。同樣地，從表2中可以看出，經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣B，水解5 h，其斷裂伸長(zhǎng)保持率才下降為0.00%；而未經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣A，經(jīng)過2 h的水解，就無法測(cè)出其斷裂伸長(zhǎng)了。由此可見，經(jīng)過聚氨酯涂層整理后，聚乳酸非織造布在強(qiáng)堿溶液中其斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)雖然有所損失，但是其力學(xué)性能保持率都高于未經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣，這說明聚氨酯涂層整理對(duì)聚乳酸非織造布的水解起到了一定的延緩作用，提高了聚乳酸非織造布的耐用性和抗水解性。

2.3 試樣微觀形貌

試樣微觀形貌的SEM觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。

(a) 試樣A

(b) 水解3 h的試樣A

(c) 試樣B

(d) 水解3 h的試樣B

從圖2(a)和(c)可以看出，經(jīng)聚氨酯涂層整理后，聚乳酸非織造布表面覆蓋了一層薄膜，其有效地阻止了強(qiáng)堿溶液向聚乳酸非織造布內(nèi)部擴(kuò)散，抑制了聚乳酸纖維的水解。圖2(b)所示為水解3 h時(shí)試樣A的表面形貌，與水解前的試樣A對(duì)比，可以看到前者的纖維表面腐蝕嚴(yán)重、纖維明顯變細(xì)、纖維斷裂多等現(xiàn)象，這很好地印證了試樣力學(xué)性能的下降。圖2(d)所示為水解3 h時(shí)試樣B的表面形貌，還可以看到其表面有薄膜覆蓋，這對(duì)緩解聚乳酸纖維的水解有一定效果。

2.4 試樣DSC分析

結(jié)合本文2.1節(jié)和2.2節(jié)的測(cè)試結(jié)果，未經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣A在水解4 h時(shí)已基本水解完，因此只針對(duì)經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣B進(jìn)行DSC分析。圖3所示為測(cè)得的試樣B的DSC曲線。

圖3 試樣B的DSC曲線

從圖3可以看出，試樣B的DSC曲線上，69 ℃和161 ℃附近有吸熱峰，這是聚乳酸纖維特有的玻璃化轉(zhuǎn)變峰和熔融峰。當(dāng)聚乳酸纖維發(fā)生降解時(shí)，其熔融峰會(huì)向低溫方向移動(dòng)[6]。但是圖3中，經(jīng)過不同時(shí)間水解的各試樣的熔融峰位置相差不多，說明試樣結(jié)晶區(qū)的降解程度差異不大。聚乳酸纖維水解先發(fā)生在非晶區(qū)，再發(fā)展到結(jié)晶區(qū)。

3 結(jié)論

經(jīng)過聚氨酯涂層整理的聚乳酸非織造布，其表面形成了一層聚氨酯薄膜，其在不損害聚乳酸非織造布透氣透濕性能的前提下，可以有效地阻止外界對(duì)聚乳酸纖維性能產(chǎn)生不良影響。在水解試驗(yàn)中，水解4 h時(shí)，經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣質(zhì)量保持率為62.70%，而未經(jīng)過聚氨酯涂層整理的試樣質(zhì)量保持率僅為1.39%，前者在力學(xué)性能等方面也明顯優(yōu)于后者，因此聚氨酯涂層可以賦予聚乳酸非織造布良好的抗水解性。

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