黏合劑對(duì)納米纖維膜復(fù)合織物服用性能的影響

諸葛依娜，齊若涵，李小力，夏 鑫

(新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

隨著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，生活品質(zhì)不斷提高，人們對(duì)于服裝功能性的需求越來越高，特別是在運(yùn)動(dòng)服裝方面，如沖鋒衣、登山服、雨衣等。該類服裝需要具備較好的防水透濕性能[1-2],其同時(shí)具備防止液態(tài)水接觸人體和維持人體舒適微氣候使人體保持透氣舒適的功能。目前防水透濕織物的主要研究方向是將功能薄膜與普通面料復(fù)合，以達(dá)到防水透濕的效果[3-4]。

防水透濕織物常利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜與傳統(tǒng)織物復(fù)合形成層壓織物以達(dá)到防水透濕的目的。靜電紡的納米纖維膜具有高孔隙率，多孔結(jié)構(gòu)[5]，高比表面積及制作工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，且其孔徑在水蒸氣直徑和液滴直徑之間，因此納米纖維膜在防水透濕方面有較大優(yōu)勢(shì)，但是由于靜電紡納米纖維膜需要與傳統(tǒng)織物復(fù)合，其復(fù)合界面會(huì)影響織物的功能性和服用性，而且，目前對(duì)復(fù)合后織物的服用性能研究很少。

為了探究一種適用于復(fù)合織物的黏合劑，本文以環(huán)氧化苯乙烯系嵌段共聚物(ESBS)/瀝青納米復(fù)合織物為研究對(duì)象，對(duì)3 M膠，低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠作為黏合劑的復(fù)合織物在防水、透氣及透濕性、力學(xué)性能方面的差異進(jìn)行研究，采用 FAST 織物風(fēng)格儀測(cè)試納米復(fù)合防酸透濕織物的風(fēng)格特點(diǎn)，為開發(fā)防水透濕織物提供了理論基礎(chǔ)，并為復(fù)合織物服用性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

滌/棉織物(經(jīng)向密度420根/(10 cm)，緯向密度180根/(10 cm)，面密度W(200 g/m2)；ESBS(實(shí)驗(yàn)室自制)，各向同性瀝青(大連明強(qiáng)化工公司)；四氫呋喃(THF)，N,N—二甲基甲酰胺(DMF)，均為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。3 M 氣溶膠(美國(guó)3 M公司，比表面積大，高孔隙率)；低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠(上海星霞高分子制品有限公司，25 g/m2，熔融溫度105～110 ℃，壓燙時(shí)間10～15 s，無污染、耐高溫、耐水洗)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 ESBS的制備

將10 g苯乙烯系嵌段共聚物(SBS)、100 mL甲苯、1 g甲酸、0.2 g聚乙二醇水浴加熱至溶解，攪拌均勻后逐滴加入2.46 g過氧化氫，在70 ℃攪拌反應(yīng)2 h，反應(yīng)完畢加入乙醇進(jìn)行沉淀，清水洗滌直至呈中性后，在真空烘箱中烘干12 h，得到ESBS。

1.2.2 ESBS/瀝青納米纖維膜復(fù)合織物的制備

將THF與DMF以質(zhì)量比為3∶1混合，作為紡絲混合溶劑， ESBS(實(shí)驗(yàn)室自主合成)和瀝青以質(zhì)量比為1∶1制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的ESBS/瀝青混合溶液，將其在60 ℃條件下攪拌8 h以上直至完全溶解，制成紡絲液。

進(jìn)行靜電紡絲，基布選用滌/棉織物，制成納米纖維膜復(fù)合織物。設(shè)置靜電紡絲參數(shù)為：紡絲距離20 cm，紡絲液量4 mL，紡絲速度0.8 mL/h，滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min，電壓25 kV。

在靜電紡絲過程中，未使用黏合劑的復(fù)合織物記為1#樣品，黏合劑選用3 M膠的復(fù)合織物記為2#樣品，黏合劑選用低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠的復(fù)合織物記為3#樣品。

1.2.3 織物接觸角測(cè)試

依據(jù)GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測(cè)量方法》，使用OCA15EC型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試復(fù)合織物的靜態(tài)水接觸角。

1.2.4 形貌特征表征

利用phenom G2型掃描電子顯微鏡對(duì)納米纖維膜復(fù)合織物形貌進(jìn)行表征分析。

1.2.5 織物透氣透濕性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，使用 YG(B) 461E 型織物透氣性能測(cè)定儀測(cè)試織物的透氣性能。根據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第 1部分:吸濕法》，使用YG601型透濕測(cè)試儀測(cè)試織物的透濕性能。

1.2.6 織物風(fēng)格評(píng)價(jià)

采用 FAST 織物風(fēng)格儀快速預(yù)測(cè)靜電紡納米復(fù)合防酸透濕織物的風(fēng)格特點(diǎn)，測(cè)試復(fù)合織物的壓縮性能、彎曲性能、拉伸性能等性能特征?？椢锪W(xué)性能指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 織物力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)

1.2.7 主因子分析

主因子分析是根據(jù)降維[6-7]的概念將多個(gè)可能存在相關(guān)性的變量降低維度、轉(zhuǎn)換為少數(shù)線性不相關(guān)變量的一種統(tǒng)計(jì)方法，是在足量測(cè)試數(shù)據(jù)以及因子分析的基礎(chǔ)上，在不損失或很少損失原有測(cè)試信息前提下，采用繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將原來彼此相關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)新的、相互獨(dú)立的，并能綜合反映數(shù)據(jù)情況的一種多因素分析方法[8-9]。

主因子分析常用的軟件是MatLab 或 SPSS[10]，而采用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的較少，本文選用 EXCEL進(jìn)行主因子分析，主要用于特征值和特征向量的求解。利用蓋氏圓盤定理判定特征值的范圍后，利用“規(guī)劃求解”求解特征值[11]，特征值占所有特征值之和的百分比為主因子中所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率，累計(jì)貢獻(xiàn)率>85%時(shí)的特征值即為主因子，通過逆冪法求出主因子所對(duì)應(yīng)的特征向量，特征向量就是原始變量所占載荷。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合織物拒水性能分析

靜態(tài)水接觸角可以對(duì)復(fù)合織物防水性能進(jìn)行表征，復(fù)合織物的水接觸角見圖1。其中1#、2#、3#樣品的靜態(tài)水接觸角分別為146°、145°和157°，由此可知，3個(gè)樣品都具有優(yōu)良的拒水性能，說明本文所選用的ESBS/瀝青拒水材料具有低表面能特點(diǎn)，達(dá)到了拒水要求；但3個(gè)樣品拒水性能又存在差異，1#與2#樣品的拒水性能在誤差允許范圍內(nèi)，而3#樣品的拒水性能有顯著提高。

圖1 復(fù)合織物的水接觸角

根據(jù)Cassie-Baxter模型可知，液體浸潤(rùn)固體的實(shí)質(zhì)是液體黏附在固體表面的過程[12]，復(fù)合織物的拒水性能與織物的表面能和表面粗糙度有關(guān)，為探究3個(gè)樣品拒水性能產(chǎn)生差異的原因，利用SEM掃描電鏡對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行表征形貌分析，復(fù)合織物表面SEM照片見圖2。

圖2 復(fù)合織物表面SEM照片

由圖2(a)～(c)可以看出，樣品被放大500倍時(shí)，織物表面凹凸不平，較粗糙，具有一定數(shù)量的“珠?！?，珠粒實(shí)際上是瀝青質(zhì)分子在范德華力的作用下在靜電紡絲溶液中自聚形成的。在紡絲過程中，由于其表面張力大，很難在電場(chǎng)力作用下被拉伸成纖維，但珠粒的大小，數(shù)量及表面粗糙程度存在差異。由圖2(d)～(f)可以看出，樣品被放大5000倍時(shí)，納米纖維復(fù)合織物的表面均有紡錘體珠粒，圖2(d)的珠粒大，圖2(e)(f)的珠粒小，圖2(f)的珠粒多。由圖2可以看出，1#樣品與2#樣品的粗糙程度相差不大，因而其拒水能力可認(rèn)為相同，而3#樣品的粗糙程度較高，使液珠與織物表面形成“氣墊”，故其拒水性能顯著提高。

2.2 復(fù)合織物透氣透濕性能分析

對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行透氣透濕測(cè)試。透氣性是指氣體分子通過織物的性能，透濕性是指濕汽透過織物的性能，水汽通過織物傳遞的途徑主要有3個(gè)方面[13]：一是水汽通過織物中微孔的擴(kuò)散(氣相)；二是纖維自身吸濕(靜止)或在水汽壓較低一側(cè)逸出(滯后氣相)；三是大量的水汽分子會(huì)產(chǎn)生凝露(氣→液)而通過毛細(xì)作用浸潤(rùn)擴(kuò)展并在水汽壓低時(shí)產(chǎn)生蒸發(fā)(液→氣)。影響織物透氣透濕的因素有織物結(jié)構(gòu)、織物組織、孔隙率[14]、面密度、厚度、纖維形狀及性質(zhì)和環(huán)境條件。對(duì)于納米纖維復(fù)合織物來說，ESBS/瀝青納米纖維膜的珠粒直徑大小、纖維絲的形狀及黏合劑的種類也會(huì)影響其透氣透濕性?？椢锿笟馔笣裥阅苤笜?biāo)參數(shù)見表2。

表2 織物的透氣透濕性能

由表2可以看出，3個(gè)樣品的透氣率均在238 mm/s以上，透濕率均在430 g/(m2·(24 h))以上，其中2#樣品的透氣透濕性能最好。朱國(guó)權(quán)等[15]研究表明：一般情況下，隨著織物透氣性能變大，透濕性相應(yīng)也變大，但是變化幅度遠(yuǎn)小于透氣性。2#樣品的透氣性最大，相比3#樣品透氣性增加了55.79 mm/s而透濕性增加幅度小,只增加了7.504 g/(m2·24 h)，相比1#樣品透氣性透濕性分別增加了69.7 mm/s,21.038 g/(m2·24 h)。2#樣品的透氣性透濕性最佳，其原因可歸結(jié)為：

①基布為滌/棉織物，在與納米纖維膜復(fù)合后，織物的厚度及面密度有所增加，因此使織物的透氣透濕性有所下降。

② 1#樣品中粗大的珠粒較多，珠粒直徑大，纖維更加扁平，阻塞了氣體的傳輸通道使氣體通過復(fù)合織物的效率降低，導(dǎo)致復(fù)合織物的透氣性透濕性??；3#樣品的黏合劑以網(wǎng)格狀分布，對(duì)織物覆蓋面積小，因而對(duì)織物對(duì)空氣及水汽的透過率影響小，但其珠粒多，纖維扁平；而3#樣品所使用的黏合劑具有較高的比表面積和高孔隙率，其珠粒小，允許氣體及水汽通過的通道比1#樣品寬，因而2#樣品的透氣透濕性能最好。

2.3 復(fù)合織物風(fēng)格分析

采用FAST織物風(fēng)格儀測(cè)試，測(cè)試復(fù)合織物的壓縮、彎曲、拉伸性能(見表1)，其中，織物壓縮性能評(píng)價(jià)主要由織物表面厚度(ST) 來表征，是指織物在98.0 cN/cm2下的厚度(T100)與在1.96 cN/cm2下的厚度(T2) 之差，該值大小決定了織物表面的蓬松程度以及織物表面的均勻性；彎曲性能的評(píng)價(jià)主要由織物經(jīng)緯向的彎曲長(zhǎng)度與彎曲剛度大小來表征，彎曲長(zhǎng)度與彎曲剛度決定了織物的硬挺度[16];織物的拉伸性能評(píng)價(jià)主要由在3個(gè)低載荷下，織物經(jīng)向、緯向、斜向的延伸率來表征，延伸率的大小決定了織物的柔順度。

需要說明的是，在織物剪切性能指標(biāo)中，剛度(G)為123/EB5,由于基布在4.9、19.6、98.0 cN/cm下織物經(jīng)向延伸率E51、E201、E1001分別為0.1%、0.4%、1.0%；緯向延伸率E52、E202、E1002分別為0.1%、0.8%、0.7%；斜向延伸率EB5，EB20，EB100分別為0.7%，3.9%,9.7%,可以看出，除了98 cN/cm下織物斜向延伸率EB100(3.9%)外，其余情況下織物的延伸率很小，接近于0，因此不考慮織物拉伸性能和剪切性能2類性能指標(biāo)對(duì)復(fù)合織物風(fēng)格的影響，織物力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 織物力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 主因子分析

運(yùn)用EXCEL[17]軟件對(duì)表3性能指標(biāo)進(jìn)行主因子分析，得到因子累計(jì)貢獻(xiàn)率。因子貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見表4。

當(dāng)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上則為主因子。由表4可知，因子1和因子2的累計(jì)貢獻(xiàn)率超過85%,因此有2個(gè)主因子。

由逆冪法求原始變量占2個(gè)主因子的載荷系數(shù)，即求2個(gè)主因子所對(duì)應(yīng)的特征向量組，原始變量所占主因子的載荷見表5。

因ST與B2的載荷系數(shù)絕對(duì)值較大，主因子1命名為壓縮緯向彎曲剛度因子；因C1與B1的載荷系數(shù)絕對(duì)值較大，主因子2命名為經(jīng)向彎曲剛度因子。根據(jù)各原始變量的載荷可得到原始變量與各主因子之間的關(guān)系式(用y1,y2表示主因子1,2)如下：

y1=0.282 893 771ST-0.058 751 292C1+0.267 698 657C2+0.249 533 349W-0.024 869 122B1+0.283 494 637B2

y2=0.087 856 459ST+0.439 686 036C1+0.167 322 252C2-0.225 321 219W+0.447 427B1+0.083 029 473B2

表5 原始變量所占主因子的載荷

綜合上述分析可以看出，反映納米復(fù)合織物服用性能特征主要由織物的壓縮特性(主因子y1)和彎曲剛度特性(主因子y1,y2)決定。根據(jù)各主因子的轉(zhuǎn)換關(guān)系式得出主因子的值，復(fù)合織物主因子值見表6。

由表6可以看出，3#樣品的y1值最大，則其表面厚度ST大，彎曲剛度B大，2#樣品的y2值最大，則其彎曲剛度大，分析其原因可歸為以下2點(diǎn)：

表6 復(fù)合織物主因子值

①低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠為由聚氨酯制成的膜，有一定彈性，其以網(wǎng)絡(luò)狀連接納米纖維膜和織物，因此其ST較大，彎曲剛度大。

② 3 M膠通過噴涂方式分散在納米纖維膜和織物界面，使織物與纖維膜形成交聯(lián)狀黏合，因此彎曲剛度大。

3 結(jié) 論

本文通過溶液聚合法合成ESBS，與瀝青混紡，制備ESBS/瀝青納米纖維膜復(fù)合織物，通過分析復(fù)合織物的拒水性、透氣、透濕性及基本力學(xué)性能，得出：

①由于使用低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠為黏合劑的納米纖維膜復(fù)合織物的珠粒多，表面粗糙度高，使液珠與織物表面形成“氣墊”，其拒水性能最佳，可達(dá)157°。

② 3 M膠有較大的比表面積和高孔隙率，以3 M膠作黏合劑的納米纖維復(fù)合織物，增加了氣體分子與水分子通過復(fù)合織物的路徑。因此其透氣透濕性最佳，透氣率為308.14 mm/s，透濕率為451.073 g/(m2·(24 h))。

③通過主因子法對(duì)復(fù)合織物的基本力學(xué)性能進(jìn)行分析，得知織物的壓縮特性，彎曲剛度特性可以反映納米復(fù)合織物服用性能特征。

綜合分析得出3 M膠最適合做ESBS/瀝青納米纖維膜與滌/棉基布的黏合劑。