熱處理對靜電紡聚四氟乙烯纖維膜防水透濕性能的影響

陳騰飛 丁郎 李想

摘要：新冠疫情爆發(fā)，醫(yī)用防護服的需求急劇上升，由靜電紡絲制得的聚四氟乙烯復合膜為主要面料的醫(yī)用防護服滿足了隔離病菌、阻隔顆粒物及防液體滲透等功能，但其舒適性有待提高。本文主要采用控制溫度和壓力條件的方法，找到其與靜電紡絲納米纖維膜形貌和結晶行為的關系，為提高靜電紡絲納米纖維膜力學性能的同時改善其防水透氣性能做進一步研究。

關鍵詞：靜電紡絲;納米纖維膜;防水透濕

1. 引言

2019年12月新型冠狀病毒暴發(fā)，在極短的時間里，病毒形成了氣溶膠、糞口、尿液、結膜、母嬰等多種傳播途徑[1]。主要面料為聚丙烯紡粘無紡布、多微孔聚乙烯薄膜、聚四氟乙烯復合膜等的醫(yī)用防護服廣泛應用，但其防水透濕透氣有待改善。醫(yī)護人員長時間穿著一般防護服進行高強度工作，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)醫(yī)護人員出現(xiàn)許多皮膚問題。對此如何保持纖維膜對病毒及微生物隔絕性同時提高其防水透濕透氣性成為一個十分重要的基礎科學問題。

2. 靜電紡絲技術

靜電紡絲技術是一種獨特的非織造技術，用這種技術制作出的紡織品孔隙體積比其在正常狀態(tài)下總體積的百分比高，且孔隙之間有著相互貫通的空間結構[2]。靜電紡絲技術作為一種通用、且便捷的方式在近年也逐漸受到人們的關注。與傳統(tǒng)的非織造技術相比，靜電紡絲技術受原材料條件影響較小，通過運用靜電紡絲技術可以更加快速地獲得多孔膜，在制作時改變相關條件可以做到對織物孔隙結構的控制。

3. 靜電紡絲納米纖維膜

由靜電紡絲技術制作而成的聚四氟乙烯納米纖維膜，是一類具有良好防水透濕透氣的復合纖維膜，在抵抗液態(tài)水滲透膜結構的同時，可以使得膜結構向外透出多余的水蒸氣[3]。聚四氟乙烯納米纖維膜具有較好的相互貫通的多孔結構和高孔隙率等，已經(jīng)運用到組織工程、藥物緩釋、納米傳感器、能源應用、生物芯片和催化劑負載等，該材料已應用在登山服、沖鋒衣等大多數(shù)具有特殊功能的服裝上。但這一類纖維膜還存在著一定力學性能強度的欠缺，限制其在實際運用中較為突出的表現(xiàn)，需要通過表面改性，聚合物共混，熱處理等方式改進，在一定程度上提高纖維膜的耐磨性、拉伸性等力學性能。

4. 實驗方法及分析

在一定溫度和壓力的協(xié)同作用下，裁剪纖維的形貌，利用熱壓機制備不同溫度纖維膜樣品作為測試試樣，再采用掃描電子顯微鏡（SME）拍攝25℃（常溫）及150℃纖維膜樣品的表面形貌。

通過對纖維膜表面形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)當溫度超過其形變溫度時，纖維明顯變形為扁平狀，并出現(xiàn)纖維與纖維間的粘接現(xiàn)象。通過采用泡壓法濾膜孔徑分析儀測試各部位纖維膜樣品的孔徑分布及平均孔徑。25℃（常溫）纖維膜的孔隙率達到88.77%，平均孔徑為4..48 μm。當控制溫度不變，壓力上升，纖維開始發(fā)生形變，但纖維與纖維間的接觸部分并未發(fā)生熔融現(xiàn)象。設置溫度150℃（介于變形溫度與熔融溫度之間），適當提高壓力時，其孔隙率為82.57%，平均孔徑為4.16μm，保持著較大的孔徑和孔隙率。同時熱壓處理過程中，當纖維的熔融溫度高于所給溫度時，在壓力和溫度的共同作用下加快低溫穩(wěn)定相和高溫穩(wěn)定相之間的結構轉變。

纖維之間的粘接現(xiàn)象直接增加纖維膜的拉伸能力，熱壓后的靜電紡聚四氟乙烯纖維膜的斷裂強度增加一倍，這是因為熱壓處理過程中將原本的疏松的三維結構轉變成新的粘連結構。

靜水壓和透濕量是體現(xiàn)纖維膜防水透濕性能的兩個重要測試指標。采用透水測試儀測定織物在靜水壓下抗水滲透的性能，再采用電腦式織物透濕性測試儀測得水蒸氣透濕量。通過實驗發(fā)現(xiàn)，熱壓處理后的纖維膜靜水壓值達到102 kPa，增加了近一倍，而透濕量維持在11.05 kg m-2 d-1，表現(xiàn)出良好的防水透濕機能。

5. 結語

通過對靜電紡絲納米纖維膜的形貌和結晶行為進行研究，在實驗中采用熱處理的方式提高靜電紡絲納米纖維膜的力學性能使其防水透濕性能得以改善。在溫度和壓力的共同作用下可以有效地改善纖維膜的形貌和結晶行為。通過適當控制溫度和壓力條件，熱處理使得纖維膜之間出現(xiàn)粘連結構，優(yōu)化了纖維膜的孔徑和良好的潤濕性顯著地提高了纖維膜的防水性，而較高的孔隙率維持其較好的透濕性。具有較為優(yōu)異的防水透氣性能的靜電紡絲纖維膜對防護服的舒適性能研究一定的實踐意義，同時為開發(fā)良好舒適性的醫(yī)用防護服提供一定的理論指導。在對納米纖維膜防水透濕性的研究中，實現(xiàn)了有效的性能調控，也為科研以及企業(yè)人員提供一定的理論基礎。

參考文獻

[1]陳楠楠，王進美，陶麗珍.抗病毒防護紡織品[J].合成纖維，2020，49（09）：32-35.

[2]Angelomé，multiscale： integrative synthesis of complex macroporous and mesoporous thin films with spatial separation of porosity and function. Advanced Materials. 2006，18，2397-2402.

[3] Xiang Li，Improving waterproof/breathable performance of electrospun poly（vinylidene fluoride） fibrous membranes by thermo‐pressing[J]. Journal of Polymer Science Part B： Polymer Physics，2018，56（1）：

基金項目：本文由2020年紹興文理學院元培學院大學生科技創(chuàng)新項目資助。