TPU靜電紡絲納米纖維膜復(fù)合面料的制備及其結(jié)合牢度研究

劉 倩 吳海波 王榮武

東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們健康意識的增強，對家紡用品的需求也逐漸從柔軟舒適向吸濕透氣、防護抗螨、保健安全等功能性拓展[1]。表面改性是賦予家紡織物功能性的有效策略。常見的表面改性技術(shù)有化學(xué)處理[2]、表面覆膜[3](化學(xué)沉積[4]，靜電紡絲[5])及涂層處理等。其中，靜電紡納米膜因具有功能性多，比表面積大、孔徑小，與基布復(fù)合后不影響織物風(fēng)格[6]等特性，成為當(dāng)前的研究熱點。研究表明，摻入抗菌劑的聚丙烯腈納米纖維膜與非織造材料復(fù)合制備的抗菌材料，對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率達99.9%，可應(yīng)用于尿不濕、濕紙巾等衛(wèi)生領(lǐng)域[7]。由殼聚糖納米纖維和棉織物復(fù)合制備的繃帶，具有良好的止血性和抗菌效果[8]。由含氟聚氨酯納米纖維與滌綸面料復(fù)合制備的防護服，對水和硫酸的接觸角分別為141°和124°，具有優(yōu)異的拒水防腐蝕性能[9]。

熱塑性聚醚型聚氨酯(TPU)是一種性能優(yōu)異的環(huán)保材料[10-11]。采用靜電紡絲技術(shù)制備的TPU納米纖維膜透濕性能優(yōu)異，形成的納米微孔結(jié)構(gòu)兼具透氣性和防護阻隔作用[12]，適合與紡織面料復(fù)合。然而，納米纖維膜與家紡織物的材料性質(zhì)和尺度不同，兩者間的界面結(jié)合不穩(wěn)定、結(jié)合牢度較低。因此，采用合適的復(fù)合工藝至關(guān)重要。熱熔黏合[13]和化學(xué)黏合[14]已廣泛應(yīng)用于納米纖維膜與織物的復(fù)合，但這些方法工藝復(fù)雜，且難以保證納米纖維膜的完整性。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是印染行業(yè)常用的助劑[15]，能顯著提高染料與織物的結(jié)合牢度，但其在納米纖維與織物復(fù)合領(lǐng)域還鮮有研究。

鑒于此，本文以熱塑性聚醚型TPU為原材料，采用自制靜電紡絲裝置制備納米纖維膜，分別采用化學(xué)黏合、熱黏合和添加PVP助劑紡絲黏合3種復(fù)合工藝，將膜材與紡織面料復(fù)合，制備具有防護阻隔性能的TPU納米纖維膜復(fù)合面料，探討復(fù)合工藝對納米纖維膜與基布結(jié)合牢度的影響，并分析不同復(fù)合工藝下材料的形貌特征、孔徑及吸濕透氣性能。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及設(shè)備

熱塑性聚醚型TPU，購自德國巴斯夫公司；PVP，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；0.5 mol/L鹽酸，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；0.5 mol/L氫氧化鈣，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉，購自廣州和為醫(yī)藥科技有限公司；滌綸織物[經(jīng)紗緯紗線密度均為27 tex，經(jīng)緯密為480根/(10 cm)×234根/(10 cm)]，棉織物[經(jīng)紗緯紗線密度均為27 tex，經(jīng)緯密為523根/(10 cm)×276根/(10 cm)]，東華大學(xué)紡織學(xué)院提供；面密度為25 g/m2的TPU 熱熔膠網(wǎng)膜，蘇州惠洋新材料有限公司提供；無針型靜電紡絲設(shè)備，實驗室自制，如圖1所示。

1.2 紡絲液的配置

以DMF為溶劑，TPU為溶質(zhì)配制溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的紡絲液，在室溫下對共混物進行磁力攪拌24 h至溶質(zhì)完全溶解。

1.3 TPU納米纖維膜的制備

在無針型靜電紡絲設(shè)備上進行靜電紡絲，紡絲電壓為 25 kV，接收距離為15 cm，在溫度為20 ℃，相對濕度為50%下進行纖維膜的制備。

1.4 TPU納米纖維膜復(fù)合面料的制備

分別采用化學(xué)黏合、熱熔黏合和添加PVP助劑紡絲黏合(直接紡絲黏合)3種方法制備TPU納米纖維膜復(fù)合面料試樣，具體制備方案如表1所示。

表1 采用不同黏合工藝和基布材料制備TPU納米纖維膜復(fù)合面料試樣

1.4.1 化學(xué)黏合

首先，在滌綸機織物上噴一層水性聚氨酯膠水，經(jīng)24 h固化反應(yīng)后，水性聚氨酯膠水轉(zhuǎn)化為 TPU并牢牢黏合在基布上。然后，將基布放置在靜電紡絲裝置的接收板上。紡絲結(jié)束后，使用平板硫化機熱壓，熱壓時間為2 min，壓力為2 MPa，溫度為75 ℃。

1.4.2 熱熔黏合

將基布與熱熔網(wǎng)膜疊放于靜電紡絲裝備的接收板上。紡絲結(jié)束后，使用平板硫化機熱壓，熱壓參數(shù)同1.4.1節(jié)。

1.4.3 直接紡絲黏合

配制紡絲液時添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PVP助劑。將基布放置于靜電紡絲裝備的接收板上，紡絲結(jié)束后，使用平板硫化機熱壓，熱壓參數(shù)同1.4.1節(jié)。

2 性能表征與測試

形貌表征：對TPU納米纖維膜復(fù)合面料試樣表面進行噴金處理，使用TM3000型掃描電子顯微鏡(日本日立儀器公司)觀察試樣表面形貌。

耐磨結(jié)合牢度測試：選用Y571B型摩擦色牢度儀(溫州方圓儀器有限公司)，采用標(biāo)準(zhǔn)羊毛磨料，將TPU納米纖維膜復(fù)合面料試樣置于海綿墊層的圓形摩擦頭上(平磨)進行摩擦測試[16]，結(jié)合圖像處理技術(shù)，用試驗前后試樣的磨損面積表征耐磨結(jié)合牢度。每種試樣測試5次，結(jié)果取平均值。為模擬試樣在不同環(huán)境下的耐磨結(jié)合牢度，分別配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸、氫氧化鈣和氯化鈉溶液，將試樣分別在這3種溶液中浸泡24 h后，進行耐磨結(jié)合牢度測試，測試方法同上。

耐水洗結(jié)合牢度測試：采用WASHTEC-P型水洗牢度儀(英國羅切斯國際公司)，設(shè)定溫度為40 ℃，將試樣放入試杯中，緊固試杯蓋，逐一安裝在旋轉(zhuǎn)架上。在機器轉(zhuǎn)速為(40±2) r/min下模擬機洗，洗滌時間為30 min。共洗滌15次，每5次洗滌后測試并計算試樣的質(zhì)量損失率。

親水性測試：采用OCA15EC型光學(xué)接觸角測量儀測量試樣的靜態(tài)接觸角，每種試樣測試5次，結(jié)果取平均值。

透氣性測試：根據(jù)ASTM D 737-2018《紡織織物透氣性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，采用RT-5300型紡織品透氣性測試儀測量薄膜的透氣性與通過規(guī)定面積薄膜的空氣量。

孔徑測試：采用CFP-1100-AI型毛細(xì)流量孔徑儀測量試樣的孔徑大小。將試樣裁剪成 3 cm×3 cm 大小，并調(diào)節(jié)氣泵壓力為4～8 kPa進行試驗。

透濕性測試：采用YG501 D-Ⅲ型透濕性測試儀測量試樣的透濕率。透濕率W的計算式見式(1)。

(1)

式中：m1表示吸濕后織物的質(zhì)量，g；m0表示吸濕前織物的質(zhì)量, g；S表示試樣有效試驗面積, m2；t表示吸濕時間, d。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面形貌分析

TPU納米纖維膜分別與滌綸和棉織物2種基布復(fù)合后，所得TPU納米纖維膜復(fù)合面料試樣的表觀形貌SEM圖如圖2所示。由圖2a)和圖2c)可以看出，TPU納米纖維膜與滌綸織物通過直接紡絲黏合和化學(xué)黏合的方式復(fù)合后，所得納米纖維膜復(fù)合面料形貌完整，呈現(xiàn)出均勻的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；經(jīng)熱熔黏合后，熱熔網(wǎng)膜熔化并黏附在TPU納米纖維膜表面，纖維網(wǎng)的孔隙被大量堵塞[圖2b)]。由圖2d)～圖2f)可以看出，TPU納米纖維膜與棉織物經(jīng)化學(xué)黏合復(fù)合后,呈現(xiàn)出均勻的納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)[圖2f)]。TPU納米纖維膜與棉織物經(jīng)熱熔黏合復(fù)合后，也出現(xiàn)了熱熔網(wǎng)膜熔化堵塞TPU納米纖維膜的現(xiàn)象[圖2e)]。TPU納米纖維膜與棉織物經(jīng)直接紡絲黏合復(fù)合后，未形成纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)[圖2d)]，這是因為PVP助劑可以提高納米纖維膜的親水性，與棉織物復(fù)合時迅速潤濕擴展，導(dǎo)致無法形成纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 TPU納米纖維膜復(fù)合面料的表觀形貌SEM圖

3.2 耐磨結(jié)合牢度分析

TPU納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合后面料的耐磨結(jié)合牢度測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，TPU納米膜與滌綸織物復(fù)合面料在經(jīng)濕處理、酸處理和堿處理后，均未出現(xiàn)明顯的納米纖維膜與滌綸織物脫離的現(xiàn)象，表明復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性較高。經(jīng)磨料摩擦后，復(fù)合面料上的纖維膜逐漸從滌綸織物表面剝離，且剝離面積(面積損失率)隨著摩擦次數(shù)的增加而增大。從圖3還可以看出，TPU納米纖維膜與滌綸織物直接紡絲黏合所得復(fù)合面料在經(jīng)500次摩擦后，面積損失率約為25%，而經(jīng)熱熔黏合和化學(xué)黏合復(fù)合后，TPU納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合面料在經(jīng)500次摩擦后的面積損失率則低于15%。總體而言，TPU納米纖維膜與滌綸織物的干濕結(jié)合牢度與酸堿結(jié)合牢度均較高。

圖3 TPU納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合后面料的耐磨結(jié)合牢度

TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合后面料的耐磨結(jié)合牢度測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，采用助劑直接紡絲黏合的復(fù)合面料在經(jīng)不足200次的摩擦后就已基本脫落，表明TPU納米纖維膜與棉織物直接紡絲黏合所得的復(fù)合面料結(jié)合牢度極低。采用熱熔黏合和化學(xué)黏合方式制得的TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合的面料，在經(jīng)500次摩擦后面積損失率均低于30%，表明其結(jié)合牢度較高。

圖4 TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合后面料的耐磨結(jié)合牢度

3.3 水洗結(jié)合牢度分析

TPU納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合面料在經(jīng)多次洗滌后，織物表面的納米纖維膜仍然完整，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。稱量發(fā)現(xiàn)，洗滌后復(fù)合面料產(chǎn)生了一定的質(zhì)量損失，如圖5所示。由圖5可以看出，經(jīng)5次洗滌后，復(fù)合面料的質(zhì)量損失率均小于1.0%；隨著洗滌次數(shù)的增加，復(fù)合面料的質(zhì)量損失率增加，且增加速率也增大。其中，直接紡絲黏合的3#試樣的質(zhì)量損失最快，化學(xué)黏合的1#試樣次之，熱熔黏合的2#試樣的質(zhì)量損失最慢。原因可能是化學(xué)黏合使用的膠水為水性TPU，其在水中可能會產(chǎn)生一定程度的溶解，導(dǎo)致靜電紡納米纖維膜脫落。

圖5 不同黏合工藝下TPU納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合后面料的耐水洗結(jié)合牢度

TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合面料在水洗時，直接紡絲黏合的面料在浸泡后，纖維膜即從棉織物基布上脫落，如圖6a)所示。熱熔黏合和化學(xué)黏合的復(fù)合面料則未見明顯的分離，如圖6b)和圖6c)所示。表明直接紡絲黏合方式不適用于TPU納米纖維膜與棉織物基布的復(fù)合，浸水后，纖維膜與棉織物的結(jié)合即失效。

圖6 浸泡后不同黏合工藝TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合面料的分離情況

3.4 透氣、透濕效果分析

TPU靜電紡納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，直接紡絲黏合的1#試樣的平均孔徑最大(2.8 μm)，其透氣和透濕效果也更好。熱熔黏合制備的2#試樣的平均孔徑最小(1.1 μm)，透氣性和透濕效果較差，這是由于熱熔網(wǎng)膜熔化后堵住了納米纖維網(wǎng)的孔洞導(dǎo)致的。

圖7 TPU納米纖維膜與滌綸織物復(fù)合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小

TPU靜電紡納米纖維膜與棉織物復(fù)合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小測試結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，化學(xué)黏合的6#試樣和直接紡絲黏合的4#試樣的平均孔徑均為約4.7 μm，但4#試樣的透氣性和透濕效果更好。采用熱熔黏合方式制備的TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合面料(5#試樣)的透氣性和透濕效果較差。

圖8 TPU納米纖維膜與棉織物復(fù)合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小

3.5 親水性測試

不同黏合工藝納米纖維膜復(fù)合面料的接觸角測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，6種納米纖維膜復(fù)合面料的接觸角均小于90°，表明面料具有一定的親水性能。其中，添加助劑直接紡絲黏合的納米纖維膜復(fù)合面料(1#和4#試樣)的接觸角最小，親水性最好；熱熔黏合制備的納米復(fù)合面料(2#和5#試樣)的接觸角最大，親水性較差?？赡艿脑蚴菬崛垧ず线^程中，熱熔網(wǎng)膜受熱溶解，破壞了納米纖維膜的完整性，使得其親水性下降。

圖9 不同黏合工藝納米纖維膜復(fù)合面料的接觸角

4 結(jié)論

本文通過試驗討論了TPU納米纖維膜分別與滌綸和棉織物基布的復(fù)合工藝。分別采用化學(xué)黏合、熱熔黏合和添加助劑直接紡絲黏合3種工藝，將TPU納米纖維膜與滌綸和棉織物復(fù)合。研究結(jié)果表明，添加PVP助劑直接紡絲黏合和化學(xué)黏合制備的復(fù)合面料透氣和透濕性能良好，熱熔黏合制備的復(fù)合面料結(jié)合牢度更高。綜合分析3種黏合方式制備的復(fù)合面料的性能可得，直接在靜電紡過程中添加助劑的直接紡絲黏合，更適合于TPU納米纖維膜與滌綸織物的復(fù)合。