环境友好型含氢硅烷/聚氨酯防水透湿纳米纤维膜的制备及性能研究

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近年来,随着科技的进步和人们生活水平的提升,服装已不仅仅局限于传统的蔽体保暖的作用,一些功能型纺织面料由于能更好地满足人们的需求而得到迅猛的发展,防水透湿面料就是典型代表之一。其不仅能在外界压力下防止雨雪向内侵入,同时能保证人体产生的汗液汗汽有效排出体外,维持人体微环境的热湿舒适性。在防护服装、医疗领域、建筑外墙以及水处理行业都具有广泛的发展前景。据报道,全球防水透湿纺织品市场规模在2025年预计达到24.4亿美元,复合年增长率为5.5%,显示出巨大的市场需求。目前防水透湿织物主要包括三种:高密织物、涂层织物以及层压织物。高密织物纱线间的孔径较大,能够良好透湿但防水性不足;涂层织物虽然耐水压较高,但透湿性差穿着不舒适。层压织物表现出最佳的综合性能,成为市场上防水透湿纺织品的主流。防水透湿层压织物的核心层为防水透湿功能膜,可通过熔融挤出、双向拉伸、相分离技术、闪蒸法等工艺制备。但是这些制备技术往往存在设备工艺复杂、原料来源少、成本高等缺点。静电纺丝法是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下高速拉伸成纤制备连续纳米纤维的新技术,因其可纺原料广、制备方法简单、工艺可控、所制备的纤维膜孔径小以及孔隙率高,成为制备防水透湿膜的有效方法。目前的高性能防水透湿膜均为氟化微孔膜,虽然含氟物质(尤其是长氟碳链聚合物)可有效降低纤维膜的表面能,利用其制备的防水透湿膜耐水压较高,但随着人们对其毒理学研究的深入,发现全氟或多氟化合物降解产生的全氟烷基酸在大气环境和水环境中具有远距离迁移的特点,严重影响着人们的健康以及环境安全。另外,虽有文献研究尝试使用无氟疏水剂,但多以涂层后处理的方式,制备时间长且存在防水涂层不稳定、耐久性不足的缺点。本课题利用完全无氟的疏水剂含氢硅烷(PMHS)与聚氨酯(PU)相结合,通过共混纺丝一步法制备出透湿性良好的复合纳米纤维膜,再结合热处理使得纤维之间产生粘连进一步提高防水性,既满足环境友好可持续发展的理念,同时防水剂与PU相互融合,获得的防水透湿织物具有良好的耐久性。本课题重点研究了混合溶剂N,N-二甲基乙酰胺/异丙醇(DMAc/IPA)的比例、疏水剂PMHS在整个体系中的浓度、热处理温度等对复合纳米纤维膜的表面形貌、孔径及孔径分布、表面润湿性、力学性能、透气率以及防水透湿性能的影响。首先,在PU浓度为14wt%,DMAc/IPA的比例为2/1的条件下制备出一系列不同PMHS浓度的纳米纤维膜,然后优选出PMHS浓度为7.5wt%,此时对应的纤维膜耐水压为34.6kPa。考虑到34.6kPa的数值无法满足国家标准GB/T 32614-2016中对I级冲锋衣防水性(50kPa)的要求,故选取7.5wt%对应的纳米纤维膜做进一步处理。实验的后半段集中于热处理温度的调控。温度过低时纤维膜基本没变化,过高时则产生大量粘连接近平滑膜的状态。研究发现,将纤维膜放置于100℃烘箱中加热1.5h是一个平衡点,在此热处理工艺下,PU/PMHS邻近纤维软化粘连,既减小了纤维膜的孔径,耐水压显著改善,同时纤维相互粘连提供了束缚力,使得纤维膜力学性能大幅提升。最终制备的复合纳米纤维膜表现出最佳的综合性能,耐水压为54.1kPa,透湿量为9.5kg m-2d-1,断裂强度达到14.1MPa,断裂伸长率为265.5%。本课题提供了一种简单有效的方法可用于防水透湿织物的绿色设计。
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