聚乳酸包覆相變材料復(fù)合織物的制備及其性能

姚鵬成， 夏 鑫

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

聚乳酸包覆相變材料復(fù)合織物的制備及其性能

姚鵬成， 夏 鑫

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

利用靜電紡絲法制備聚乳酸(PLA)包覆相變材料的納米纖維膜，為了改善其與普通織物間的復(fù)合牢度，首先對其進(jìn)行等離子體處理，再同粘膠、羊毛織物進(jìn)行復(fù)合，探討了等離子體處理復(fù)合織物前后及各材料之間在保溫、透氣透濕、拉伸強力和剝離強力方面的差異。結(jié)果表明：等離子體處理前后粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物的透氣性低于羊毛織物，處理前后的透濕量較羊毛/粘膠復(fù)合織物分別降低76.5%和62.5%；拉伸強力高于PLA/相變材料納米纖維膜；粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物經(jīng)等離子體處理前后的克羅值比粘膠/羊毛復(fù)合織物分別提升了18.07%和17.78%；等離子體處理后的粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物在剝離強力性能上較處理前提升了34.3%。

聚乳酸； 相變材料； 復(fù)合織物； 等離子體處理； 透氣性； 拉伸強力； 剝離強力

在當(dāng)今科技進(jìn)步引領(lǐng)時代變革的年代，多功能復(fù)合織物無疑在織物發(fā)展方面將會占據(jù)一席之地。納米概念的織物被不斷提出和受到重視，但紡織產(chǎn)業(yè)用納米纖維材料由于受到當(dāng)今技術(shù)不夠成熟的影響，存在強度低，穩(wěn)定性差等問題，并不適合做單純的衣服面料。為解決這個問題，通常采用織物復(fù)合的辦法來實現(xiàn)納米材料在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用，但納米復(fù)合織物在制備和應(yīng)用方面亦存在界面結(jié)合牢度差、斷裂強力低等諸多難題[1]。

利用聚乳酸(PLA)與相變材料共紡制得PLA/相變材料納米纖維膜是具有調(diào)溫性能的新型紡織品材料[2-3]，不僅能夠提高服裝的舒適度，而且其本身具有可降解性，對環(huán)境不會造成危害，是環(huán)境友好型材料[4]。本文將PLA/相變材料納米纖維膜同吸濕透氣性較好的粘膠織物以及保溫性能較好的羊毛織物進(jìn)行復(fù)合，制備具有自調(diào)溫功能的納米復(fù)合織物。為了改善納米纖維膜與普通織物結(jié)合牢度差的問題，復(fù)合前對其進(jìn)行等離子體處理，然后分別對復(fù)合織物和所選用的復(fù)合材料進(jìn)行性能指標(biāo)測試，通過分析數(shù)據(jù)的差異，進(jìn)而說明納米復(fù)合織物在服裝應(yīng)用方面的優(yōu)缺點。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚乳酸(PLA)，深圳市光華偉業(yè)實業(yè)有限公司；癸酸(CA)，阿拉丁試劑(上海)有限公司；棕櫚酸酸(PA)，上海山浦化工有限公司；硬脂酸(SA)，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氯仿(CHCl3)，江陰嘉豐化工有限公司；SUPER77氣凝膠，美國3M公司。

1.2 PLA/相變材料納米纖維膜的制備

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的紡絲液,其中PLA與相變材料的質(zhì)量比為1∶1.4；相變材料中CA、PA和SA的質(zhì)量比為79.3∶14.7∶6.0，溶劑中CHCl3與DMF的質(zhì)量比為9∶1。將紡絲液磁力攪拌15 h至完全后進(jìn)行紡絲，注射體積為28 mL,滾筒接收面積相同，故納米纖維膜的厚度相同。紡絲設(shè)置參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；電壓為16 kV；注射速度為2 mL/h；接收距離為18 cm。紡絲結(jié)束后，將制得的納米纖維膜放在空氣中靜置5 h，以使納米纖維膜中的有機溶劑全部揮發(fā)。

1.3 納米纖維膜的等離子體處理及表征

利用Atomflo 400等離子體處理儀(美國Surfx Technology公司)對PLA/相變材料納米纖維膜進(jìn)行處理，處理時采用流速為0.30 L/min的氧氣做反應(yīng)氣體，采用流速為35 L/min的氦氣做保護(hù)氣體,儀器功率為120 W，等離子處理儀處理頭端距處理樣品表面高度為5 mm,處理速度在10～80 mm/s范圍內(nèi)以10 mm/s的呈梯度變化勻速對樣品進(jìn)行等離子體刻蝕處理。

將不同速度等離子體處理后的試樣分別裁剪成尺寸為2 cm×2 cm的小樣各10塊，利用Dataphysics-DCAT系列接觸角測量儀(北京東方德菲儀器有限公司)測量其靜態(tài)接觸角，去除突變數(shù)據(jù)后取平均值，通過靜態(tài)接觸角評定等離子體處理后PLA/相變材料納米纖維膜的潤濕性。

對等離子體處理的納米纖維膜試樣表面進(jìn)行噴金處理，以提高其導(dǎo)電性，然后采用BOEN 53655掃描電子顯微鏡(費爾伯恩精密儀器(上海)有限公司)觀察納米纖維的形貌。

1.4 復(fù)合織物的制備

采用“三明治”結(jié)構(gòu)對織物進(jìn)行復(fù)合，分別選擇吸濕透氣性良好的粘膠織物作為復(fù)合織物的內(nèi)層，具有調(diào)溫特性的PLA/相變材料納米纖維膜作為中間層，以及保溫性優(yōu)異的羊毛織物作為外層。裁剪各樣品尺寸為20 cm×20 cm，使用SUPER77氣凝膠黏合各層，并給予復(fù)合織物表面50 N的壓力放置24 h以使其良好黏合，從而獲得粘膠/PLA/相變材料納米纖維膜/羊毛復(fù)合織物(簡稱粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物)。同時為便于同普通復(fù)合織物的性能進(jìn)行對比，以相同方法制備粘膠/羊毛復(fù)合織物。

1.5 復(fù)合織物保溫性能測試

根據(jù)GB/T 11048—1989《紡織品保暖性能的試驗方法》規(guī)定，采用YG(B)606D型保溫儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)對所選用的復(fù)合材料進(jìn)行材料保溫性能測試。測試板溫度設(shè)定為36 ℃。

采用降溫法[5]對實驗制備的復(fù)合織物和所選用的復(fù)合材料進(jìn)行保溫測試，將面積大小相同的復(fù)合織物包裹溫度計探頭放入101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(鶴壁市新銳科技有限公司)中，加熱至55 ℃后迅速取出置于室溫中降溫，當(dāng)溫度降低至50 ℃時開始計時，每隔10 s記錄1次溫度計的溫度示數(shù)。

1.6 復(fù)合織物透氣與透濕性能測試

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》規(guī)定，采用YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)對所制備的復(fù)合織物及選用的復(fù)合材料進(jìn)行透氣性能測試。織物的規(guī)格不同，所選用的噴嘴型號也不相同，具體如下：粘膠織物、羊毛織物和PLA/相變材料納米纖維膜選用6號噴嘴，粘膠/羊毛復(fù)合織物選用5號噴嘴，粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物選用2號噴嘴。試樣壓差為200 Pa，測試面積為20 cm2。

按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》規(guī)定，采用YG(B)216-H型織物透濕量儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)對所選用的復(fù)合材料進(jìn)行透濕性能測試。溫度為(38±2)℃；相對濕度為(90±2)%。測試方法：向透濕杯內(nèi)倒入一定質(zhì)量烘干后的CaCl2顆粒，將待測織物固定在透濕杯表面(織物與透濕杯中的CaCl2顆粒不接觸)，放入測試箱平衡0.5 h，然后取出在天平上稱量，精確至0.001 g；再將其放入測試箱1 h進(jìn)行透濕處理，取出后再次放入測試箱平衡0.5 h，然后在天平上稱量，精確至0.001 g。

透濕量的計算公式為

式中：WVT為每平方米每天的透濕量，g/(m2·d );△m為同一實驗組合體2次質(zhì)量測量之差，g；s為試樣實驗面積，m2；t為實驗時間，h。

1.7 復(fù)合織物強力測試

采用YG(B)026PC電子織物強力機(溫州大榮紡織儀器有限公司)對復(fù)合織物及所選用的復(fù)合材料包括粘膠、羊毛和PLA/相變材料納米纖維膜單樣織物進(jìn)行織物拉伸強力測試。其中，納米纖維膜采用相同體積溶液注射，滾筒接收面積相同，纖維膜的厚度相同，在測試時厚度的影響是固定的，可不予考慮。主要測試參數(shù)：夾持距離為120 mm；試樣寬度為30 mm；預(yù)加張力為200 cN；牽伸速度為100 mm/min。

為比較相同寬度復(fù)合織物間的相對黏合強力，采用YG(B)008E型電子單纖維強力機(溫州大榮紡織儀器有限公司)對所制備的復(fù)合材料進(jìn)行剝離強力測試。主要測試參數(shù)：量程為100 cN；試樣寬度為10 mm；預(yù)加張力為0.2 cN；夾距為10 mm；速度為100 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子體最佳參數(shù)分析

Atomflo 400低溫等離子體處理儀能夠在常溫常壓下對樣品進(jìn)行處理，降低了實驗數(shù)據(jù)對外界環(huán)境的依賴性，只需改變測試功率、氣體流速和編輯測試程序即可，簡化了實驗的測試難度[6]。為探究在確定功率下等離子體處理速度對PLA/相變材料納米纖維膜性能的影響，分別測試了儀器功率為120 W，速度在10、20、30、40、50、60、70、80 mm/s時，被處理的PLA/相變材料納米纖維膜的靜態(tài)接觸角，結(jié)果見圖1。圖中原樣為未經(jīng)等離子體處理的試樣。

圖1 靜態(tài)接觸角數(shù)據(jù)Fig.1 Data of static contact angles

原樣的靜態(tài)接觸角為116.77°，接觸角數(shù)值較大，說明PLA/相變材料納米纖維膜本身具有疏水性。等離子體處理后試樣的靜態(tài)接觸角數(shù)值較小，說明等離子體改性可改善納米纖維膜的親水性能。結(jié)合文獻(xiàn)[7-9]可知，等離子處理后的樣品表面形成較多的極性基團，提高了納米纖維膜的表面能，使其比較容易被潤濕，故而親水性增強，呈現(xiàn)較小的靜態(tài)接觸角。當(dāng)速度為10、20 mm/s時，PLA/相變納米纖維膜的靜態(tài)接觸角分別為58.29°和58.03°，親水性最好，但納米纖維膜整體發(fā)生變性呈透明狀，表面形貌如圖2所示，因此不符合等離子體處理表面改性的要求；當(dāng)處理速度大于30 mm/s時未發(fā)生整體變性現(xiàn)象，與原樣的靜態(tài)接觸角相比，速度為40 mm/s時PLA/相變材料納米纖維膜的靜態(tài)接觸角為72.53°，該速度為最佳等離子體處理參數(shù)。通過SEM照片進(jìn)一步表明，與未經(jīng)等離子體處理的樣品表面形貌相比，等離子體處理(速度為40 mm/s)后，樣品表面呈現(xiàn)蜂窩狀均勻凹槽，凹槽的均勻分布說明等離子體刻蝕效果良好，且凹槽僅存在于納米纖維表面，并未破壞納米纖維膜整體的力學(xué)性能，結(jié)果如圖3所示。

圖2 等離子體處理織物的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of plasma treated fabrics

圖3 PLA/相變納米纖維的SEM照片(×3 000)Fig.3 SEM images of PLA /phase change nanofibers(×3 000). (a) Untreatment; (b) Plasma treatment

2.2 復(fù)合織物保溫性分析

表1示出采用YG( B) 606E平板式保溫儀測試得到的復(fù)合織物及所選用的復(fù)合材料的保溫系數(shù)和克羅值數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)比較可知:粘膠織物、PLA/相變材料納米纖維膜和羊毛織物的克羅值依次增大，保溫性能依次增高；同時經(jīng)計算粘膠/羊毛復(fù)合織物較羊毛織物的克羅值提升了13.20%；特別是加入PLA/相變納米纖維膜后，等離子體處理前后的粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物較羊毛織物的克羅值分別提升33.66%和33.33%，較粘膠/羊毛復(fù)合織物分別提升18.07%和17.78%。數(shù)據(jù)表明，復(fù)合織物特別是加入納米纖維膜的復(fù)合織物在保溫性能方面具有獨特的優(yōu)勢，但PLA/相變材料納米纖維膜是否用等離子體處理對織物保溫性沒有影響。

表1 復(fù)合織物保溫數(shù)據(jù)Tab.1 Heat insulating data of composite fabrics

為進(jìn)一步分析PLA/相變納米纖維的復(fù)合織物在不同溫度階段的調(diào)溫效果，采用降溫法對其保溫性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示。加入PLA/相變納米纖維膜的復(fù)合織物其保溫性均優(yōu)于不加入PLA/相變材料納米纖維膜的空白組樣品，說明PLA/相變材料納米纖維膜在織物復(fù)合方面起到了一定的保溫效果。此外，在不同的溫度區(qū)域范圍內(nèi)，PLA/相變納米纖維膜的保溫原理也不相同，當(dāng)溫度從50 ℃降至26 ℃時，粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物的保溫優(yōu)勢是因其織物本身厚度的增加減緩了熱量的散失；26 ℃以后溫度下降變化趨于緩和，是因為納米纖維中含有的相變材料[10](結(jié)晶溫度為25.59 ℃)發(fā)生相變時具有調(diào)溫作用，這是普通織物保溫方面所不具備的特性，體現(xiàn)了加入相變材料的納米纖維膜在保溫性能方面具有獨特的優(yōu)勢；同時從圖4可以看出，等離子體處理前后的PLA/相變材料納米纖維膜在22～26 ℃溫度變化范圍外降溫趨勢相同，但范圍內(nèi)等離子體處理的溫度略高于未處理的。二者僅是經(jīng)等離子體處理后納米纖維膜表面活性基團發(fā)生變化，可以說明等離子體處理對納米纖維膜表面基團的改變影響了相變材料的相變潛熱，從而使相變材料的結(jié)晶溫度有所提高。樣品經(jīng)長時間放置重新測試，其降溫曲線并未發(fā)生改變，間接證明相變材料具有穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的包覆效果。

圖4 復(fù)合織物的降溫曲線 Fig.4 Temperatures curve of composite fabrics

2.3 復(fù)合織物透氣性與透濕性分析

織物的組織結(jié)構(gòu)是影響織物透氣性的一個重要物理因素，粘膠織物為平紋織物，經(jīng)緯紗呈規(guī)律性地縱橫交織,紗線間孔隙較多,透氣性較好；羊毛織物因厚度和經(jīng)緯紗線毛羽的影響，透氣性較差；同理，粘膠/羊毛復(fù)合織物厚度增加，相同面積織物中紗線面積占比增大，使復(fù)合織物透氣性低于普通織物；而且PLA/相變納米纖維膜中納米纖維直徑只有幾十納米，纖維之間呈無規(guī)律交錯排列，透氣方式為微孔透氣，與普通織物透氣原理不同。在文獻(xiàn)[11]中已證明納米纖維微孔透氣的優(yōu)越性，故而PLA/相變材料納米纖維膜的透氣性要優(yōu)于羊毛織物，因此，復(fù)合織物中所加入的PLA/相變材料納米纖維膜在織物透氣性方面并非占據(jù)主導(dǎo)地位，而是以透氣性最差的羊毛織物為主導(dǎo)，且因復(fù)合織物構(gòu)成的復(fù)雜性和厚度的原因，透氣性會低于羊毛織物。如表2透氣率所示。由于數(shù)字式織物透氣性能測定儀測試原理不適用于納米纖維膜的微孔透氣方式的測試，故而并不能真實反映復(fù)合織物中PLA/相變材料納米纖維膜在透氣性方面存在的優(yōu)缺點。

織物的吸放濕能力和織物中纖維的種類、組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及纖維的比表面積等因素有關(guān)[12]。表2示出試樣面積為20 cm2，壓差為200 Pa時織物的透氣性與透濕性數(shù)據(jù)。可看出：粘膠織物為平紋組織的透濕量最大，羊毛和PLA/相變材料納米纖維膜次之；而對于不含納米纖維膜的復(fù)合織物，厚度增加使織物組織構(gòu)成復(fù)雜化，復(fù)合織物在透濕性能方面介于粘膠與羊毛之間；加入未經(jīng)等離子體處理和處理后的PLA/相變材料納米纖維膜的復(fù)合織物較未加入的透濕量分別降低76.5%和62.5%，但二者在相同復(fù)合材料、相同厚度情況下透濕量下降比例不同，說明等離子體處理改性使納米纖維膜表面親水基團增加，致使納米纖維膜的透濕性能與未經(jīng)等離子體處理的復(fù)合織物相比提高了59.23%，但復(fù)合織物整體透濕量仍低于普通織物。

表2 織物透氣性與透濕性數(shù)據(jù)Tab.2 Air permeability and moisture permeability data of fabric

2.4 復(fù)合織物拉伸強力與剝離強力分析

表3示出復(fù)合織物的拉伸性能。可以看出：在試樣寬度相同的情況下粘膠/羊毛復(fù)合織物的拉伸斷裂強力比粘膠織物的增大6.12%；等離子體處理前后的粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物的拉伸斷裂強力比PLA/相變材料納米纖維膜分別增大4.50%和3.10%，但二者之間的拉伸斷裂強力接近。分析可知其共性：粘膠織物是粘膠/羊毛復(fù)合織物中拉伸斷裂強力最小的材料；PLA/相變材料納米纖維膜是粘膠/PLA/羊毛復(fù)合織物二者中拉伸斷裂強力最小的材料。因此，復(fù)合織物的強力并非單純組成材料的累加值，而是以復(fù)合織物中拉伸斷裂強力最低的為主，膠劑對界面間相互的黏合力為輔。

表3 織物拉伸性能數(shù)據(jù)Tab.3 Tensile properties data of fabric

注：夾持距離為120 mm，試樣寬度為30 mm，預(yù)加張力為200 cN。

在控制試樣寬度為單一變量情況下，剪取尺寸為50 mm×10 mm的試樣，沿長度方向進(jìn)行剝離，經(jīng)電子單纖維強力機測得等離子體未處理和處理的復(fù)合織物剝離強力分別為77.51、104.07 cN。可見，等離子體處理的復(fù)合織物較未處理的剝離強力提升34.3%，說明等離子體對PLA/相變材料納米纖維膜表面的刻蝕增大了黏接面間的比表面積，進(jìn)而提高了復(fù)合織物的界面結(jié)合牢度。

3 結(jié) 論

1)Atomflo 400低溫等離子體處理儀處理PLA/相變材料納米纖維膜的最佳參數(shù)：儀器功率為120 W；處理高度為5 mm；處理速度為40 mm/s。

2)復(fù)合織物由于厚度的增加在保溫性能方面優(yōu)于普通織物，加入PLA/相變材料納米纖維膜的復(fù)合織物在厚度增加的同時，利用相變材料的相變潛熱可顯著提高復(fù)合織物的保溫性能。加入PLA/相變材料納米纖維膜后，復(fù)合織物的克羅值提升了近34%，但PLA/相變材料納米纖維膜是否采用等離子體處理對復(fù)合織物保溫效果沒有影響。

3)復(fù)合織物中所加入的PLA/相變材料納米纖維膜采用微孔透氣原理，在織物透氣方面并非占據(jù)主導(dǎo)地位，而是以透氣性最差的羊毛織物為主導(dǎo)，且由于復(fù)合織物本身構(gòu)成的復(fù)雜性和厚度的增加會使其透氣性低于羊毛織物。

4)織物的吸放濕能力和纖維的種類、組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及比表面積等因素有關(guān)，復(fù)合織物組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度增加，在透濕性能方面會低于普通織物；等離子體處理使納米纖維膜的表面親水基團增多，使其透濕性能提升59.23%，但整體透濕性仍低于普通織物。

5)復(fù)合織物的拉伸斷裂強力并非各組合材料拉伸強力的累加，而是以所選用復(fù)合材料中拉伸強力和伸長率最低的PLA/相變材料納米纖維膜的拉伸斷裂強力為主導(dǎo)，且由于羊毛織物和粘膠織物的附加支撐作用會大于PLA/相變材料納米纖維膜的3.10%～4.50%。

6)復(fù)合織物的復(fù)合面采用等離子體進(jìn)行刻蝕處理，可增加織物復(fù)合面間黏接的比表面積，從而使剝離強力提升34.3%，說明等離子體處理可增強復(fù)合織物的界面結(jié)合牢度。FZXB

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Preparation and properties of polylactic acid coated phase change material composite fabric

YAO Pengcheng, XIA Xin

(CollegeofTextileandGarment,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046，China)

The PLA/phase change material nanofibers membrane was prepared by electrospinning method. In order to improve the adhesion between nanofibers membrane and fabric, the nanofibers meinbrant was fitrsitly treated by plasma technology, and then combined with viscose fabric and wool fabric. The differences of the insulation, air permeability, moisture permeability, tensile strength and peel strength among materials after plasma treatment were discussed. The results showed that the air permeability of plasma untreated and treated viscose fiber/PLA/wool composite fabric mainly depended on wool fabric and both of them were lower than wool fabric, and the water vapor permeability were decreased 76.5% and 62.5%, respectively. The PLA nanofibers membrane played a more important role in tensile strength of plasma untreated and treated viscose fiber/PLA/wool composite fabric, and the tensile strength of which were higher than PLA nanofibers membrane. Compared to the viscose/wool composite fabric, the crow value of plasma untreated and treated viscose fiber/PLA/wool composite fabric increased by 18.07% and 17.78%，respectively. The peel strength properties of viscose/PLA/wool composite fabric subjected to plasma treatment added up to 34.3% in comparison with untreated composites.

polylactic acid; phase change material; composite fabric; plasma treatment; air permeability; tensile strength; peeling strength

10.13475/j.fzxb.20160103406

2016-01-19

2016-09-20

新疆自治區(qū)自然科學(xué)青年基金項目(2015211C287)

姚鵬成(1994—)，男，本科生。研究方向為功能性紡織材料的開發(fā)與應(yīng)用。夏鑫，通信作者，E-mail：xjxiaxin@163.com。

TS 101.8

A