基于FAST織物風格儀的防水織物服用性能研究

宮簡簡，趙杰文，夏 鑫

(新疆大學 紡織與服裝學院，新疆 烏魯木齊 830046)

隨著生活水平的提高，人們在追求服裝美觀的同時，也開始注重其功能性。為滿足戶外運動服裝防水透濕的要求，納米靜電紡防水透濕復合織物成了近年來的研究熱點，靜電紡絲技術可以連續生產納米纖維，納米膜具有比表面積大、孔隙率高、孔徑小的特點，易于實現防水透濕的功能[1]。特別是靜電紡含氟聚合物以其優異的表面性能、較小的內聚能密度及其廣闊的應用前景吸引了眾多研究者的注意。聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好疏水性、阻燃性和化學性質，周穎等[2]采用靜電紡制備聚氨酯/聚偏氟乙烯(PU/PVDF)共混納米膜，大大提高了膜的防水性能；在聚氨酯中引入氟基團不僅能夠保持聚氨酯良好的力學性能和獨特結構，而且氟基團在材料表面富集，極大地改善聚氨酯的表面性能，賦予聚氨酯優異的低表面能、拒水拒油性、潤滑性能、耐沾污性能以及良好的生物相容性[3]，李智勇等[4]將含氟聚氨酯(PFU)疏水劑引入聚氨酯紡絲液，并在紡絲液中摻雜納米顆粒，構建粗糙表面，獲得良好的防水透濕性能；氟橡膠(FPM)因其耐熱性、防水性和耐腐蝕性好，被廣泛應用于汽車、航空航天和防水涂層等領域，氟橡膠與聚氨酯的共混紡絲，還有待探究。上述實驗發現，聚氨酯的加入，對纖維原具備的性能具有雙向影響，兼具含氟化合物的低表面能和聚氨酯良好的力學性能。

趙杰文等[5]對納米防酸復合織物與市售傳統防酸織物進行風格對比，發現納米防酸復合織物表面毛羽顯著減少，織物表面更加均勻。在對納米靜電紡織物防水透濕織物功能性要求不斷提高的同時，對其服用性能的要求也隨之提高。亟待開發出防水性能優異，服用性能良好的納米復合織物。本文以具有高強度、高彈性和良好的透氣性特點的聚氨酯PU為基材，作為力學性能的支撐，運用靜電紡絲的方法制備聚氨酯/聚偏氟乙烯(PU/PVDF)、聚氨酯/含氟聚氨酯(PU/FPU)、聚氨酯/氟橡膠(PU/FPM)共3個系列的納米復合防水織物，采用澳大利亞聯邦科學院研制的FAST系統，選取上述3種系列共9種防水復合織物，采用FAST織物壓縮儀、彎曲儀和拉伸儀測量各織物拉伸、剪切、彎曲、壓縮等織物風格指標，并利用SPSS軟件對測得的17項織物風格指標進行主成分分析，綜合評價3種防水復合織物的織物風格和防水性能，并計算得分，為防水織物的選擇和開發提供有益的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚氨酯(PU，巴斯夫聚氨酯特種產品中國有限公司)；含氟聚氨酯(FPU，實驗室自制)；聚偏氟乙烯(PVDF，相對分子質量6×105)；氟橡膠246(FPM,Chemours(上海)化學有限公司)；N，N—二甲基甲酰胺(DMF，分析純,國藥集團化學試劑有限公司)；四氫呋喃(THF，Aladdin試劑上海有限公司)；丙酮(分析純,阿拉丁試劑有限公司)；3 M氣溶膠(美國3 M公司)；滌/棉機織物(面密度170 g/m2)。

1.2 靜電紡膜復合織物的制備

以DMF、丙酮和THF配置雙溶劑制備PU/PVDF、PU/FPU和PU/FPM 3種共混紡絲溶液，將配置好的溶液在常溫下磁力攪拌24 h至充分溶解。采用靜電紡技術，以滌/棉機織物作為接收基材，并在其表面均勻噴一層3 M氣溶膠(上膠量為25 g/m2)，以提高靜電紡纖維膜與基材之間的黏附力，隨后將制備好的混合紡絲液直接沉積于滌/棉機織物上。注射速度為0.6 mL/h，接收滾筒轉速為1 200 r/min，接收距離和電壓根據高聚物適紡參數進行調整，紡絲液注射量控制為4 mL，靜電紡膜紡絲液參數如表1所示。將制得的防酸透濕復合織物在室溫條件下放置24 h后，再進行各項性能測試。

表1 靜電紡膜紡絲液參數

1.3 性能測試

1.3.1 FAST織物風格儀測試

測試每塊織物的面密度(W)，進行標記。采用FAST-1織物厚度儀、FAST-2織物彎曲性能測試儀和FAST-3織物拉伸性能測試儀，分別測試復合織物在低負荷200 Pa(1.96 cN/cm2)、10 000 Pa(98 cN/cm2)下的厚度(T2、T100)以及表觀厚度(ST)；經、緯向彎曲長度(C1、C2)及彎曲剛度(B1、B2); 織物在4.9、19.6、98.0 cN/cm拉伸力作用下的經向延伸率(E5、E20、E100)，緯向延紳率(E5′、E20′、E100′)以及斜向伸長率(EB)；根據計算得出經、緯向可成型性F1、F2和剪切剛度(G)。基于FAST的織物基本力學性能測試結果見表2。

1.3.2 接觸角測試

實驗根據GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測量方法》，使用OCAl5EC 型光學接觸角測量儀(德國Dataphysics)進行測試。

2 結果分析

2.1 FAST數據分析

2.1.1 主因子選取

運用SPSS數據分析軟件中主成分分析法求得標準化指標的公共因子以及載荷矩陣。通常用方差貢獻率來表征各個公共因子對原始數據的解釋能力[6]。當累積貢獻率達到 80%～90%時[7]，即可確定主因子成分。原始變量在各主因子中的貢獻率如表3所示。前5個因子的貢獻率分別為35.440%、27.066%、15.782%、7.928%和6.523%，累計貢獻率達到92.738%，能夠充分解釋FAST測試中所得的各項性能指標所包含的信息，將這5個因子確定為主因子。

表2 基于 FAST的織物基本力學性能測試結果

表3 復合織物的主因子貢獻率

2.1.2 主因子旋轉和主因子命名

提取后的主因子與原始數據具有一定的相關性，不利于表達，旋轉成分矩陣能夠將結果更清晰地表達出來，旋轉因子代表著變量間的相關性，取值范圍在-1～1之間，值越接近1，做因子分析越有意義，通過因子間的比較人們可以決定每個變量歸屬于哪個因子[8]。旋轉后的成分矩陣如表4所示。

根據表4得出主因子命名如下：

主因子1，復合織物在不同低負荷小外力作用下的經緯向延伸率(E)的載荷絕對值較大。延伸長度越大，拉伸性能越好，抗變形能力較差，織物容易變形且不易斷裂，反映織物的柔順度[9]。進一步觀察發現，經向延伸率的載荷絕對值均大于緯向延伸率的載荷絕對值，因此將主因子1定義為拉伸因子。

主因子2，復合織物的緯向彎曲剛度(B2)、緯向彎曲長度(C2)、剪切剛度(G)和斜向延伸率(EB)的載荷絕對值較大。彎曲剛度和彎曲長度表示織物的剛柔性，彎曲剛度越大，彎曲長度越短，說明織物的硬挺度越好。因此將該因子定義為硬度因子。

主因子3，緯向延伸率(E20′)，復合織物的表面厚度(ST)和緯向成形因子(F2)的載荷絕對值較大。表觀厚度表示復合織物的蓬松感，緯向拉伸性能較好，可成形性是用于評價織物成形的難易程度、出現褶皺的可能性以及嚴重程度的綜合描述，因此將該因子定義為緯向成形因子。

主因子4，復合織物在低負荷壓強10 000 Pa和200 Pa下的表面厚度和經向成形的載荷絕對值較大。表面厚度表示織物的厚實程度，也為織物的豐滿程度，經向成型則是經向成型的難易程度，因此將該因子定義為豐滿因子。

主因子5，復合織物的經向彎曲剛度B1和經向彎曲長度C2的載荷絕對值較大，因此將該因子定義為經向彎曲因子。

表4 旋轉成分矩陣

根據表3的主因子貢獻率可知，對復合織物風格影響最大的5個主因子按照主因子命名依次為拉伸因子、硬度因子、緯向成形因子、豐滿因子和經向彎曲因子。

2.1.3 因子得分與排名

通過SPSS軟件分析所得的各個主因子評分系數矩陣見表5。

根據表5，將拉伸因子、硬度因子、緯向成形因子、豐滿因子和經向彎曲因子命名為f1、f2、f3、f4、f5，并建立5個評分的回歸方程：

f1=-0.035×T2+0.028×T100-0.093×ST-

0.024×C1-0.064×B1-0.176×C2-

0.212×B2+0.078×E5+0.190×E20-

0.400×E100+0.189×E5′+0.125×E20′-

0.277×E100′+0.094×EB+0.117×F1-

0.094×F2-0.047×G

f2=-0.001×T2-0.069×T100+0.084×ST-

0.031×C1+0.025×B1+0.355×C2+

0.403×B2+0.071×E5+0.036×E20+

0.227×E100+0.022×E5′-0.062×E20′+

0.114×E100′+0.123×EB-0.090×F1-

0.006×F2-0.167×G

f3=0.025×T2-0.235×T100+0.330×ST-

0.059×C1+0.024×B1+0.062×C2+

0.179×B2+0.133×E5+0.078×E20+0.083×E100+0.081×E5′+0.256×E20′+0.139×

E100′-0.111×EB-0.113×F1+0.331×

F2+0.107×G

f4=0.322×T2+0.495×T100-0.069×ST+

0.067×C1+0.038×B1-0.064×C2-0.103×B2+0.046×E5-0.166×E20+0.096×E100-

0.005×E5′-0.100×E20′-0.109×E100′+

0.107×EB-0.252×F1-0.157×F2-0.110×G

f5=0.055×T2+0.014×T100+0.076×ST+

0.448×C1+0.439×B1-0.002×C2-

0.024×B2+0.089×E5-0.047×E20+

0.074×E100-0.188×E5′-0.163×E20′-

0.097×E100′+0.021×EB-0.076×F1-

0.011×F2-0.026×G

表5 主因子評分系數矩陣

根據表3，用主因子貢獻率中的旋轉平方和載入的方差百分比x作為權數，進行加權平均，得到的復合織物的綜合得分f[10]如下。

式中：x1為22.466%；x2為22.136%；x3為19.266%；x4為15.236%；x5為13.634%。計算得到9種復合織物的公因子得分和排名，如表6所示。

表6 公因子得分及排名

根據表6得出：

①由PU/PVDF系復合織物1#～3#和PU/FPM系復合織物7#～9#的拉伸因子f1得分可知，隨著混合紡絲液中聚氨酯含量的減少，織物的拉伸性能下降，可見聚氨酯的加入提升了復合織物的拉伸性能，織物在小負荷下抵抗拉伸應變的能力降低。

②由硬度因子f2可知，數值越大，抗剪切變形能力強，即在面料搬運、制衣以及服用過程中不易產生緯斜和弓斜[11]。保形性較好，抗皺性能較優越，易護理[12]。同 PU/PVDF系復合織物1#～3#和PU/FPU系復合織物4#～6#的硬挺度相差不大，但紡絲液濃度對硬度影響較大，紡絲時應注意紡絲液濃度的變化對電導率和黏度值的影響。觀察是否會出現因電導率下降而減弱射流受電場的拉伸作用，或因紡絲液濃度的升高導致分子鏈纏結增加，導致纖維直徑增加而出現織物硬度增大的現象[13]。

③由PU/PVDF系復合織物1#～3#和PU/FPU系織物4#～6#可知，緯向成形因子得分均是先增大后減小，即PU∶PVDF為7∶3、PU∶FPU為10∶2時為最佳適紡配比，此時，靜電紡膜分布均勻，各向異性、力學性能良好，能夠較好地成形，在平面內受力時變形傾向的量度小，不易起皺或起鼓。

④由PU/FPM系復合織物7#～9#可知，隨著氟橡膠含量的增加，織物的豐滿因子f4得分下降，這是因為氟橡膠有壓縮易變形點，尺寸穩定性差的特點，PU含量的增加可以一定程度上降低纖維膜的收縮，從而保證了織物的豐滿性。

⑤觀察硬度因子f2和經向彎曲因子f5，二者的變化規律大致相同，因為硬度因子中包含緯向彎曲剛度和緯向彎曲長度2個指標，可知在復合織物中，納米靜電紡膜均勻分布，受力方向各向同性，提高了織物的彎曲性能。

2.2 疏水性能分析

混紡改性后的PU/PVDF系、PU/FPU系和PU/FPM系復合織物的靜態水接觸角見圖1。

圖1 高聚物不同質量比時復合織物的水接觸角

由圖1可以看出，織物接觸角分別達到130.2°、135.6°、137.4°，132.5°、136.2°、137.3°和131.5°、135.6°、139.5°。通過混紡含氟高聚物，復合織物對水的接觸角有了顯著提高，表面能降低，纖維表面氟元素含量逐漸升高，表面能逐漸降低，表現出復合織物優異的疏水性能，其中氟橡膠的復合織物疏水性能相對最優。

根據表6和圖1分析得出：隨著聚氨酯含量的減少，復合織物的拉伸因子呈下降趨勢，但接觸角均有顯著上升，說明氟基團具有極強的疏水性能，同時，氟基團使含氟高聚物化學鍵的自由旋轉能大為增加，使氟碳彈性分子的剛性增強，柔性下降[14]。

3 結 論

①納米防水透濕復合織物的服用性能與拉伸因子、硬度因子、緯向成形因子、豐滿因子和經向彎曲因子這5個主因子密切相關。在紡絲參數基本相同的情況下，高聚物類型和紡絲液濃度對服用性能影響較大。氟橡膠/聚氨酯復合膜整體性能更為優異，適宜制備防水服裝。

②復合靜電紡纖維膜對織物力學性能有一定影響，同時靜電紡纖維均勻分布，受力方向各向同性，復合織物經緯向受力差異變小。

③含氟基團的引入可以有效提升復合織物的疏水性能，接觸角都在130°以上，可滿足織物的功能性要求。