靜電紡PVDF納米纖維膜復合織物的制備及性能研究

鐘浩

摘要：通過靜電紡絲技術制備PVDF納米纖維膜，通過實驗對比靜電噴膠工藝明顯優于手工涂膠，PVDF納米纖維膜與織物復合后，其耐靜水壓可達1.47 kPa，抗濕性為四級，同時對復合織物的機械性能和透氣性能影響較小，從而具有良好的防水透氣性能。

關鍵詞：靜電紡;PVDF納米纖維膜;靜電噴涂

1研究背景

隨著近些年科技的發展和研發的投入，防水、保暖又具有良好水蒸氣透過性能的功能性材料有了快速發展，從全天候休閑服到軍用、醫用、建筑等領域，這些防水透氣性材料的應用范圍在不斷擴大。而納米材料在防水透氣性材料中的應用也越來越廣，使用納米纖維制成的仿真及高性能面料[1，2]，其外觀上具有逼真效果，性能則接近或超過天然纖維。至今世界上公認的最先進的防水透濕織物仍是層壓復合織物[3]，如Gore-Tex 織物，該織物最為核心的技術是其所使用的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜[4]，這種薄膜不僅工藝條件要求苛刻，成品價格高，而且長期由美國Gore公司控制著其生產專利，嚴重阻礙了防水透濕織物的推廣。近年來，為了尋求性能優異、價格相對低廉的防水透濕膜，許多研究者做了大量的探索，其中通過電紡絲技術所生產的PVDF納米纖維膜[5-8]在該領域引起了人們的關注。研究發現，當DMF/Acetone配比為4：6，PVDF質量百分數為12wt%時所制備的納米纖維膜空隙均勻、防水透氣性能較好[9]。PVDF納米纖維膜的拉伸強度和伸長率隨膜厚度增加而增大，而透氣率則是減小，其接觸角隨纖維直徑增大而減小。

靜電紡絲又稱電紡技術，是聚合物流體或熔體在高壓電場作用下從噴嘴進行噴射拉伸而獲得固體納米級纖維的紡絲方法[10]。靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶負電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運動，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法。由噴槍、噴杯以及靜電噴涂高壓電源等組成。

2試驗部分

2.1紡絲液配制

DMF/Acetone配比為4：6，PVDF質量百分數為12 wt%。

2.2納米纖維膜制備

將一定質量所制備的PVDF溶液注入注射器內，注射器針頭內徑為0.5 mm，靜電紡絲可調電壓為0～50 kv，接收距離為10 cm。打開電源，調節滾筒轉速后打開電壓，開始收集纖維。

2.3復合織物制備

將一定質量百分數的濕氣固化膠用靜電噴涂的方式噴于滌綸布上，再將聚偏氟乙烯納米纖維噴到布上，制得相關復合織物;同時，采用人工刮膠的方式將膠水刮在滌綸織物上，再將納米聚偏氟乙烯纖維噴到布上形成復合織物。

3 結果與討論

3.1濕氣固化膠噴涂工藝選擇

靜電噴涂的膠在滌綸面料表面呈點狀或纖維狀分布，而手工涂膠則是在滌綸基布表面形成一層薄膜狀物質，同時，靜電噴涂方式可有效控制上膠的量，涂膠則難以控制。

普通滌綸布的透氣性為340 mm/s左右，靜電噴膠后滌綸布的透氣性變化不大，為340 mm/s左右，然而，手工涂膠后滌綸布的透氣率下降到140 mm/s左右，還不到涂膠前的一半。本文擬采用靜電噴膠的方式以使得滌綸布具有更好的透氣性能。

膠黏劑的濃度對滌綸織物透氣性幾乎沒有影響，主要是靜電噴涂時膠黏劑是以點或纖維的形式噴射在滌綸面料表面，而膠黏劑濃度改變后其膠的形狀和分布變化不大，從而對透氣性影響減小。

PVDF纖維膜與滌綸布的剝離強力隨膠黏劑濃度的增加而不斷增大，當膠黏劑濃度達到40 wt%時，由于粘結力大于PVDF纖維膜本身的強度而使得剝離強力無法測量。剝離強力與膠黏劑濃度相關，主要是因為濃度逐漸增大時，單位質量內膠黏劑的含量增多，當溶劑揮發后膠黏劑的含量的多少將直接影響纖維膜與滌綸基布之間的粘合作用。可以看出，靜電紡噴膠工藝中，透氣率隨膠黏劑濃度增大變化不大，但剝離強力越大。綜合考慮，選取膠黏劑的濃度為40 %。

3.2PVDF納米膜復合織物防水性能

紡絲時間越長，聚偏氟乙烯納米纖維膜與其相關復合織物越厚，其與滌綸復合織物的防水性能越好，耐靜水壓可達1.46 kPa，抗濕性達4級。

3.3 PVDF納米膜復合織物透氣性能

聚偏氟乙烯膜與其復合織物越厚，透氣率越小，但兩者之間相差不大，說明復合對透氣性能影響不大。但是，厚度對復合織物的透氣性能有顯著的影響作用，因此，在保證使用性能的同時應盡可能采用較薄的PVDF纖維膜。

4 結論

4.1靜電紡納米PVDF纖維的實驗過程中，PVDF的溶解體系中的質量分數、DMF/ACE的體積配比、纖維膜的厚度對納米PVDF纖維膜的防水性能以及透氣性能有著重要的影響。納米PVDF纖維膜的透氣性與纖維膜的厚度成正比關系;在纖維膜表征較優（不出現粘連或者黏連現象）的情況下，納米PVDF纖維膜的防水性能與PVDF的質量分數成反比，與DMF/ACE的體積配比成正比。

4.2在靜電紡絲過程中，紡絲溶液質量分數、DMF/ACE配比分數﹑紡絲電壓、對納米聚偏氟乙烯纖維的形態有重要影響。紡絲距離過短，紡絲液離開噴射嘴后來不及揮發就噴到接收板上，致使纖維易出現粘連現象;紡絲距離過長，纖維絲間疊加不緊密，致使其防水性能較差;纖維直徑隨紡絲溶液質量分數、DMF/ACE配比分數﹑電壓的增加而增大。這是由于聚合物溶液濃度越高，粘度越大，引起射流及形成具有更大拉伸應力的纖維主要有兩個因素：表面張力和場強度。通常來說，離開噴嘴后液滴分裂能力與表面張力呈負相關關系;場強度（電壓）增大則會形成更大的靜電斥力，這是由于：高分子電紡液的射流有更大的表面電荷密度。同時，更高的電場強度使射流獲得更大的加速度。這兩個因素的存在使得拉伸應變速率更高，也就可以獲得纖度更小的纖維。

4.3靜電噴涂的膠在滌綸面料表面呈點狀或纖維狀分布，而手工涂膠則是在滌綸基布表面形成一層薄膜狀物質，同時，靜電噴涂方式可有效控制上膠的量，涂膠則難以控制。普通滌綸布的透氣性為340 mm/s左右，靜電噴膠后滌綸布的透氣性變化不大，為340 mm/s左右，然而，手工涂膠后滌綸布的透氣率下降到140 mm/s左右，還不到涂膠前的一半。因此，靜電噴膠工藝明顯優于手工涂膠。噴膠時，膠黏劑的濃度對織物透氣性沒什么影響，但其與基布的剝離強度卻隨膠黏劑濃度的增加而增大。

4.4PVDF納米纖維膜與織物復合后，其耐靜水壓可達1.47 kPa，抗濕性為四級，同時對復合織物的機械性能和透氣性能影響較小，從而具有良好的防水透氣性能。

參考文獻：

[1]陳繼紅.納米技術與服裝新面料[J]，合成纖維，2003， （4）： 41-44.

[2]劉延波，馬營，孫健，等.電紡PVDF/PVDF-HFP 復合納米纖維膜及其防水透濕性能評價[J]，天津工業大學學報，2014， （12）： 6-10.

[3]郝瑞莉，丁志榮，張琰卿，等. 聚四氟乙烯層壓復合織物的制備與工藝優化[J].南通大學學報，2015， 14（1）： 60-64.

[4]馬可騰，張麗葉，張雅姣，等. 拒油型聚四氟乙烯微孔薄膜的制備方法[J].塑料，2009，38 （6）： 56-58.