絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠對聚丙烯非織造布的改性

顧明廣，蘇 芳

（燕京理工學院，河北廊坊 065000）

可用于制造非織造布的原料種類較多，其中聚丙烯因具有密度小、強度高、耐腐蝕和成本低等優勢，逐漸成為近年來生產非織造布的主要原料［1-2］。但聚丙烯纖維分子結晶度高且不含親水性基團，表面透氣性和親水性差［3-5］，因此需要對聚丙烯非織造布進行功能改性來提高其服用性能。

非織造布的功能改性主要分為在紡絲過程中對纖維進行改性和對非織造布進行后整理2 種方法［6］。相比而言，后整理法操作簡單、效率高且投資成本低，已成為非織造布功能改性的研究熱點。李淑芳等［7］利用空氣等離子體處理丙綸無紡布，顯著增強其吸濕性，但維持時間較短。劉嫻等［8］將高分子表面活性劑和陰離子表面活性劑組合制備親水整理劑，在優化工藝參數下測得靜態水接觸角接近0°，透水時間、抗靜電性和柔軟性明顯改善，對白度、機械強度未產生負面影響。盛杰偵等［9］用表面活性劑對聚丙烯非織造布進行親水整理，獲得了具有優良親水性的樣品。但表面活性劑的親水時間短、泡沫大，且部分報道中的表面活性劑合成工藝復雜，制備過程中會產生危害人體健康的刺激性氣味，不適合廣泛使用。故開發低污染、制備簡單的新型整理劑具有現實意義。絲素蛋白提取自蠶絲，是一種具有良好透氣性和可降解性的天然高分子材料，對人體有很好的親和性，被廣泛用于織物整理領域［10-11］，利用正硅酸乙酯與絲素蛋白在酸性條件下進行縮聚反應，可制備出兼具有機和無機材料特性的絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠，將其用于整理聚丙烯非織造布，可大幅改善非織造布的服用性能，提高其應用性能。

本文以制備的絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠為整理劑，對聚丙烯非織造布進行功能改性，通過測定整理后聚丙烯非織造布的接觸角，優化整理工藝參數，對比整理前后聚丙烯非織造布的表面形貌、透氣性、透濕性和力學性能，為制備具有良好服用性能的聚丙烯非織造布提供實驗依據。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：絲素蛋白（蘇州絲美特生物技術有限公司），聚丙烯非織造布（62 g/m2，杭州臨安天福無紡布制品廠），正硅酸乙酯、丙醇、無水乙醇、鹽酸［分析純，國藥集團化學試劑（上海）有限公司］，去離子水（自制）。儀器：MH552 型軋車（江陰市江南紡印機械有限公司），HG-9055A 型電熱鼓風干燥箱（北京亞泰科隆儀器技術有限公司），XG-CAMB1 型接觸角測量儀（上海軒準儀器有限公司），ULTRA 55 型掃描電子顯微鏡（德國ZEISS 公司），INSTRON 3342 型系列電子萬能材料試驗機［圓派科學儀器（上海）有限公司］，KES-F7 型精密瞬間熱物性測試儀（日本加多技術有限公司），LLY-01 型硬挺度儀（萊州市電子儀器有限公司）。

1.2 整理劑的制備

將不同質量比的絲素蛋白與正硅酸乙酯溶于去離子水，攪拌均勻后滴加鹽酸至pH 為4.0。在酸性條件下正硅酸乙酯發生縮聚反應生成SiO2納米粒子，隨后與絲素蛋白分子以化學鍵或氫鍵方式結合，形成絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠。

1.3 非織造布功能改性

將聚丙烯非織造布剪成25 cm×25 cm 大小，室溫下浸入絲素蛋白/SiO2納米溶膠中整理（改性），取出后壓軋，然后置于烘箱中進行干燥處理。

1.4 測試

1.4.1 掃描電鏡

將改性整理后的聚丙烯非織造布（3 mm×3 mm）粘貼在導電膠上，對樣品表面進行噴金處理，隨后用掃描電子顯微鏡觀察。

1.4.2 接觸角

將5 μL 去離子水滴在聚丙烯非織造布表面，利用接觸角測量儀測試。

1.4.3 涼感性

通常使用最大熱流失量（Qmax值）評價織物的瞬間涼感性能，Qmax值越大，織物帶走的熱量越多，涼感效果就越好。將聚丙烯非織造布樣品放在冷板上，待熱板溫度達到35 ℃后迅速將其放置在樣品上，記錄熱板通過樣品向冷板傳遞的Qmax值，平行測量10 次，取平均值。

1.4.4 透氣性

參考GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》進行測定，每塊樣品平行測量10次，取平均值。

1.4.5 透濕性

采用水正杯法進行測定。將待測樣品固定在杯子圓周，杯中裝有一定量的水，設置實驗室內溫度為38 ℃，相對濕度為80%，氣體流速為0.5 m/s，樣品透濕量=m/St，式中，m為樣品測量前后質量差值，S為樣品表面積，t為兩次測量時間差值。

1.4.6 親水耐久性

取經過親水整理的聚丙烯非織造布，分別在60 ℃去離子水以及無水乙醇中進行浸泡處理，測量接觸角。如果較長時間后接觸角仍然保持較低值，則表明親水耐久性較好。

1.4.7 斷裂強力

設置拉伸速度為150 mm/min，夾持距離為300 mm，對比整理前后聚丙烯非織造布樣品的拉伸性能，每組樣品平行測量6次，取平均值。

1.4.8 硬挺度

參考GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定第1 部分：斜面法》進行測試，樣品越柔軟，彎曲長度越小。

2 結果與討論

2.1 正交實驗

固定其他工藝參數不變，考察絲素蛋白與正硅酸乙酯質量比、浸漬時間、熱處理溫度和熱處理時間對聚丙烯非織造布功能改性效果的影響，確定整理的優化工藝參數，正交實驗結果如表1所示。

表1 聚丙烯非織造布整理的正交實驗條件及結果

由表1 可以看出，第9 號非織造布樣品的接觸角最小（0.96°），此時樣品的整理工藝參數為：m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=7∶3，浸漬時間0.5 h，熱處理溫度60 ℃，熱處理時間20 min。進一步分析正交實驗結果發現，D對樣品接觸角的影響最大，然后依次為B、C、A；各影響因素的均值取最小值時分別對應m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=5∶5，浸漬時間0.5 h，熱處理溫度20 ℃，熱處理時間5 min，此條件即為優化整理工藝參數，按照此條件改性的樣品接觸角為0.31°，進一步說明此條件為優化工藝參數。

2.2 表征

由圖1 可以看出，未整理的聚丙烯非織造布纖維非常光滑，而經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理之后的樣品會在表面形成一層薄膜，尤其在聚丙烯非織造布纖維交接處分布更致密。這是因為將樣品浸漬于整理劑溶液中時，絲素蛋白/SiO2納米材料會均勻地附著到聚丙烯纖維表面，而在烘干過程中，隨著溶液中水分減少，絲素蛋白/SiO2納米材料濃度越來越高，分子間作用力逐漸增強，最終與纖維結合，在其表面形成一層絲素蛋白/SiO2膜。

2.3 改性后聚丙烯非織造布的性能

2.3.1 涼感性

非織造布樣品經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理后，Qmax值顯著增大，由0.105 W/cm2增加到0.608 W/cm2，表明樣品實現了良好的涼感效應，其服用性能得到顯著改善。

2.3.2 透氣性

提高聚丙烯非織造布的透氣性可以提升其穿著時的舒適度，尤其作為醫療用品時必須具備較好的透氣性。由圖2 可以看出，經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理后的無紡布透氣性較未整理略有提升，可從1 793 mm/s 增加到最高1 920 mm/s，并且隨著絲素蛋白/SiO2溶液總用量的增加，樣品透氣性呈現先增加后降低的趨勢。

紡織品透氣性主要受編織結構和厚度影響，經過改性整理后，空氣既可以從聚丙烯纖維空隙間流通，還能從絲素蛋白/SiO2膜中流通，因此改性后樣品的透氣性提升，但絲素蛋白/SiO2溶液總用量過高，絲素蛋白/SiO2膜厚度增加，導致樣品透氣性下降。

2.3.3 透濕性

紡織品的透濕性越好，排出皮膚水分和熱量的效果也越好。由圖3 可以看出，經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理后的無紡布透濕性較未整理有所提升，可從7 950 g/（m2·d）增加到最高8 608 g/（m2·d）。這是因為整理后的非織造布透氣性提高，相應地水蒸氣流通性也會提高，而且絲素蛋白/SiO2納米膜含有大量親水性基團，能夠提升非織造布對水分子的吸附量，并促使其向濕度較低的另一側擴散，因而樣品的透濕性提高。但絲素蛋白/SiO2溶液總用量過大（超過3%）時，絲素蛋白/SiO2膜厚度增加，導致水分子向樣品另一側擴散的阻力增大，透濕性降低。

2.3.4 親水耐久性

經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理后的聚丙烯非織造布親水性大幅提升，但其耐久性也值得關注。由表2 可以看出，隨著處理時間的延長，樣品的親水性均逐漸下降，且在無水乙醇中的下降速率大于在去離子水中，3 h 后在無水乙醇中的接觸角僅有19.48°，表明此時樣品仍具有良好的親水性，進而證明本整理方法獲得的樣品具有較好的親水耐久性。

表2 不同時間處理前后聚丙烯非織造布在不同溶劑下的接觸角

2.3.5 力學性能

由表3 可知，經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理后的聚丙烯非織造布斷裂強力、斷裂伸長和延伸率均略有增加。這是因為使用絲素蛋白/SiO2納米材料對非織造布進行改性后，會在聚丙烯纖維表面增加一層雜化膜，提高樣品的粘合力，但因為膜厚度很小，對聚丙烯非織造布的力學性能影響也較小。樣品整理前后的彎曲長度值變化很小，表明經過整理后非織造布仍具有較好的柔軟性，服用性能不受影響。

表3 聚丙烯非織造布親水整理前后的力學性能

3 結論

（1）在m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=5∶5、浸漬時間0.5 h、熱處理溫度20 ℃、熱處理時間5 min 條件下改性的聚丙烯非織造布接觸角為0.31°，熱處理時間對樣品接觸角影響最大，之后依次為浸漬時間、熱處理溫度和m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）。

（2）經過絲素蛋白/SiO2納米復合溶膠整理后的聚丙烯非織造布表面會形成一層絲素蛋白/SiO2薄膜，樣品的Qmax值提高了5.79 倍，增強了樣品的透氣性和透濕性，并使樣品具有良好的親水耐久性。整理后的非織造布斷裂強力、斷裂伸長、拉伸應變以及彎曲長度均略有增加，但是變化幅度很小，不會影響非織造布的服用性能。