TPU靜電紡絲納米纖維膜復合面料的制備及其結合牢度研究

劉 倩 吳海波 王榮武

東華大學 紡織學院，上海 201620

隨著科學技術的發展，以及人們健康意識的增強，對家紡用品的需求也逐漸從柔軟舒適向吸濕透氣、防護抗螨、保健安全等功能性拓展[1]。表面改性是賦予家紡織物功能性的有效策略。常見的表面改性技術有化學處理[2]、表面覆膜[3](化學沉積[4]，靜電紡絲[5])及涂層處理等。其中，靜電紡納米膜因具有功能性多，比表面積大、孔徑小，與基布復合后不影響織物風格[6]等特性，成為當前的研究熱點。研究表明，摻入抗菌劑的聚丙烯腈納米纖維膜與非織造材料復合制備的抗菌材料，對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率達99.9%，可應用于尿不濕、濕紙巾等衛生領域[7]。由殼聚糖納米纖維和棉織物復合制備的繃帶，具有良好的止血性和抗菌效果[8]。由含氟聚氨酯納米纖維與滌綸面料復合制備的防護服，對水和硫酸的接觸角分別為141°和124°，具有優異的拒水防腐蝕性能[9]。

熱塑性聚醚型聚氨酯(TPU)是一種性能優異的環保材料[10-11]。采用靜電紡絲技術制備的TPU納米纖維膜透濕性能優異，形成的納米微孔結構兼具透氣性和防護阻隔作用[12]，適合與紡織面料復合。然而，納米纖維膜與家紡織物的材料性質和尺度不同，兩者間的界面結合不穩定、結合牢度較低。因此，采用合適的復合工藝至關重要。熱熔黏合[13]和化學黏合[14]已廣泛應用于納米纖維膜與織物的復合，但這些方法工藝復雜，且難以保證納米纖維膜的完整性。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是印染行業常用的助劑[15]，能顯著提高染料與織物的結合牢度，但其在納米纖維與織物復合領域還鮮有研究。

鑒于此，本文以熱塑性聚醚型TPU為原材料，采用自制靜電紡絲裝置制備納米纖維膜，分別采用化學黏合、熱黏合和添加PVP助劑紡絲黏合3種復合工藝，將膜材與紡織面料復合，制備具有防護阻隔性能的TPU納米纖維膜復合面料，探討復合工藝對納米纖維膜與基布結合牢度的影響，并分析不同復合工藝下材料的形貌特征、孔徑及吸濕透氣性能。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及設備

熱塑性聚醚型TPU，購自德國巴斯夫公司；PVP，購自國藥集團化學試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，購自國藥集團化學試劑有限公司；0.5 mol/L鹽酸，購自國藥集團化學試劑有限公司；0.5 mol/L氫氧化鈣，購自國藥集團化學試劑有限公司；氯化鈉，購自廣州和為醫藥科技有限公司；滌綸織物[經紗緯紗線密度均為27 tex，經緯密為480根/(10 cm)×234根/(10 cm)]，棉織物[經紗緯紗線密度均為27 tex，經緯密為523根/(10 cm)×276根/(10 cm)]，東華大學紡織學院提供；面密度為25 g/m2的TPU 熱熔膠網膜，蘇州惠洋新材料有限公司提供；無針型靜電紡絲設備，實驗室自制，如圖1所示。

1.2 紡絲液的配置

以DMF為溶劑，TPU為溶質配制溶質質量分數為14%的紡絲液，在室溫下對共混物進行磁力攪拌24 h至溶質完全溶解。

1.3 TPU納米纖維膜的制備

在無針型靜電紡絲設備上進行靜電紡絲，紡絲電壓為 25 kV，接收距離為15 cm，在溫度為20 ℃，相對濕度為50%下進行纖維膜的制備。

1.4 TPU納米纖維膜復合面料的制備

分別采用化學黏合、熱熔黏合和添加PVP助劑紡絲黏合(直接紡絲黏合)3種方法制備TPU納米纖維膜復合面料試樣，具體制備方案如表1所示。

表1 采用不同黏合工藝和基布材料制備TPU納米纖維膜復合面料試樣

1.4.1 化學黏合

首先，在滌綸機織物上噴一層水性聚氨酯膠水，經24 h固化反應后，水性聚氨酯膠水轉化為 TPU并牢牢黏合在基布上。然后，將基布放置在靜電紡絲裝置的接收板上。紡絲結束后，使用平板硫化機熱壓，熱壓時間為2 min，壓力為2 MPa，溫度為75 ℃。

1.4.2 熱熔黏合

將基布與熱熔網膜疊放于靜電紡絲裝備的接收板上。紡絲結束后，使用平板硫化機熱壓，熱壓參數同1.4.1節。

1.4.3 直接紡絲黏合

配制紡絲液時添加質量分數為5%的PVP助劑。將基布放置于靜電紡絲裝備的接收板上，紡絲結束后，使用平板硫化機熱壓，熱壓參數同1.4.1節。

2 性能表征與測試

形貌表征：對TPU納米纖維膜復合面料試樣表面進行噴金處理，使用TM3000型掃描電子顯微鏡(日本日立儀器公司)觀察試樣表面形貌。

耐磨結合牢度測試：選用Y571B型摩擦色牢度儀(溫州方圓儀器有限公司)，采用標準羊毛磨料，將TPU納米纖維膜復合面料試樣置于海綿墊層的圓形摩擦頭上(平磨)進行摩擦測試[16]，結合圖像處理技術，用試驗前后試樣的磨損面積表征耐磨結合牢度。每種試樣測試5次，結果取平均值。為模擬試樣在不同環境下的耐磨結合牢度，分別配制了質量分數為20%的鹽酸、氫氧化鈣和氯化鈉溶液，將試樣分別在這3種溶液中浸泡24 h后，進行耐磨結合牢度測試，測試方法同上。

耐水洗結合牢度測試：采用WASHTEC-P型水洗牢度儀(英國羅切斯國際公司)，設定溫度為40 ℃，將試樣放入試杯中，緊固試杯蓋，逐一安裝在旋轉架上。在機器轉速為(40±2) r/min下模擬機洗，洗滌時間為30 min。共洗滌15次，每5次洗滌后測試并計算試樣的質量損失率。

親水性測試：采用OCA15EC型光學接觸角測量儀測量試樣的靜態接觸角，每種試樣測試5次，結果取平均值。

透氣性測試：根據ASTM D 737-2018《紡織織物透氣性的標準試驗方法》，采用RT-5300型紡織品透氣性測試儀測量薄膜的透氣性與通過規定面積薄膜的空氣量。

孔徑測試：采用CFP-1100-AI型毛細流量孔徑儀測量試樣的孔徑大小。將試樣裁剪成 3 cm×3 cm 大小，并調節氣泵壓力為4～8 kPa進行試驗。

透濕性測試：采用YG501 D-Ⅲ型透濕性測試儀測量試樣的透濕率。透濕率W的計算式見式(1)。

(1)

式中：m1表示吸濕后織物的質量，g；m0表示吸濕前織物的質量, g；S表示試樣有效試驗面積, m2；t表示吸濕時間, d。

3 結果與討論

3.1 表面形貌分析

TPU納米纖維膜分別與滌綸和棉織物2種基布復合后，所得TPU納米纖維膜復合面料試樣的表觀形貌SEM圖如圖2所示。由圖2a)和圖2c)可以看出，TPU納米纖維膜與滌綸織物通過直接紡絲黏合和化學黏合的方式復合后，所得納米纖維膜復合面料形貌完整，呈現出均勻的三維網狀結構；經熱熔黏合后，熱熔網膜熔化并黏附在TPU納米纖維膜表面，纖維網的孔隙被大量堵塞[圖2b)]。由圖2d)～圖2f)可以看出，TPU納米纖維膜與棉織物經化學黏合復合后,呈現出均勻的納米纖維網結構[圖2f)]。TPU納米纖維膜與棉織物經熱熔黏合復合后，也出現了熱熔網膜熔化堵塞TPU納米纖維膜的現象[圖2e)]。TPU納米纖維膜與棉織物經直接紡絲黏合復合后，未形成纖維網結構[圖2d)]，這是因為PVP助劑可以提高納米纖維膜的親水性，與棉織物復合時迅速潤濕擴展，導致無法形成纖維網結構。

圖2 TPU納米纖維膜復合面料的表觀形貌SEM圖

3.2 耐磨結合牢度分析

TPU納米纖維膜與滌綸織物復合后面料的耐磨結合牢度測試結果如圖3所示。由圖3可以看出，TPU納米膜與滌綸織物復合面料在經濕處理、酸處理和堿處理后，均未出現明顯的納米纖維膜與滌綸織物脫離的現象，表明復合材料的化學穩定性較高。經磨料摩擦后，復合面料上的纖維膜逐漸從滌綸織物表面剝離，且剝離面積(面積損失率)隨著摩擦次數的增加而增大。從圖3還可以看出，TPU納米纖維膜與滌綸織物直接紡絲黏合所得復合面料在經500次摩擦后，面積損失率約為25%，而經熱熔黏合和化學黏合復合后，TPU納米纖維膜與滌綸織物復合面料在經500次摩擦后的面積損失率則低于15%。總體而言，TPU納米纖維膜與滌綸織物的干濕結合牢度與酸堿結合牢度均較高。

圖3 TPU納米纖維膜與滌綸織物復合后面料的耐磨結合牢度

TPU納米纖維膜與棉織物復合后面料的耐磨結合牢度測試結果如圖4所示。由圖4可以看出，采用助劑直接紡絲黏合的復合面料在經不足200次的摩擦后就已基本脫落，表明TPU納米纖維膜與棉織物直接紡絲黏合所得的復合面料結合牢度極低。采用熱熔黏合和化學黏合方式制得的TPU納米纖維膜與棉織物復合的面料，在經500次摩擦后面積損失率均低于30%，表明其結合牢度較高。

圖4 TPU納米纖維膜與棉織物復合后面料的耐磨結合牢度

3.3 水洗結合牢度分析

TPU納米纖維膜與滌綸織物復合面料在經多次洗滌后，織物表面的納米纖維膜仍然完整，未出現脫落現象。稱量發現，洗滌后復合面料產生了一定的質量損失，如圖5所示。由圖5可以看出，經5次洗滌后，復合面料的質量損失率均小于1.0%；隨著洗滌次數的增加，復合面料的質量損失率增加，且增加速率也增大。其中，直接紡絲黏合的3#試樣的質量損失最快，化學黏合的1#試樣次之，熱熔黏合的2#試樣的質量損失最慢。原因可能是化學黏合使用的膠水為水性TPU，其在水中可能會產生一定程度的溶解，導致靜電紡納米纖維膜脫落。

圖5 不同黏合工藝下TPU納米纖維膜與滌綸織物復合后面料的耐水洗結合牢度

TPU納米纖維膜與棉織物復合面料在水洗時，直接紡絲黏合的面料在浸泡后，纖維膜即從棉織物基布上脫落，如圖6a)所示。熱熔黏合和化學黏合的復合面料則未見明顯的分離，如圖6b)和圖6c)所示。表明直接紡絲黏合方式不適用于TPU納米纖維膜與棉織物基布的復合，浸水后，纖維膜與棉織物的結合即失效。

圖6 浸泡后不同黏合工藝TPU納米纖維膜與棉織物復合面料的分離情況

3.4 透氣、透濕效果分析

TPU靜電紡納米纖維膜與滌綸織物復合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小測試結果如圖7所示。由圖7可以看出，直接紡絲黏合的1#試樣的平均孔徑最大(2.8 μm)，其透氣和透濕效果也更好。熱熔黏合制備的2#試樣的平均孔徑最小(1.1 μm)，透氣性和透濕效果較差，這是由于熱熔網膜熔化后堵住了納米纖維網的孔洞導致的。

圖7 TPU納米纖維膜與滌綸織物復合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小

TPU靜電紡納米纖維膜與棉織物復合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小測試結果如圖8所示。由圖8可以看出，化學黏合的6#試樣和直接紡絲黏合的4#試樣的平均孔徑均為約4.7 μm，但4#試樣的透氣性和透濕效果更好。采用熱熔黏合方式制備的TPU納米纖維膜與棉織物復合面料(5#試樣)的透氣性和透濕效果較差。

圖8 TPU納米纖維膜與棉織物復合面料的透氣性、透濕性及孔徑大小

3.5 親水性測試

不同黏合工藝納米纖維膜復合面料的接觸角測試結果如圖9所示。由圖9可以看出，6種納米纖維膜復合面料的接觸角均小于90°，表明面料具有一定的親水性能。其中，添加助劑直接紡絲黏合的納米纖維膜復合面料(1#和4#試樣)的接觸角最小，親水性最好；熱熔黏合制備的納米復合面料(2#和5#試樣)的接觸角最大，親水性較差。可能的原因是熱熔黏合過程中，熱熔網膜受熱溶解，破壞了納米纖維膜的完整性，使得其親水性下降。

圖9 不同黏合工藝納米纖維膜復合面料的接觸角

4 結論

本文通過試驗討論了TPU納米纖維膜分別與滌綸和棉織物基布的復合工藝。分別采用化學黏合、熱熔黏合和添加助劑直接紡絲黏合3種工藝，將TPU納米纖維膜與滌綸和棉織物復合。研究結果表明，添加PVP助劑直接紡絲黏合和化學黏合制備的復合面料透氣和透濕性能良好，熱熔黏合制備的復合面料結合牢度更高。綜合分析3種黏合方式制備的復合面料的性能可得，直接在靜電紡過程中添加助劑的直接紡絲黏合，更適合于TPU納米纖維膜與滌綸織物的復合。