定向導水Janus復合棉織物制備及其涼感性能

陳 帆,金萬慧,王 騊

(1.浙江理工大學材料科學與工程學院,杭州 310018; 2.湖北省纖維檢驗局,武漢 430079

服裝與人體之間的微環(huán)境對人體的熱濕舒適性十分重要[1-3]。研究表明,改善個體周圍的微氣候比改變外部環(huán)境更有效[4]。熱濕調節(jié)紡織品能夠改善個人舒適性而不需要對整個空間進行冷卻,靈活地維持人體生理和心理的舒適[5-6]。這種紡織品已廣泛應用于體育、建筑和工業(yè)制造等各個領域[7-9]。近年來,人們致力于開發(fā)先進的可穿戴熱濕管理紡織品,這種紡織品僅通過調節(jié)皮膚與局部環(huán)境之間的熱交換來改變身體周圍的微氣候,完全不會造成能源的消耗[11-12],例如異形纖維織物(Coolmax)[13]。然而,水的比熱容和密度均高于空氣,因此皮膚表面殘留的汗液會儲存熱量,這會對織物的熱舒適性和冷卻性能造成負面影響[14-15]。異型纖維面料無法實現(xiàn)水分的定向輸送,這會導致部分汗液會滯留在皮膚一側,從而影響服裝的穿著舒適性[16]。

針對該問題,研究者們開發(fā)出Janus型納米纖維織物(一種由親水和疏水結構共同構成的織物),并將其廣泛應用于定向導水和皮膚濕度管理[17-19]。例如,Wang等[20]制備了一種由3層納米纖維薄膜逐層沉積形成的智能吸濕排汗織物,該織物的定向水傳輸能力(R)遠高于其他商用吸濕排汗紡織品,能達到1245%。Miao等[21]基于維管植物的多分層結構和互聯(lián)網(wǎng)絡制備了一種模擬蒸騰效應的納米纖維織物,它除了具備快速的水分蒸發(fā)率(0.36 g/h)外,還表現(xiàn)出理想的R值(1072%)。這些研究證明,通過逐層沉積制備的納米纖維織物可以通過厚度的變化實現(xiàn)潤濕性梯度,從而獲得令人滿意的單向水傳輸能力和水分管理性能。但是,不容忽視的問題是由于層間缺乏作用力,納米纖維薄膜非常容易剝離,導致在定向水傳輸過程中薄膜層間的夾液現(xiàn)象,從而使材料整體失去定向導水能力[18]。同時,由于目前靜電紡絲纖維的規(guī)模化制造還未實現(xiàn),實際應用仍受到限制。因此,在原有紡織品基礎上進行性能改進,仍是獲得先進功能面料的最佳途徑。

另一方面,印刷技術是一種能夠將物理化學材料整合到紡織品上常用的簡便工藝。其中絲網(wǎng)印刷技術已被廣泛應用于紡織品上負載染料顆粒及納米功能材料[22]。Guan等[23]通過絲網(wǎng)印刷技術在棉織物表面負載一層氧化石墨烯涂層作為親水外層,還原氧化石墨烯作為疏水內層,制備了一種Janus功能棉織物。但是這種織物只能簡單地排出汗液,并沒有加快體表熱量的散發(fā)。碳化硅(SiC)擁有獨特的物理化學性能,如硬度和機械穩(wěn)定性,在高溫下具有良好的導熱性和低熱膨脹系數(shù)。由于它的化學惰性,高耐腐蝕和抗氧化性,使其成為負載在紡織品上的理想材料。

棉織物是一種廣泛使用的天然紡織品,具有生物可降解性、透氣性、親膚性和低成本等優(yōu)異性能。然而,棉易吸收汗液且導熱系數(shù)較低(0.026～0.035 W/(m·K)),不適合用作生產(chǎn)高性能夏季服裝。針對以上問題,本文主要研究在棉織物上負載SiC納米顆粒的具備熱濕調節(jié)功能紡織品的制備與應用。通過絲網(wǎng)印刷技術在棉織物的一面涂覆PVA,再用噴涂法在PVA層負載SiC NPs,另一面負載PDMS,制備一種具有潤濕性差異的復合棉織物。復合織物制備簡單,適用于實際生產(chǎn),契合“碳達峰,碳中和”的戰(zhàn)略目標,在戶外服用熱濕調節(jié)紡織品領域具有廣闊的應用前景。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

SiC納米顆粒(SiC NPs,99%,上海麥克林生化有限公司);聚乙烯醇(PVA,1788,上海麥克林生化有限公司);四氫呋喃(C4H8O,AR,杭州高精細化工有限公司);聚二甲基硅氧烷(PDMS(由主劑與固化劑組成),99%,上海道康寧有限公司);丙酮(C3H6O,AR,杭州雙林化工試劑有限公司);無水乙醇(C2H6O,AR,杭州雙林化工試劑有限公司);去離子水;商用棉織物(135 g/m2,由湖北省纖維檢驗局提供)。

1.2 實驗方法

圖1為Janus SxPPC/PDMS復合棉織物的制備流程,其中角標x表示懸濁液中SiC NPs的百分含量。

圖1 Janus SxPPC/PDMS復合織物的制備流程Fig.1 Schematic illustration of the fabrication process of Janus SxPPC/PDMS

1.2.1 PVA單面涂覆棉織物的制備

首先,將商用棉織物分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲洗滌10 min,在電熱恒溫鼓風干燥箱中60 ℃烘干備用,用于除去棉織物表面的有機物等雜質。然后,將5 g PVA溶解在50 mL去離子水中,95 ℃水浴劇烈攪拌2 h,得到10%的PVA水溶液備用。隨后,采用絲網(wǎng)印刷技術將一塊經(jīng)過預處理的棉織物(CF, 5 cm×5 cm)墊在絲網(wǎng)下方,在其上方滴加 2 mL 的10% PVA水溶液,使用刮刀將其涂抹均勻且保持潤濕狀態(tài)備用(表示為PC)。

1.2.2 SiC納米顆粒單面負載棉織物的制備

分別將0.079、0.237、0.395 g的SiC NPs加入到10 mL乙醇中室溫下劇烈攪拌使其分散均勻,得到1%、3%和5%的SiC乙醇懸濁液(乙醇作為溶劑易揮發(fā),干燥后不會對織物的性能造成影響)。往噴嘴尺寸為0.5 mm的噴槍中加入3 mL上述懸濁液,以垂直方向分別噴涂在PC中PVA涂覆層一面(PVA作為親水層具有很強的黏性,可使其與SiC NPs結合得更緊密),噴嘴與織物之間保持20 cm的距離,確保其不會滲透至另一面。在60 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥,得到負載SiC NPs的PVA單面涂層棉織物(表示為SxPPC)。

1.2.3 定向導水Janus復合棉織物的制備

首先將PDMS主劑(2 g)與固化劑(0.2 g)以恒定的10∶1比例在四氫呋喃(THF,8 g)中混合,均勻攪拌20 min并脫氣以去除氣泡。然后將攪拌后的混合物裝入噴槍中,用上述相同手法噴涂在棉織物未改性的一面作疏水處理。最后將復合織物樣品置于60 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥 3 h,完成固化過程以獲得Janus復合棉織物(表示為SxPPC/PDMS)。

為了對比負載SiC NPs前后織物的性能,往PC的背面也噴涂PDMS(與以上過程一致)作為對比樣品(表示為PC/PDMS)。

1.3 測試與表征

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM,ZEISS VLTRA-55,德國)對樣品的微觀形貌進行表征。使用透射電子顯微鏡(TEM,JEM-2100,日本)進一步觀察樣品的形貌結構。使用 X射線衍射儀(XRD,ARL XTRA,瑞士)分析樣品的晶體結構。使用OCA-25光學接觸角儀(DataPhysics Instruments GmbH,德國)測試樣品的水接觸角。參照AATCC TM 195—2009標準,使用水分管理測試儀(MMT M290;SDL Atlas,美國)定量測量樣品的定向液體傳輸能力。使用熱導率分析儀(C-Therm,加拿大)測試樣品的導熱系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 復合織物的形貌與結構表征

圖2展示了制備過程中棉織物表面的形貌變化。如圖2(a)所示,未經(jīng)處理的棉織物原樣在經(jīng)過丙酮和乙醇的超聲清洗后,纖維表面顯示天然棉纖維所有的粗糙性。而經(jīng)過絲網(wǎng)印刷涂覆PVA后,與原始棉纖維相比,PC/PDMS表面因覆蓋聚合物涂層而變得光滑(見圖2(b)),涂層鋪展均勻,因此它可以作為黏合劑,有效黏附SiC NPs。同時PVA中含有大量的親水羥基基團,具有親水性,可以作為Janus棉織物的親水層。從圖2(c)中可以看出,通過簡單的噴涂方式,在棉纖維表面成功地沉積了粒徑均勻且分布均一的SiC NPs(平均直徑為(200±10) nm),這種均勻分布的方式能夠有效均一、有效地增強棉織物的導熱能力。從圖3(a)中S3PPC/PDMS的元素映射圖可以觀察到C和O元素均勻的分布在棉纖維中,Si元素則分布在表面,這進一步輔助說明了SiC NPs均勻地分布在棉纖維表面。其TEM圖像清楚地表明,單個SiC納米顆粒結晶良好,具有清晰可辨的晶格條紋,其中2.5 ?的晶面間距對應于SiC(111)面(見圖3(b)―(c))[25]。

圖2 不同織物樣品以及其不同放大倍率的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of different fabrics and their different magnifications

圖3 S3PPC/PDMS的SEM-EDX和TEM照片F(xiàn)ig.3 SEM-EDX and TEM images of S3PPC/PDMS

復合織物制備過程中的3個主要制備階段產(chǎn)物的XRD圖譜如圖4所示,可以看出原始棉織物主要的特征峰在15.2°、16.7°和23.1°處,分別對應棉的(101),(102),(002)晶面(cellulose I, JCPDS. No. 03-0226)。PC/PDMS對應的特征峰與CF大致相同,說明聚合物涂層并未破壞纖維結構。而在噴涂SiC NPs后,在35.6°、41.5°、60.0°、71.8°處新出現(xiàn)了4個衍射峰,對應于SiC的(111),(200),(220),(311)晶面(JCPDS no. 22-1319)[25],進一步證實SiC NPs已負載在棉纖維上且結晶度良好。

2.2 復合織物的熱管理性能

將CF、PC/PDMS、S1PPC/PDMS、S3PPC/PDMS和S5PPC/PDMS放置在同一熱臺上,通過紅外熱相機記錄加熱過程,比較它們的傳熱能力(見圖5(a))。樣品在熱臺上加熱60 s的表面瞬態(tài)溫度如圖5(b)所示,在加熱過程中,噴涂SiC NPs的樣品表現(xiàn)出比普通織物更高的傳熱速率,這得益于SiC NPs極高的導熱系數(shù)(見圖5(c)),所以它們能產(chǎn)生快速的熱響應。然而,并不是SiC NPs負載量越高就越好;可以看出,隨SiC NPs負載量增加反而會阻礙織物的熱傳導過程,S5PPC/PDMS的升溫速率就比S3PPC/PDMS慢(見圖5(b))。這是由于SiC NPs負載量增加,推測有部分堵塞棉纖維間的孔隙,進而影響到了熱量的發(fā)散。將各織物置于同一加熱階段進行熱傳導性能的比較。分別在30、40 ℃和50 ℃的平衡溫度下記錄相應的紅外熱圖像(見圖5(d))。結果表明,與其他織物相比,S3PPC/PDMS的顯色率最低,其溫度與熱臺的平衡溫度最接近,這說明它具備最佳的散熱性能(導熱系數(shù)為0.083 W/(m·K)),能將人體產(chǎn)生的熱量快速傳遞至外界,達到冷卻的目的。

圖5 不同織物的熱傳遞性能Fig.5 Heat transfer performances of different fabrics

2.3 復合織物的定向水傳輸性能

為了研究SiC NPs和PVA涂層對棉織物潤濕性能的影響,測量了CF、PC、S1PPC、S3PPC和S5PPC的靜態(tài)水接觸角(WCA)(見圖6(a)―(b))。可以看出,液滴的形態(tài)隨時間的變化可以證明樣品間存在潤濕性差異。在涂覆PVA后,織物顯示較原織物更良好的親水性。而當在PC表面沉積SiC NPs后,SiC NPs質量分數(shù)從1%增加到5%時,SxPPC的WCA減小到0°所需要的時間逐漸增大。推測這是因為商用SiC NPs因其制備工藝限制,具有表面疏水性,因此隨著負載濃度的升高,疏水性逐漸增加而導致水傳輸性能變差。但SiC NPs濃度太小又會影響SxPPC/PDMS復合織物的傳熱性能。所以最終選擇S3PPC/PDMS作為最佳SiC負載量進行后續(xù)的定向水傳輸性能分析。

如圖7所示,分別從Janus復合織物S3PPC/PDMS的兩側分別滴加50 μL的墨水,并從頂部和側面觀察其單向輸水的過程。當將墨逐滴滴在親水性S3PPC表面后,其潤濕面積隨時間的流逝逐漸增大,直至墨滴在表面完全擴散,不再向下滲透(見圖7(a))。S3PPC表面的深藍色擴散區(qū)域表明墨水在親水表面完全擴散。然而,將墨滴逐滴滴在疏水性PDMS表面后,液滴首先維持球形狀態(tài),逐漸坍塌,之后液滴迅速穿過織物并滲透至親水性S3PPC側擴散(見圖7(b)的黑灰色區(qū)域),只在PDMS側的擴散區(qū)域內形成一個明顯的“暗斑”(淺色斑痕代表墨水在反向親水面的鋪展),說明墨滴從PDMS側轉移到S3PPC一側,并被S3PPC側吸收。該現(xiàn)象證明復合織物兩側具有明顯的浸潤性差異,可用于定向水傳輸。

圖7 通過滴墨(50 μL)研究了Janus S3PPC/PDMS上的單向水傳輸過程Fig.7 Investigation of the unidirectional water transport process on Janus S3PPC/PDMS by dripping ink droplets (50 μL)

圖8(a)―(b)直觀地顯示了不同體積的水滴分別滴加到S3PPC/PDMS兩側時擴散直徑與時間之間的關系。當?shù)嗡w積為25、50、100 μL和200 μL時,親水性S3PPC側的水擴散直徑分別為1.4、2.3、3.8 cm和5.7 cm;PDMS側的擴散直徑分別為0.4、0.9、1.3 cm和1.7 cm。顯然,無論水體積大小如何變化,與疏水性PDMS側相比,親水性S3PPC側具有更大的水擴散直徑,這也表明S3PPC/PDMS具有Janus浸潤性差異。

此外,通過水分管理測試儀(MMT)對S3PPC/PDMS的定向水傳輸性能做了進一步的定量分析。圖8(c)―(d)分別為往S3PPC/PDMS上表面(PDMS側)和下表面(S3PPC側)注水時的含水量變化圖。在往疏水性PDMS側(上表面)注水的過程中,上下表面含水量同時增加,在100 s內達到最大值。停止注水后,上表面的含水量值顯著下降。這是因為上面疏水PDMS側與下面親水S3PPC側的浸潤性差異導致水就會被定向輸送至下表面親水面。在 200 s 后,下表面的含水量保持在100%左右,說明水已經(jīng)全部轉移至親水S3PPC一側。相反,當親水S3PPC作為上表面,在往S3PPC側注水時,疏水PDMS側的含水量始終保持為0。MMT還計算了S3PPC/PDMS織物的單向輸水能力(R=920%),表明復合棉織物擁有出色的單向水傳輸性能。因此,將復合織物的PDMS面作為服裝內層接觸皮膚,可將其表面汗液定向傳輸至外界并帶走熱量。

綜合考慮到S3PPC/PDMS的熱傳導和定向排出汗液兩個功能協(xié)同為人體降溫。在戶外場景下分別拍攝了裸露皮膚、穿上CF和S3PPC/PDMS的紅外熱照片(見圖9)。可以明顯地觀察到,穿上CF對體表溫度基本沒有任何改善,而復合織物S3PPC/PDMS在無需任何外部能源輸入的情況下,為人體降溫約2～3 ℃。

圖9 戶外場景下裸露皮膚、穿上CF和S3PPC/PDMS的紅外熱照片F(xiàn)ig.9 Infrared images of bare skin, wearing CF and S3PPC/PDMS in outdoors

3 結 語

本文采用簡單的絲網(wǎng)印刷技術結合噴涂法在棉織物的兩面分別負載了親水PVA/SiC NPs涂層和疏水PDMS層,制備了一種具有導熱性能和Janus浸潤性差異的復合棉織物。用熱臺模擬體表皮膚,測試了系列樣品的熱傳遞性能,其中Janus復合棉織物S3PPC/PDMS的性能最佳。通過滴水擴散實驗證明其具有優(yōu)異的定向導水能力。在戶外實際場景測試了樣品的實際降溫效果,對比商用棉織物表現(xiàn)出2～3 ℃的降溫效果,這也與模擬實驗的結果一致。這種Janus復合棉織物能快速傳遞體表產(chǎn)生的熱量,散發(fā)到外界,同時主動排出皮膚表面分泌的汗液使其蒸發(fā)帶走熱量,兩者協(xié)同作用,共同為人體降溫。該復合織物在戶外服裝領域有廣闊的發(fā)展前景。