聚氨酯防水通气织物的制备与性能

聚氨酯防水通气织物的制备与性能

防水面料在穿上时符合防水要求，而且具有良好的舒适度。近年来，研究人员进行了大量研究，其中大多数关于防水防潮材料的研究主要是基于氨基防水面料。静电纺丝技术作为一种简单易行的超细纤维制备技术,具有原料用量少、可纺物质多、工艺可控性强、装置简单等优点,其过程是带电聚合物溶液或熔体在静电作用下流动变形,在熔体或溶液上通几千伏以上的高压,使得喷丝头末端的液滴被电场加拉成圆锥状(即Taylor锥)。本文选用普通平纹涤纶面料作为基布,通过高压静电将聚氨酯湿气固化胶和聚氨酯纳米纤维一次喷于涤纶基布上,以获得具有良好防水透气性能的复合面料。1实验部分1.1材料、试剂与仪器热塑性聚氨酯(PU);N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮,均为分析纯(购自南通默克化学试剂有限公司);单组份湿固化聚氨酯喷涂胶(购自安宇新材料有限公司,粘度:(130±50)Pa.s/25℃);涤纶平纹布(经密×纬密:300/10cm×440/10cm;厚度:0.10mm;克重:53.56g/cm1.2纺丝溶液配制以N,N-二甲基甲酰胺和丙酮混合溶剂制备聚氨酯纺丝溶液,DMF与丙酮体积配比分别为2/8、4/6、6/4、8/2,纺丝溶液浓度为10wt%~18wt%,80℃下加热搅拌至充分溶解。以乙酸乙酯为溶剂配制不同浓度聚氨酯湿气固化胶溶液(25wt%~40wt%),分别采用静电纺丝和涂胶方法均匀喷涂到与之具有很好粘结牢度的涤纶基布上(4min),最后用静电纺将较优膜随即喷到未干的胶黏剂上,通过改变纺丝时间(20~50min),研究厚度对膜各性能的影响。1.3器接头及纺丝可调电压为0~50kV,注射器针头内径为0.5mm,接收距离为10cm,纺丝电压为14kV,纺丝液流量1mL/h。1.4测试测试1.4.1纤维形貌表征用KYKY-2800型扫描电子显微镜对纳米纤维形貌进行表征,喷金处理后观察。纳米纤维平均直径由图片分析软件KYKYSem-ImageProcessing计算得出。1.4.2数据处理采用JC2000c接触角测量仪在室温条件下测量,将不同比例的聚氨酯膜自然风干后按4cm×1cm尺寸裁成长条,每个样品分别测量5个不同的位置,读数时间统一为水滴落在膜上2s,取平均值。1.4.3抗湿性能测试抗湿性采用Y(B)813织物沾水度测定仪,参照国家标准GB/T4745—1997《纺织织物表面抗湿性测定沾水试验》进行测定。把试样安装在卡环上并与水平成45°角放置,试样中心位于喷嘴下面规定的距离,用规定体积的蒸馏水或去离子水喷淋试样。通过试样外观与评定标准及图片的比较,来确定其沾水等级。1.4.4织物厚度的测量根据标准GB/T3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》选用YG(B)141D型织物厚度仪测量织物的厚度。将被测织物在不受张力的情况下放置在基准板上进行测量,测试时选取任意不同的10个位置,分别在厚度仪上测量厚度,然后求平均值即为该膜的厚度。1.4.5透气性能测试根据标准GB/T5453—1997《纺织品织物透气性的测定》选用YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪测量织物的透气性,织物两侧压差为100Pa,测试面积为20cm1.4.6肌力测试(1)拉伸性能试验采用YG065型电子织物强力仪,参照标准GB13022—1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》对膜进行测试,膜厚度为0.012~0.047mm,规格为25mm×200mm,隔距为100mm,拉伸速率为50mm/min;参照标准GB/T3923.1—1997《纺织品织物拉伸性能第1部分》对所制得的防水透气织物进行测试,织物厚度为0.112~0.147mm,规格为50mm×350mm,隔距为200mm,拉伸速率为100mm/min。(2)剥离压力测试采用YG065型电子织物强力仪,参照标准GB/T8808—1988《软质复合塑料材料剥离试验方法》对膜进行测试,规格为15mm×200mm,拉伸速率为(300±50)mm/min。2结果与分析2.1纺丝液质量分数对pu纳米纤维膜微观结构的影响图1为不同溶剂配比时的聚氨酯纳米纤维膜电镜照片,DMF∶丙酮=8∶2时纺不出,此时纺丝液质量分数为12wt%。从图1可看出,随着丙酮添加量的减少,纤维直径变小,这是由于纤维成型过程中,丙酮迅速挥发,溶液浓度迅速增大。当丙酮量含量越少时,挥发得越少,溶液浓度越小,纤维直径越小。溶剂体积配比与纤维直径的关系如图3(a)所示,随丙酮添加量的减少而减小。当浓度过低时,未成纤的液滴喷射在接收基布上,产生珠状物,如图3(c)。同时,DMF极性大、沸点高、挥发性差,并且纤维在电场中的运动速度较快,溶剂在短时间内还来不及挥发就残留在纤维体内,从而在纤维未固化之前就被收集在接收板上,造成纤维间的相互黏结。图2为不同纺丝液浓度(10wt%~18wt%)时的静电纺PU纳米纤维膜的微观结构照片,此时纺丝液溶剂配比为DMF∶丙酮=4∶6。从图2(a)可以明显看出珠状物,这是因为当溶液质量分数为10wt%,纺丝液浓度过低,溶液黏度和表面张力过小,静电纺丝时泰勒锥易破裂而形成珠状物。从图2可以看出,随着溶液质量分数的增大,溶液黏度和表面张力随之增大,而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张力增大而减弱,因此纤维的直径也增大。纺丝液质量分数与纤维直径的关系如图3(b)所示,随溶液质量分数的增加而逐渐增大。实验发现,当纺丝液质量分数为12wt%时静电纺丝状态稳定,所制备的纳米纤维膜较佳,制得的纳米纤维直径随溶液质量分数的不同分布在400~1700nm之间。2.2聚氨酯纤维膜的接触角图4(a)为不同溶剂配比时膜的接触角值,图4(b)为不同纺丝液浓度时膜的接触角值。根据Laplace方程从原理上进行分析,织物的防水性能主要由织物的表面结构和微孔半径所决定。微孔半径r越小,接触角θ越大,织物的防水性能越好。可看出聚氨酯纤维膜的接触角值分布在115°~123°之间,具有一定拒水作用。但当溶液浓度为10wt%时极小,因为由上述分析可知,该浓度过低,且纤维形貌较差。结合图1和图2考虑,PU纳米纤维膜的较优制备工艺为:纺丝液浓度为12wt%,溶剂配比为N,N-二甲基甲酰胺∶丙酮=4∶6。2.3喷胶工艺参数对涤纶布透气性能的影响图5为喷、涂胶后涤纶布与普通涤纶布的表面微观形貌图。从图5可以看出,涂胶后,涤纶布纱线间的空隙几乎全被覆盖住(图5(c)),相比之下,喷胶后,胶黏剂在涤纶布表面分布较均匀,且没有过多堵塞涤纶布纱线间的空隙(图5(b))。因此,喷胶后涤纶布的透气性与普通涤纶布的透气性应该相差不大,但要比涂胶后的好的多。透气性能测试结果与上述分析相一致,所以,本实验选取静电纺喷胶技术上胶。利用静电纺分别将不同浓度的胶黏剂喷到面积一样大的涤纶布上2min,测其透气性,图6为不同浓度时的透气性变化(未喷胶的涤纶布透气性为317.31mm/s)。可看出,各浓度透气性相差不大,由于25wt%时的胶黏剂浓度较低,喷时液滴较大,应舍弃。另外,将浓度30wt%,35wt%,40wt%的胶黏剂分别喷到面积一样大的涤纶布上2min,随即喷相同时间的PU膜,表1为不同浓度聚氨酯湿气固化胶的剥离强力。从表1可看出,浓度为40wt%的胶黏剂剥离状态最佳,粘度最好,因此选取浓度为40wt%(胶黏剂自身浓度)的聚氨酯胶黏剂。2.4纤维的透过率表2为聚氨酯纳米纤维膜与其复合织物的抗湿性能,可以看出,纺丝时间越长,膜的抗湿性越好。这是因为,随着纺丝时间的增加,膜厚度增大,垂直方向上阻隔液体穿透材料的纤维就越多,并且液体穿透材料的垂直路径也会越长,防水性能越好。但纺丝时间为20、30min时的防水性较差,这是由于纺丝时间较短,PU纳米膜较薄,均匀性难以控制所致。此外,复合织物的抗湿性与聚氨酯纳米膜的抗湿性相差不大,这是由于起防水作用的主要是膜,而涤纶机织物与膜相比表面存在较大的空隙,瞬间浸透,并且所喷聚氨酯湿气固化胶在涤纶织物表面呈点状或块状分布,不易连续成膜,对抗湿性影响较小。2.5复合织物的透气性PU纳米纤维膜及其复合织物的透气性能如图7所示。图7中显示,两种材料的透气性都是随纺丝时间的增加而减小。这主要是因为纺丝时间越长,材料越厚,透气率越小,其透气性也就越差。由于材料中的纤维是杂乱无序地排列着的,材料越厚,垂直方向上阻隔气体穿透材料的纤维就越多,并且气体穿透材料的垂直路径也会越长,越不易于透气。此外,还可看出,相同条件下,复合织物的透气性要比膜的透气性稍差,其原因在于普通涤纶布的透气性为317.30mm/s,因为涤纶机织物经纬纱交织后纱线间存在的孔隙较大,而PU纳米纤维膜的微孔直径较小,仅有微米级,与PU膜复合后,使得空气经过的路程变长,且机织物和PU膜有可能会将相互之间的空隙覆盖;另外由于胶黏剂的使用,会在起复合效果的同时,主要堵塞PU膜的空隙,因为PU膜为纳米级纤维膜,且静电纺胶黏剂尺寸为微米级。随着纺丝时间的增加,两者之间的透气性越接近,但纺丝时间为20min时的透气性偏大得多,这是由于纺丝时间较短,PU纳米纤维膜较薄,均匀性难以控制,但PU膜弹性较好,测透气性时,膜被拉伸,从而导致所测值较大。2.6聚氨酯纳米纤维膜的拉伸性能图8和图9分别为PU纳米纤维膜与其复合织物断裂强力、断裂伸长率图。图8(a)中显示,随着纺丝时间的增加,其横、纵向断裂强力也增加。但纺丝时间为20min时的PU膜断裂强力偏低,这是因为纺丝时间较短,膜较薄,均匀性也很难控制,又由于纤维膜是多孔网状结构,所以膜很容易断裂,强力较低,从而导致此时的断裂伸长率偏低(图9(a))。随着纺丝时间的增加,纤维膜越厚,厚薄不匀的现象越不明显,从而断裂强力和断裂伸长率都随纺丝时间的增加有所增加。由于PU膜的主要成分为聚氨酯,具有很好的弹性,因此聚氨酯纳米纤维膜具有较好的断裂伸长率,如图9(a)。从图8(a)和图9(a)还可看出,PU膜纵向断裂强力和断裂伸长率变化与其横向变化趋势一致,但纵向值大于横向值,这是由于,纤维膜是沿纵向喷丝制得,纤维沿纵向排列,而横向则依靠纤维间的横向联系,因此,PU膜纵向断裂强力和断裂伸长率都偏大。图8(b)和图9(b)分别为相关复合织物的横、纵向断裂强力和断裂伸长率。涤纶布横、纵向断裂强力分别为312.00、477.75N,横、纵向断裂伸长率分别为22.09%、21.66%,可见拉伸断裂强力远大于PU膜的拉伸断裂强力,但断裂伸长率远比PU膜的断裂伸长率要小。其原因在于PU膜有很好的弹性,而涤纶机织物具有很高的强力。因此,与膜相比,复合织物的横、纵向断裂强力分别都有了很大的提高,比涤纶布的断裂强力要高些,但断裂伸长率和涤纶布相差不大,这说明PU膜的复合对复合织物的断裂强力有一定贡献,但对断裂伸长率没有很大的影响。另一方面,因为膜和涤纶布的纵向断裂强力值大于横向值,因此,复合织物在对应时间的纵向断裂强力值大于横向值。随着纺丝时间的增加,复合织物的断裂强力呈稳定增长的趋势,这可由上述分析所得,但横向断裂伸长率比纵向大,其主要原因在于纺丝时间的增加可以使织物复合变得更为紧密,但也容易造成纤维在织物表面分布不均匀的现象。3固化聚氨酯胶黏剂(1)获得较优PU纳米纤