聚偏氟乙烯/聚氨酯纤维膜的制备及其防水透湿性能研究

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防水透湿功能织物是一种同时具有良好防水性和透湿性的新型功能服装织物。它可以在许多恶劣气候环境条件下,保护人体不受到狂风暴雨的影响并能够及时的向外部环境传输水蒸气;同时在医疗化工行业中,它还可以阻隔液体试剂与人体的直接接触,避免可能对人体造成的感染或伤害。近些年来,市场上对防水透湿面料的需求与日俱增,它的应用领域也不单是在军需用品和专业化的医疗防护用品领域发展,也正迅速扩张到户外休闲运动服装及装备领域。2012年,美国户外运动面料市场达500亿美元,而中国市场仅为23亿美元,但年增长率在40%以上,预计2020年中国市场将超过100亿美元。目前国内市场上的防水透湿织物虽一片蓬勃发展景象但普遍存在性能低端的问题,主要分为两种状况:一种是有着优异的阻水性但透湿性较差,另一种是透湿性良好但防水性能差强人意。这主要是因为织物材料本身没有将防水性和透湿性两者做到较好的平衡调控,这促使其在高端领域上的发展受到限制。而国外防水透湿面料市场已臻于成熟,GORE公司作为全球防水透湿面料的领军企业,它独有的防水性和透湿性俱佳的功能膜材料使其一直占据此类服装高端市场数十年。因此,开发出一种具有良好防水性同时兼备高透湿水平的功能性服装面料具有不容小觑的实际应用意义和价值。静电纺丝技术是近些年新兴发展起来的一种用来制备直径范围在几十个纳米到几个微米之间纤维的技术。在制备的过程中,纤维往往沉积堆叠产生一种三维网状结构。此类结构通常具备低孔径、高孔隙率的特点,因此可以在服装内外侧存在湿度差的情况下为水蒸气的传递提供运输通道,而材料表面多级的无规则的微孔结构可以阻拦液态水滴的通过。故将此技术应用到防水透湿功能膜的制备上具有实际可操作性。聚偏氟乙烯(PVDF)材料具有良好的疏水性、耐酸耐碱性。本文首先使用静电纺丝技术制备不同浓度(14、16、18、和20%)的聚偏氟乙烯纤维膜,观察了静电纺丝溶液组成对聚偏氟乙烯纤维膜的形貌、表面润湿性、力学性能以及防水透湿性的影响。此后为了提高聚偏氟乙烯聚合物的可纺性,在电纺溶液中适量加入了电解质氯化锂(LiCl),制备出了直径更细的PVDF纳米纤维。加盐量为0.010%时,制得的聚偏氟乙烯防水透湿纤维膜的耐水压为36.0kPa,透湿量为5965g/m2/d(ASTM正杯蒸发法测试),强度为12.2MPa,膜表面疏水角为135°,但纤维膜断裂伸长率不高,仅有34%,并表现出较高的初始模量。同时,防水透湿功能织物作为主要的户外运动服装之一,其服装的运动特性往往要求材料本身应具有良好的材料韧性和力学伸展性,因此还需对上述纤维膜进行改性。聚氨酯(PU)材料因其优异的力学高弹性、耐磨性和耐水解性著称,故在原有的聚偏氟乙烯电纺溶液基础上,适量地在溶液配方中引入了聚氨酯电纺溶液体系,使其与聚偏氟乙烯电纺溶液共同经过电纺过程,制备出了聚偏氟乙烯/聚氨酯复合纤维膜。研究中着重考察了两种溶液不同配比时复合纤维膜的性能特征,并根据生产需求研究了纤维膜的制备效率,最终确定两种电纺溶液体系的针管比例为4/1。此时复合纤维膜不仅强度提高到了13.7MPa;断裂伸长率更是增加了一倍,达到60%;而且透湿量也上升到了6653g/m2/d的较高水平,据文献了解GORE-Tex面料中性能优异的XCR材料的透湿量为7513g/m2/d,而普通的GORE-Tex材料的透湿量仅为5674g/m2/d。最后,为了进一步提升复合纤维膜的性能,在使用上述溶液配方前提下,探索了不同纺丝电压下纤维的形貌结构变化以及其防水性、透湿性、表面润湿性和力学性能的影响变化。结果表明:50kV下此种电纺复合纤维膜的性能得到了进一步的提升。膜材料的耐水压为44.6kPa,透湿量为6573g/m2/d,强度为16.2MPa,断裂伸长率为70%以及表面疏水角度为148°。所以综上所述,通过对静电纺丝的溶液配方调整以及工艺参数的调控可以制备出具有优异防水透湿功能的纤维膜材料。
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