粘合剂对纳米纤维膜复合织物性能的影响

夏　鑫，曹梦佳，陈　玲

（新疆大学纺织与服装学院，乌鲁木齐　830046）

粘合剂对纳米纤维膜复合织物性能的影响

夏鑫，曹梦佳，陈玲

（新疆大学纺织与服装学院，乌鲁木齐830046）

为提高纳米纤维复合织物的服用性能及界面结合性能，利用等离子体技术对相变/PAN纳米纤维膜进行预处理，通过动态接触角测试确定了最佳等离子体处理条件；重点研究了织物复合时低温热熔网膜胶、纤维丝胶和气凝胶3种不同特性的粘合剂对复合织物的保温性、透气透湿性及力学性能的影响.结果表明：等离子体处理相变/PAN纳米纤维膜的最佳参数为功率120 W，处理速率80 mm/s；使用气凝胶粘合的复合织物保温性能最佳，传热系数12.37 W/（m2·℃），降温系数39.26%，克罗值0.521（0.155℃m2/W）；低温热熔网膜胶粘合的复合织物表现出较高的透气性、透湿性效果及界面结合性能，透气率11.42 mm/s，透湿量17 010.2 g/（m2·d），剥离强力53.75 cN；粘合剂在织物界面的形貌结构和分布状态是复合织物性能的关键影响因素.

粘合剂；纳米复合织物；保温性；透气性；透湿性；界面结合

随着纺织行业的不断发展以及人们对纺织品综合性能要求的不断提升，多功能复合织物无疑将在织物发展中占据一席之地［1］.其中，近些年来国内外普遍关注的静电纺丝纳米纤维在纺织中的应用也在不断增多，特别是将纳米纤维与传统织物相结合应用于功能纺织品及特种防护纺织品的报道屡见不鲜［2-4］.

在功能性纺织品的发展中，使用相变材料制备自调温纺织品是一种利用材料的相变温度转化而起到温度调节作用的节能环保的新型课题［5-7］.在该领域的研究中发现，使用纳米纤维作为脂肪酸类相变材料的支撑材料，制备相变纳米纤维并与传统织物复合，能够充分利用纳米纤维质轻、相变材料储存稳定的优势，与传统织物穿着舒适性好的特点相结合，可开发出新型纳米自调温复合织物［8-9］.但此类复合织物因由纳米纤维与普通织物组成，其两种材料在穿着舒适性、力学性能及界面结合性方面存在诸多问题需要解决.

本文在前期研究基础上，对相变纳米纤维复合织物进行服用性能、力学性能以及界面结合性能的改善.首先对相变/PAN纳米纤维膜进行最佳等离子体处理，以改善其表面形貌结构，再分别使用低温热熔网膜胶、纤维丝胶和气凝胶作为粘合剂，对织物与相变/ PAN纳米纤维膜进行三明治结构复合，研究粘合剂的不同对其性能的影响.其中，低温热熔网膜胶无色无味，不含溶剂无污染，具有耐高温、耐水洗等优点，有利于两种材料之间贴合的水平和完整；纤维丝胶熔点明显低于常规纤维，可优良地粘结其它纤维且不影响后续织物的透气性；气凝胶无毒，具有较大的比表面积和高孔隙率，具有延时粘合以及增稠、触变和补强作用.通过比较由3种粘合剂复合的织物在保温性、透气透湿性及力学性能方面的差异，探究适用于纳米纤维复合织物的粘合剂并剖析其原因，为开发新型纳米纤维功能性复合织物提供一定的理论及实践基础.

1　实验部分

1.1实验材料与设备

所用实验材料包括：聚丙烯腈（PAN），Mw= 50～60 ku，浙江上虞吴越经贸有限公司产品；棕榈酸（PA），上海山浦化工有限公司产品；硬脂酸（SA），天津市致远化学试剂有限公司产品；癸酸（CA），阿拉丁试剂上海有限公司产品；N，N二甲基甲酰胺（DMF），分析纯，天津市永晟精细化工有限公司产品；低温热熔网膜胶（pes网膜），上海安劳实业有限公司产品；纤维丝胶（热熔丝），广东市崇光贸易有限公司产品；SUPER77气凝胶，美国3M公司产品.

所用设备包括：Atomflo 400型射频等离子体设备，美国Surfx Technologies LLC公司产品；OCAl5EC型光学接触角测量仪，德国Dataphysics公司产品；S4800型场发射扫描电子显微镜，日本Hitachi公司产品；YG（B）606D型平板式保温仪，YG（B）026PC型电子织物强力机，YG（B）008E型电子单纤维强力机，YG（B）461E型数字式织物透气性能测定仪，温州大荣纺织标准仪器厂产品；YG601型电脑式透湿测试仪，宁波纺织仪器厂产品.

1.2相变/PAN纳米纤维膜的制备及预处理

配制以DMF为溶剂，质量分数为12%的PAN静电纺丝液，并在纺丝液中加入PA、SA和CA的混合相变材料（质量比为14.7∶6∶79.3），60℃下磁力搅拌24 h至充分溶解.静电纺丝参数为：电压18 kV，溶液推进速度为1.0 mL/h，滚筒接收距离20 cm，转速为1 200 r/min.通过控制相同的纺丝时间（12 h）以确定不同样品中具有相同厚度的纤维膜.

采用Atomflo 400型射频等离子体设备对相变/ PAN纳米纤维膜进行离子体处理.工作条件为：氦气（He）为工作气体，氧气（O2）为反应气体，且He/O2流量为35/0.4 L/min，处理功率分别为100 W与120 W，处理速率为80、90、100 mm/s，处理时间均为15 s.

1.3织物复合

在最佳等离子体处理条件下对相变/PAN纳米纤维进行处理后，进行相变/PAN纳米纤维膜复合织物的制备.以粘胶织物作为内层，相变/PAN纳米纤维膜作为中间层以及羊毛织物作为外层，裁剪各样品大小为20 cm×20 cm，分别选用低温热熔网膜胶、纤维丝胶和SUPER77气凝胶通过热压或喷涂以三明治形式进行复合，从而获得粘胶/相变/PAN纳米纤维膜/羊毛复合织物.为方便描述，本文分别以使用的粘合剂名称作为不同种复合织物的简称.

1.4性能表征与测试

（1）纳米纤维膜性能表征：根据国标GB/T 30447-2013《纳米薄膜接触角测量方法》，使用OCAl5EC型光学接触角测量仪对处理前后相变/PAN纳米纤维膜的动态接触角进行测试，从而确定等离子体处理的最佳参数.采用S4800型场发射扫描电子显微镜对等离子体处理前后的纳米纤维膜表面形貌进行对比观察，观察前对表面进行喷金处理以提高其导电性.

（2）复合织物的服用性能测试：依据国标GB/ T11048-2008标准，采用YG（B）606D型平板式保温仪对复合织物进行保温性能测试，每个样品测试3次，求平均获得最终测试值；依据国标GB/T 5453-1997标准选用YG（B）461E型数字式织物透气性能测定仪测试复合织物的透气性能，3种试样的面积均为20.00 cm2，喷嘴号均为1号，试样压差分别为200 Pa 和300 Pa，每个样品测试3次，求平均获得最终测试值；依据国标GB/T12704.2-2009标准，采用YG601型电脑式透湿测试仪对复合织物进行透湿性能测试，试验条件为温度（38±2）℃、相对湿度90%±2%.每个样品测试3次，求平均获得最终测试值.

（3）复合织物的力学性能测试：依据国标GB 3923.1-1997标准，采用YG（B）026PC型电子织物强力机对复合织物进行拉伸强力测试，主要测试参数为夹持距离120 mm、试样宽度30 mm、预加张力200 cN、牵伸速率100 mm/min，每个样品测试3次，求平均获得最终测试值；采用YG（B）008E型电子单纤维强力机对复合织物进行剥离强力测试，主要测试参数为量程100 cN、试样宽度10 mm，预加张力0.2 cN、夹距10 mm，速率100 mm/min，每个样品测试3次，求平均获得最终测试值.

2 　结果与讨论

2.1相变/PAN纳米纤维膜表面动态接触角分析

为提高粘合剂对纳米纤维与织物的结合性，使用常压射频等离子技术对相变/PAN纳米纤维膜进行预处理.当等离子处理工作气体为氧气时，其对材料处理后的最直接表现为改善其亲水性.本文并采用Wilhelmy吊片法测量织物与液体间的动态接触角，通过测定液体对固体的拉力或推力即润湿力的方式从而间接测定接触角.通常在纤维膜实际表面润湿过程中会产生一定的触角滞后，即接触角滞后：

式中：θA为前进角；θR为后退角.其反映了液体从固体表面滚落的难易程度.接触角滞后越小，水滴越不易从织物表面滚落，由此确定最佳等离子体处理条件［10］.

表1所示为样品在不同处理功率（100、200 W）、不同处理速度（80、90、100 mm/s）条件下的动态接触角.

表1　样品动态接触角测试结果Tab.1　Test results of dynamic contact angles

需要特别说明的是，由于相变/PAN纳米纤维膜所表现出的亲水及吸湿性，在测试过程中与测试水接触后会立刻浸湿，导致所测得的动态接触角中的后退角多数表现为0°，这一现象与纳米纤维特殊的结构排列、比表面积大等特点有关［11-12］.因此，本文采用前进角作为其亲水性能的评价指标.由表1可知，等离子体处理功率与处理速度均影响着纳米纤维膜的亲水性.当使用100 W功率时，随着处理速度的变化，前进角呈现先下降后上升的趋势；而使用120 W功率时，随着处理速度的加快，前进角反而呈现上升趋势，这是由于在大功率条件下，瞬间速度的等离子处理反而会破坏纳米纤维的表面形貌［13-14］.但通过整体前进角的变化趋势可知，120 W的处理效果均优于100 W，特别是当处理速率为80 mm/s时，前进角为35.89°.因此，确定120 W、80 mm/s为相变/PAN纳米纤维膜的最佳等离子体处理参数.

2.2相变/PAN纳米纤维膜的表面形貌分析

利用扫描电镜观察了等离子体处理（120 W、80 mm/ s）前后纤维膜的表面形貌变化，如图1所示.

图1　相变/PAN纳米纤维膜的SEM图Fig.1　SEM of phase change/PAN nanofiber membrane

由图1可以看出，未经等离子体处理的样品表面比较光滑，当等离子体处理后，样品表面出现明显刻蚀的凹凸不平状，这样的形貌会使纤维表面摩擦力增大，有利于与织物的复合.

2.3复合织物的保温性能分析

不同特点的粘合剂在进行织物与纳米纤维膜复合时表现出了不同的复合效果.复合织物中因有相变/ PAN纳米纤维膜的加入，其中的相变材料具有自调温作用［15-16］，对复合织物的保温性能起到了决定性的影响.表2所示为复合织物的保温性能测试值.

表2　复合织物的保温性能Tab.2　Heat preservation performance of composite fabrics

克罗值和保温系数越大、传热系数越低，说明织物的保温性能越好［17］.由表2可以看出，气凝胶复合织物具有最好的保温性能，这是由于气凝胶在受到挤压后，可脱去大部分溶剂，凝胶中溶剂含量减少并且增加了结构中所含的气体，性质发生改变而使外表呈固体状，阻挡了热量的传递，故具有良好的保温性能［18］.

2.4复合织物的透气和透湿性能分析

透气性是指织物透过空气的能力，其中织物的组织结构是影响织物透气性的一个重要物理因素.而织物的透湿性主要和水汽通过织物的传递途径有关，其中包括孔隙的扩散和纤维自身吸湿两种.3种不同粘合剂复合织物的透气、透湿性能如表3所示.

表3　复合织物的透气透湿性能Tab.3　Air permeability and water vapor transmission performance of composite fabrics

当采用相同结构参数的织物、纳米纤维膜以及相同等离子体处理条件时，不同粘合剂在界面间的存在形式就成为了影响复合织物透气透湿性能的主要影响因素.由表3可知，低温热熔网膜胶复合织物的透气透湿性最佳，其次是纤维丝胶和气凝胶复合织物.分析其原因可归结为：

（1）粘合剂在界面间的形态分布如图2所示，3种不同粘合剂在纳米纤维膜上呈现了不同的结构分布.低温热熔网膜胶均匀分散在纤维间（图2（a）），其网格状分布对复合织物的覆盖面积小，因而对空气及水蒸气的透过率影响较小；而纤维丝以纤维状存在，虽然对传统织物的组织结构没有影响，但当用于纳米纤维膜与织物复合时，在纳米纤维膜上则体现出局部较大面积的覆盖（图2（b））；气凝胶虽具有粘合剂中透气性高的优势，但以喷涂的方法用于纳米纤维膜和织物的复合时，在其脱溶剂后外表呈固体状会影响纳米纤维织物的透气透湿性.

图2　相变/PAN纳米纤维的SEM图Fig.2　SEM of phase change/PAN nanofiber membrane

（2）复合时所采用的粘合温度.就粘合温度而言，粘合温度越高，其熔融指数大，热流动性好，对织物的浸润和扩散性好，同时嵌入纤维空隙之间和扩散到纤维内部的胶体微粒会增加，纤维间空隙减少，因而也会造成空气或水蒸气不易通透，透气透湿量减少.因此，3种粘合胶中气凝胶是在常温下进行粘合的，受该因素影响最小；低温热熔网膜胶采用低温粘合，因此未使纤维膜发生较为明显的破坏，对复合织物透气透湿性影响较小.

综上所述，粘合剂在界面尤其是在纳米纤维上的分布状态是影响复合织物透气透湿性能的主要因素；而对于粘合温度，因在选择粘合剂时已经考虑到粘合温度对其服用性能的影响，因此所选取的3种粘合剂温度均较低，通过透气透湿数据也验证了该因素对纳米复合织物透气透湿性能的影响较小.

2.5复合织物的力学性能分析

表4所示为以不同粘合剂制备的复合织物的力学性能测试数据.

表4　复合织物的力学性能Tab.4　Mechanical properties of composite fabrics

由表4可知，气凝胶复合织物表现出最强的断裂强力，其原因可能与气凝胶的粘合方式有关，当其以喷涂的形式分散在织物与纳米纤维膜界面时，会使纱线及纤维膜形成交联状粘合，有利于减少织物上的力学弱点而提高断裂强力［13］；使用纤维丝粘合剂的复合织物伸长率最大，这与纤维状材料轴向长径比大的优势密切相关；使用低温热熔网膜胶的复合织物的界面结合牢度最好，有利于进行纳米纤维膜与织物的复合.

3 结论

通过使用等离子体处理方法及选择不同种粘合剂制备羊毛/相变/PAN纳米纤维膜/粘胶复合织物，考察其保温性、透气透湿性及界面结合牢度，得出以下结论：

（1）相变/PAN纳米纤维膜的最佳等离子体处理参数为功率120 W，处理速率80 mm/s，其前进角为35.89°，处理后的纳米纤维表面呈现明显的刻蚀.

（2）气凝胶粘合的复合织物保温性能最佳，保温系数为39.26%，低温热熔网膜胶粘合的复合织物透气性透湿性效果及界面结合性能最佳，其透气率为11.42mm/ s，透湿量为17 010.2 g/（m2·d），剥离强力为53.75 cN.

（3）当复合织物的材料结构及等离子体处理条件相同的情况下，粘合剂在复合织物界面的形貌结构、分布状态以及粘合温度均会影响纳米纤维膜与织物复合的性能，其中形貌结构是复合织物透气透湿性能的关键影响因素.

［1］刘理璋，赵莹，廖晓华，等.功能纺织品 ［J］.染整技术，2013，35（1）：7-11. LIU L Z，ZHAO Y，LIAO X H，et al.Functional textiles［J］. Dyeing and Finishing，2013，35（1）：7-11（in Chinese）.

［2］李岩，仇天宝，周治南，等.静电纺纳米纤维膜的应用进展［J］.材料导报，2011，25（9）：84-88. LI Y，QIU T B，ZHOU Z N，et al.Application development of electrospun nanofibers［J］.Materials Reviews，2011，25（9）：84-88（in Chinese）.

［3］马丽婵，王娇娜，李从举.静电纺载银PVDF纳米纤维膜的制备及其在层压织物中的应用［J］.化工新型材料，2015，43 （11）：226-228. MA L C，WANG J N，LI C J.Preparation of PVDF nanofiber membrane loading with nanosilver by electropining and its application in laminated fabric［J］.New Chemical Meterials，2015，43（11）：226-228（in Chinese）.

［4］张富丽.相变材料及其在纺织品上的应用 ［J］.上海纺织科技，2003，31（1）：8-10. ZHANG F L.Application of phase change materials in textiles ［J］.Shanghai Textile Technology，2003，31（1）：8-10（in Chinese）.

［5］展义臻，朱平，赵雪，等.相变调温纺织品的应用现状［J］.染整技术，2007，29（7）：5-11. ZHAN Y Z，ZHU P，ZHAO X，et al.The application of temperature regulating textile using phase-changing material［J］. Dyeing and Finishing，2007，29（7）：5-11（in Chinese）.

［6］SARI A，BICER A，KARAIPEKLI A，et al.Synthesis，thermal energy storage properties and thermal reliability of some fattyacidesters with glycerol as novel solid-liquid phase change materials［J］.Solar Energy Materials&Solar Cells，2010，94：1711-1715.

［7］MOHAMMED M，FARID A M，KHUDHAIR L，et al．A review on phase change energy storage：Materials and applications［J］. Energy Conversion Management，2004，45：1597-1615．

［8］李群华，丁盛.相变纳米纤维/织物复合材料制备与保温性分析［J］.上海纺织科技，2015，43（4）：21-23. LI Q H，DING S.Preparation and heat preserved property of phase change nanofiber/woven fabric composite material［J］. Shanghai Textile Technology，2015，43（4）：21-23（in Chinese）.

［9］CAI Y B，KE H Z，LIN L，et al.Preparation，morphology and thermal properties of electrospun fatty acid eutectics/polyethylene terephthalate form-stable phase change ultrafine composite fibers for thermal energy storage［J］.Energy Conversion and Management，2012，64：245-255.

［10］王晓东，彭晓峰，陆建峰，等.接触角测试技术及粗糙表面上接触角的滞后性（I）：接触角测试技术［J］.应用基础与工程科学学报，2003，11（2）：174-184. WANG X D，PENG X F，LU J F，et al.Measuring technique of contact angle and contact angle hysteresis on rough solid surfaces（I）：Measuring technique of contact angle［J］.Journal of Basic Science and Engineering，2003，11（2）：174-184（in Chinese）.

［11］周明，费燕娜，杨瑞华，等.PAN/CA复合纳米纤维膜的制备及性能表征［J］.化工新型材料，2011，39（3）：76-78. ZHOU M，FEI Y N，YANG R H，et al.Preparation and characterization of PAN/CA composite nanofibers membrane［J］. New Chemical Meterials，2011，39（3）：76-78（in Chinese）.

［12］YOON Y，MOON H S，LYOO W S，et al.Super hydrophobicity of cellulose triacetate fibrous mats produced by electrospinning and plasma treatment［J］.Carbohydrate Polymers，2009，75：246-250.

［13］WEI Q F，LIU Y，HOU D Y，et al.Dynamic wetting behavior of plasma treated PET fibers［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，194：89-92.

［14］黄锋林，魏取福，徐文正，等.离子体处理对丙纶纤维表面接触角的影响［J］.纺织学报，2006，27（2）：65-67. HUANG F L，WEI Q F，XU W Z，et al.Influence of plasma treatment on contact angles of PP fibers［J］.Journal of Textile Research，2006，27（2）：65-67（in Chinese）.

［15］曾轶.面向储能应用的纳米复合相变材料固液相变传热特性试验研究［D］.杭州：浙江大学，2014. ZENG Y.An experimental study of solid-liquid phase change heat transfer of nanocomposite phase change materials toward thermalenergystorage［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2014 （in Chinese）.

［16］CAI Y B，GAO C T，XU X L，et al.Electrospun ultrafine composite fibers consisting of lauric acid and polyamide 6 as formstable phase change materials for storage and retrieval of solar thermal energy［J］.Solar Energy Materials&Solar Cells，2012，103：53-61.

［17］董雪，邢铁玲，盛家镛，等.棉织物的丝胶涂层整理及其性质［J］.纺织学报，2014，35（11）：112-117. DONG X，XING T L，SHENG J Y，et al.Study on sericin coated finishing of cotton fabric and its properties［J］.Journal of Textile Research，2014，35（11）：112-117（in Chinese）.

［18］贺香梅，徐壁，蔡再生.SiO2气凝胶隔热涂层织物的制备及其性能研究［J］.表面技术，2014，43（3）：95-100. HE X M，XU B，CAI Z S.Preparation of silica aerogel coated fabric and studies of its performance［J］.Surface Technology，2014，43（3）：95-100（in Chinese）.

Effects of binders on properties of composite fabrics with nanofibers

XIA Xin，CAO Meng-jia，CHEN Ling
（College of Textiles and Clothing，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

In order to improve the properties of wearability and the quality of interface adhesion of composite fabric with nanofibers，plasma treatment was used as preprocess，and the optimal parameter of plasma treatment was decided by the dynamic contact angle test.It was carefully studied the effects of three different binders i.e.melting adhesive film using low temperature，fibrous binder and aerogel on the heat preservation property，the air permeability and water vapor permeability，as well as the mechanical property of composite fabrics.The results showed that the optimal parameter of plasma treatment is power 120 W and treating speed 80 mm/s；the best heat preservation property was obtained by using aerogel as the binder，and the heat transfer coefficient of composite fabric is 12.37 w/（m2·℃），the thermal insulation coefficient is 39.26%，and CLO value is 0.521（0.155℃m2/W）；the excellent air permeability and water vapor permeability properties and the high quality of interface adhesion of composite fabric were obtained by using melting adhesive film，and the air permeability rate of composite fabric is 11.42 mm/s，water vapor permeability 17 010.2 g/（m2·d），and the peeling strength 53.75 cN；what′s more，it is discovered that the morphologic structure and distribution of the binder in the interface are the main influence factors on the properties of composite fabric.

binder；composite fabric with nanofibers；heat preservation property；air permeability；water vapor permeability；interface adhesion

TS101.8

A

1671-024（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.001