超疏水排气膜的制备和性能分析

王 洪 朱雅琴 杨静雨

东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

超疏水排气膜的制备和性能分析

王 洪 朱雅琴 杨静雨

东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

通过配置3种不同成分的溶液制备3种排气膜，测试排气膜的透气性、阻水性和接触角等性能。结果发现：N, N -二甲基乙酰胺(DMAC)、N, N -二甲基甲酰胺(DMF)和N -甲基吡洛烷酮(NMP)对所得排气膜的透气性和阻水性有不同的影响。由DMAC和NMP配置的溶液制得排气膜的阻水性优良，但透气性较差；由DMF配置的溶液制得排气膜的透气性相当高，但阻水性大大下降。

超疏水， 排气膜， 透气， 阻水， 接触角

近年来，纺织品的功能性在不断提高，并越来越多样化。具有超疏水性能的纺织材料，因在防水、防污、自清洁、抑菌等领域的应用和诱人前景，引起了国内外研究者的极大关注。所谓超疏水表面，一般是指与水的静态接触角大于150.0°、滚动角小于10.0°的表面。超疏水织物因优异的抗黏结、自清洁和防污等特殊的表面性能，深受消费者的青睐，其可广泛应用在防雪/防雨/防污户外服、潜水衣、室内装饰织物、野营帐篷、军用作战服、工业用防水布、农用纺织品及医药卫生用纺织品等方面[1]。因此，有关人工制备仿生超疏水织物的基础和应用研究具有十分重要的理论和现实意义，其已成为近年来的一个热点课题。

精密输液过滤器上安装有一层空气膜(即输液排气膜)，它能在输液初期辅助排除输液管中的气泡，在输液过程中使外界空气进入输液瓶，从而确保足够的输液速度。也就是说，该膜在防止药液渗漏的同时又能让空气顺利通过。这便对材料的孔隙率和防水效果提出了更高的要求。西欧等国家已成功研制并生产出以尼龙非织造布为基布的输液排气膜，但我国因相关研究匮乏，大部分的排气膜主要依靠进口。目前，国内一些企业正在尝试通过以非织造布为基布，再加以涂层来控制输液排气膜表面孔径及疏水效果，但仅依靠涂覆低表面能物质是达不到超疏水效果的。因为，根据超疏水理论，超疏水表面需满足2个条件：一是表面粗糙的结构；二是较低的表面能[2-3]。所以，超疏水表面的构筑可通过2条 途径来实现:一是直接在疏水性材料表面构筑微观粗糙结构；二是对微观粗糙结构进行低表面能物质修饰。因此，有必要对输液排气膜进行表面粗糙化整理。且随着我国经济的发展和消费水平的提高，开发和应用超疏水排气膜已成必然之势[4-5]。

本课题旨在非织造布的基础上，选择合适的工艺对非织造布表面进行超疏水整理，并对其疏水及其他相关性能进行研究，探索最优工艺路线，以期为产品的工业化生产提供参考。

1 试验准备

1.1 试验原料

N, N -二甲基乙酰胺(DMAC)，江苏永华精细化学品有限公司；N -甲基吡洛烷酮(NMP)，昆山晶科微电子材料有限公司；聚氯乙烯，上海氯碱化工股份有限公司；聚乙烯醇，东京化成工业株式会社；异丙醇、四氢呋喃、N, N -二甲基甲酰胺(DMF)，永华科技有限公司；腈纶，上海石化腈纶事业部；尼龙非织造布基布，面密度为69 g/m2、厚度为0.185 mm。

1.2 仪器和设备

试剂瓶、玻璃棒、搅拌器、烘箱、分析天平、试管等。

1.3 溶液配制及成膜

1.3.1 溶液1的配置

(1) 将40 mL DMAC和40 mL NMP倒入烧杯中，加入磁子，利用磁力搅拌器搅拌均匀。利用分析天平称取0.75 g腈纶，并将腈纶分批加入DMAC和NMP的混合溶液中，继续搅拌至腈纶完全溶解。

(2) 称取聚氯乙烯14.25 g，加入上述溶液中，搅拌至完全溶解。

(3) 量取聚乙烯醇10 mL，加入上述溶液中，搅拌至完全溶解。

(4) 量取异丙醇16 mL，加入上述溶液中，搅拌至完全溶解，即得溶液1。

1.3.2 溶液2的配置

在溶液1的基础上，进一步加入10.00 g四氢呋喃，搅拌均匀，即得溶液2。

1.3.3 溶液3的配置

(1) 将80 mL DMF倒入烧杯中，加入磁子，利用磁力搅拌器搅拌均匀。称取0.75 g腈纶，将腈纶分批加入到DMF的溶液中，继续搅拌至腈纶完全溶解。

(2) 称取聚氯乙烯14.25 g，加入上述溶液中，搅拌至完全溶解。

(3) 量取聚乙烯醇10 mL，加入上述溶液中，搅拌至完全溶解。

(4) 量取异丙醇16 mL，加入上述溶液中，搅拌至完全溶解，即得溶液3。

所得溶液3静置后有较明显的分层现象。

1.3.4 成膜

取3块长条尼龙非织造布基布，沿着一端分别逐渐浸渍到制得的3种溶液中；然后从夹紧的2根玻璃棒中拉出尼龙非织造布基布，使溶液均匀地涂覆在尼龙非织造布基布表面；将尼龙非织造布基布在空气中静置30 s，然后放入冷水中静置20 min，取出，放入85 ℃烘箱中烘干。所得排气膜试样编号归纳于表1。

表1 试样编号一览表

2 性能测试

2.1 透气性

每种试样各取6块，在其上端和下端各打1个圆形孔，制得圆形试样。将圆形试样安装到同等尺寸的过滤器内，然后装在透气测试装置上。调整压力值为10 kPa，读出刻度表上的数值，即得试样的透气率。

2.2 阻水性

每种试样各取6块，在其上端和下端各打1个圆形孔，制得圆形试样。将圆形试样安装到同等尺寸的过滤器内，然后将过滤器的一端与充满水的注射器相连，另一端与阻水性测试仪器的塑料管相连。推动注射器直到圆形试样表面有水珠冒出，读取仪器刻度盘上的数值，即得试样的静水压。

2.3 接触角

采用OCA15EC光学接触角测定仪(德国Dataphysics公司)测量试样的接触角。按照ASTM D 5725-1999标准，将试样固定在OCA15EC光学接触角测试仪上，利用进样器吸入一定量的标准测试液体(3 uL)滴加到试样表面，调节焦距得到清晰图像，再通过图像软件读取数据。如此重复在试样不同位置选择5个点，所得结果的平均值即为试样与标准测试液体的接触角。

本文所用标准测试液体为去离子水，其表面张力为72.8 mN/m。

2.4 红外光谱

采用傅里叶红外光谱仪Nicolet 6700(美国Thermo Fisher公司)分析试样的表面成分。利用衰减全反射法(ATR)，直接将试样放到仪器上测定，扫描范围为4 000～500 cm-1。

3 结果与分析

3.1 透气性

3种试样的透气性如表2所示。

表2 试样的透气性

从表2可以发现：2#试样比1#试样的透气性能要好，而3#试样的透气性又明显优于1#和2#试样。从成膜液的成分角度分析，2#试样比1#试样的成膜液中多加入了四氢呋喃，说明四氢呋喃能够增加膜的孔隙率，提高膜的透气性；而3#试样的成膜液中的溶剂改成了DMF，其他成分都维持不变，而所得膜的透气性却大大提高，说明DMF溶剂更易形成高孔隙率的膜。

3.2 阻水性

3种试样的阻水性如表3所示。

表3 试样的阻水性

从表3可以看出:1#和2#试样的阻水效果明显高于3#试样。且从膜的外观角度分析：1#和2#试样的膜表面相对光滑平整、均匀，3#试样的膜表面相对粗糙并有白色颗粒物质。鉴于3#试样的透气性远高于1#和2#试样，故分析3#试样因孔径太大、孔隙率太高、透气性太好故其阻水性相应下降。

3.3 接触角

3种试样的接触角如表4所示。

表4 试样的接触角

通常，接触角小于90.0°的材料称为亲水材料，大于90.0°的材料称为疏水性材料。从表4可以看出:3种试样的接触角皆大于90.0°。其中，1#试样的接触角最大，这与其阻水性一致；3#试样的接触角大于2#试样，可能是由前者表面粗糙度较高所引起的。

3.4 红外光谱

基于3#试样的膜表面相对粗糙且有白色颗粒物质，与1#、2#试样的膜表面有较为不同的外观，猜测3#试样的膜的成分特殊，因此选取3#试样进行红外光谱分析，测试结果如图1所示。

图1 3#试样的红外光谱图

从图1可以看出：在2 240 cm-1附近出现了—CN特征吸收峰，说明3#试样的膜中含有聚丙腈成分；在690 cm-1附近出现了—C—Cl的特征吸收峰，说明3#试样的膜中含有PVC成分。由此可确定，3#试样的膜是PAN和PVC的共混物。

4 结论

本课题所研究的医用超疏水性排气膜具有高透气性和高疏水性的双重特点，通过3种试样的性能测试发现：1#和2#试样成膜效果较好，表面光滑，阻水性能高，但透气性平均只能维持在2 000 mL/min左右；3#试样的成膜效果相对较差，表面有颗粒物质，不利于工业化的生产，其透气性平均在5 000 mL/min以上，但阻水效果欠佳，究其原因在于溶液3在尼龙非织造布基布表面的成膜效果不好，导致形成的膜的结构不稳定，孔隙过多，故阻水效果降低，透气明显升高。

此外，溶液3静置后有明显的分层现象，原因与溶液3中对DMF的溶解不够有关，导致有少量溶质析出，故在膜表面形成了颗粒物。

[1] 王庆军，陈庆民. 超疏水膜表面构造及构造控制研究进展[J]. 高分子通报, 2005(2):63-69.

[2] 王琴琴.几种超疏水膜的制备与性能[D].兰州：西北师范大学，2012.

[3] 孙旭东，李广芬，张玉忠. 超疏水膜的研究进展[J].化工新型材料，2009，37(12):5-7.

[4] 张泓筠.超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用[D].湘潭：湘潭大学,2013.

[5] ZHANG Hongyun, LI Wen, FANG Guoping. A new model for thermodynamic analysis on wetting behavior of superhydrophobic surfaces [J]. Applied Surface Science, 2012, 258(7):2707-2716.

《产业用纺织品》征稿启事

《产业用纺织品》向国内外纺织领域及相关领域的各界人士诚征有关产业用纺织品和非织造布的各类稿件，尤其欢迎企事业单位经验丰富的专业人员踊跃投稿。

《产业用纺织品》由教育部主管，东华大学和全国产业用纺织品科技情报站主办，中国产业用纺织品行业协会协办。

《产业用纺织品》主要刊登国内外各种产业用纺织品和非织造布的综述,科研、生产技术的报告,国内外有关新产品、新材料、新技术、新设备的报道,有关专利、标准和测试方法的介绍,国内外有关的动态、市场信息和新闻简讯等。《产业用纺织品》努力成为纺织与冶金、化工、电子、医疗卫生、农林、水利、建材及国防工业各科研、生产和使用单位之间信息联络的纽带，促进我国产业用纺织品和非织造布研究、生产和应用的发展。

来稿应主题明确、逻辑严谨、层次清楚、文字精炼、数据可靠、图片清晰。来稿请标明作者和所在单位全称(中、英文)及其所在地名、邮编，并附中、英文的摘要、关键词，以及作者简介。详细地址、联系电话及电子信箱也请一并告知。

来稿请通过E-mail(techtex@dhu.edu.cn)发送至本编辑部。本编辑部收到来稿后3个月左右函复作者，在此审稿期间作者请勿另投他刊。来稿一经录用，作者须保证本刊发表的专有权，编辑部将向作者赠送当期期刊。

《产业用纺织品》已被中国学术期刊(网络版)、万方数据-数字化期刊群、中文科技期刊数据库(全文版)、超星期刊域出版平台等收录。如作者不同意文章被相关数据库等收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将作适当处理。

《产业用纺织品》编辑部

Preparation and performance analysis of super-hydrophobic exhaust membrane

WangHong,ZhuYaqin,YangJingyu

Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

Three kinds of exhaust membranes were obtained by using three solutions made of different ingredients to measure their properties, such as the gas permeability, the water retardance and the contact angle, etc. It was found that DMAC, DMF and NMP had different influences on the gas permeability and the water retardance of exhaust membranes. The exhaust membrane which was prepared by using the solution made of DMAC and NMP had excellent water retardance and low gas permeability, while the exhaust membrane prepared by using the solution made of DMF had higher gas permeability and lower water retardance.

super-hydrophobic, exhaust membrane，gas permeability, water retardance, contact angle

2016-05-23

王洪，女，1970年生，副教授，主要从事功能非织造材料的研发

TQ325.3

A

1004-7093(2017)03-0039-04