聚乳酸包覆相变材料复合织物的制备及其性能

姚鹏成， 夏 鑫

(新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046)

聚乳酸包覆相变材料复合织物的制备及其性能

姚鹏成， 夏 鑫

(新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046)

利用静电纺丝法制备聚乳酸(PLA)包覆相变材料的纳米纤维膜，为了改善其与普通织物间的复合牢度，首先对其进行等离子体处理，再同粘胶、羊毛织物进行复合，探讨了等离子体处理复合织物前后及各材料之间在保温、透气透湿、拉伸强力和剥离强力方面的差异。结果表明：等离子体处理前后粘胶/PLA/羊毛复合织物的透气性低于羊毛织物，处理前后的透湿量较羊毛/粘胶复合织物分别降低76.5%和62.5%；拉伸强力高于PLA/相变材料纳米纤维膜；粘胶/PLA/羊毛复合织物经等离子体处理前后的克罗值比粘胶/羊毛复合织物分别提升了18.07%和17.78%；等离子体处理后的粘胶/PLA/羊毛复合织物在剥离强力性能上较处理前提升了34.3%。

聚乳酸； 相变材料； 复合织物； 等离子体处理； 透气性； 拉伸强力； 剥离强力

在当今科技进步引领时代变革的年代，多功能复合织物无疑在织物发展方面将会占据一席之地。纳米概念的织物被不断提出和受到重视，但纺织产业用纳米纤维材料由于受到当今技术不够成熟的影响，存在强度低，稳定性差等问题，并不适合做单纯的衣服面料。为解决这个问题，通常采用织物复合的办法来实现纳米材料在纺织服装行业的应用，但纳米复合织物在制备和应用方面亦存在界面结合牢度差、断裂强力低等诸多难题[1]。

利用聚乳酸(PLA)与相变材料共纺制得PLA/相变材料纳米纤维膜是具有调温性能的新型纺织品材料[2-3]，不仅能够提高服装的舒适度，而且其本身具有可降解性，对环境不会造成危害，是环境友好型材料[4]。本文将PLA/相变材料纳米纤维膜同吸湿透气性较好的粘胶织物以及保温性能较好的羊毛织物进行复合，制备具有自调温功能的纳米复合织物。为了改善纳米纤维膜与普通织物结合牢度差的问题，复合前对其进行等离子体处理，然后分别对复合织物和所选用的复合材料进行性能指标测试，通过分析数据的差异，进而说明纳米复合织物在服装应用方面的优缺点。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚乳酸(PLA)，深圳市光华伟业实业有限公司；癸酸(CA)，阿拉丁试剂(上海)有限公司；棕榈酸酸(PA)，上海山浦化工有限公司；硬脂酸(SA)，天津市致远化学试剂有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，国药集团化学试剂有限公司；氯仿(CHCl3)，江阴嘉丰化工有限公司；SUPER77气凝胶，美国3M公司。

1.2 PLA/相变材料纳米纤维膜的制备

配制质量分数为8%的纺丝液,其中PLA与相变材料的质量比为1∶1.4；相变材料中CA、PA和SA的质量比为79.3∶14.7∶6.0，溶剂中CHCl3与DMF的质量比为9∶1。将纺丝液磁力搅拌15 h至完全后进行纺丝，注射体积为28 mL,滚筒接收面积相同，故纳米纤维膜的厚度相同。纺丝设置参数：滚筒转速为1 200 r/min；电压为16 kV；注射速度为2 mL/h；接收距离为18 cm。纺丝结束后，将制得的纳米纤维膜放在空气中静置5 h，以使纳米纤维膜中的有机溶剂全部挥发。

1.3 纳米纤维膜的等离子体处理及表征

利用Atomflo 400等离子体处理仪(美国Surfx Technology公司)对PLA/相变材料纳米纤维膜进行处理，处理时采用流速为0.30 L/min的氧气做反应气体，采用流速为35 L/min的氦气做保护气体,仪器功率为120 W，等离子处理仪处理头端距处理样品表面高度为5 mm,处理速度在10～80 mm/s范围内以10 mm/s的呈梯度变化匀速对样品进行等离子体刻蚀处理。

将不同速度等离子体处理后的试样分别裁剪成尺寸为2 cm×2 cm的小样各10块，利用Dataphysics-DCAT系列接触角测量仪(北京东方德菲仪器有限公司)测量其静态接触角，去除突变数据后取平均值，通过静态接触角评定等离子体处理后PLA/相变材料纳米纤维膜的润湿性。

对等离子体处理的纳米纤维膜试样表面进行喷金处理，以提高其导电性，然后采用BOEN 53655扫描电子显微镜(费尔伯恩精密仪器(上海)有限公司)观察纳米纤维的形貌。

1.4 复合织物的制备

采用“三明治”结构对织物进行复合，分别选择吸湿透气性良好的粘胶织物作为复合织物的内层，具有调温特性的PLA/相变材料纳米纤维膜作为中间层，以及保温性优异的羊毛织物作为外层。裁剪各样品尺寸为20 cm×20 cm，使用SUPER77气凝胶黏合各层，并给予复合织物表面50 N的压力放置24 h以使其良好黏合，从而获得粘胶/PLA/相变材料纳米纤维膜/羊毛复合织物(简称粘胶/PLA/羊毛复合织物)。同时为便于同普通复合织物的性能进行对比，以相同方法制备粘胶/羊毛复合织物。

1.5 复合织物保温性能测试

根据GB/T 11048—1989《纺织品保暖性能的试验方法》规定，采用YG(B)606D型保温仪(温州大荣纺织仪器有限公司)对所选用的复合材料进行材料保温性能测试。测试板温度设定为36 ℃。

采用降温法[5]对实验制备的复合织物和所选用的复合材料进行保温测试，将面积大小相同的复合织物包裹温度计探头放入101型电热鼓风干燥箱(鹤壁市新锐科技有限公司)中，加热至55 ℃后迅速取出置于室温中降温，当温度降低至50 ℃时开始计时，每隔10 s记录1次温度计的温度示数。

1.6 复合织物透气与透湿性能测试

根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》规定，采用YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪(温州大荣纺织仪器有限公司)对所制备的复合织物及选用的复合材料进行透气性能测试。织物的规格不同，所选用的喷嘴型号也不相同，具体如下：粘胶织物、羊毛织物和PLA/相变材料纳米纤维膜选用6号喷嘴，粘胶/羊毛复合织物选用5号喷嘴，粘胶/PLA/羊毛复合织物选用2号喷嘴。试样压差为200 Pa，测试面积为20 cm2。

按照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》规定，采用YG(B)216-H型织物透湿量仪(温州大荣纺织仪器有限公司)对所选用的复合材料进行透湿性能测试。温度为(38±2)℃；相对湿度为(90±2)%。测试方法：向透湿杯内倒入一定质量烘干后的CaCl2颗粒，将待测织物固定在透湿杯表面(织物与透湿杯中的CaCl2颗粒不接触)，放入测试箱平衡0.5 h，然后取出在天平上称量，精确至0.001 g；再将其放入测试箱1 h进行透湿处理，取出后再次放入测试箱平衡0.5 h，然后在天平上称量，精确至0.001 g。

透湿量的计算公式为

式中：WVT为每平方米每天的透湿量，g/(m2·d );△m为同一实验组合体2次质量测量之差，g；s为试样实验面积，m2；t为实验时间，h。

1.7 复合织物强力测试

采用YG(B)026PC电子织物强力机(温州大荣纺织仪器有限公司)对复合织物及所选用的复合材料包括粘胶、羊毛和PLA/相变材料纳米纤维膜单样织物进行织物拉伸强力测试。其中，纳米纤维膜采用相同体积溶液注射，滚筒接收面积相同，纤维膜的厚度相同，在测试时厚度的影响是固定的，可不予考虑。主要测试参数：夹持距离为120 mm；试样宽度为30 mm；预加张力为200 cN；牵伸速度为100 mm/min。

为比较相同宽度复合织物间的相对黏合强力，采用YG(B)008E型电子单纤维强力机(温州大荣纺织仪器有限公司)对所制备的复合材料进行剥离强力测试。主要测试参数：量程为100 cN；试样宽度为10 mm；预加张力为0.2 cN；夹距为10 mm；速度为100 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 等离子体最佳参数分析

Atomflo 400低温等离子体处理仪能够在常温常压下对样品进行处理，降低了实验数据对外界环境的依赖性，只需改变测试功率、气体流速和编辑测试程序即可，简化了实验的测试难度[6]。为探究在确定功率下等离子体处理速度对PLA/相变材料纳米纤维膜性能的影响，分别测试了仪器功率为120 W，速度在10、20、30、40、50、60、70、80 mm/s时，被处理的PLA/相变材料纳米纤维膜的静态接触角，结果见图1。图中原样为未经等离子体处理的试样。

图1 静态接触角数据Fig.1 Data of static contact angles

原样的静态接触角为116.77°，接触角数值较大，说明PLA/相变材料纳米纤维膜本身具有疏水性。等离子体处理后试样的静态接触角数值较小，说明等离子体改性可改善纳米纤维膜的亲水性能。结合文献[7-9]可知，等离子处理后的样品表面形成较多的极性基团，提高了纳米纤维膜的表面能，使其比较容易被润湿，故而亲水性增强，呈现较小的静态接触角。当速度为10、20 mm/s时，PLA/相变纳米纤维膜的静态接触角分别为58.29°和58.03°，亲水性最好，但纳米纤维膜整体发生变性呈透明状，表面形貌如图2所示，因此不符合等离子体处理表面改性的要求；当处理速度大于30 mm/s时未发生整体变性现象，与原样的静态接触角相比，速度为40 mm/s时PLA/相变材料纳米纤维膜的静态接触角为72.53°，该速度为最佳等离子体处理参数。通过SEM照片进一步表明，与未经等离子体处理的样品表面形貌相比，等离子体处理(速度为40 mm/s)后，样品表面呈现蜂窝状均匀凹槽，凹槽的均匀分布说明等离子体刻蚀效果良好，且凹槽仅存在于纳米纤维表面，并未破坏纳米纤维膜整体的力学性能，结果如图3所示。

图2 等离子体处理织物的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of plasma treated fabrics

图3 PLA/相变纳米纤维的SEM照片(×3 000)Fig.3 SEM images of PLA /phase change nanofibers(×3 000). (a) Untreatment; (b) Plasma treatment

2.2 复合织物保温性分析

表1示出采用YG( B) 606E平板式保温仪测试得到的复合织物及所选用的复合材料的保温系数和克罗值数据。由数据比较可知:粘胶织物、PLA/相变材料纳米纤维膜和羊毛织物的克罗值依次增大，保温性能依次增高；同时经计算粘胶/羊毛复合织物较羊毛织物的克罗值提升了13.20%；特别是加入PLA/相变纳米纤维膜后，等离子体处理前后的粘胶/PLA/羊毛复合织物较羊毛织物的克罗值分别提升33.66%和33.33%，较粘胶/羊毛复合织物分别提升18.07%和17.78%。数据表明，复合织物特别是加入纳米纤维膜的复合织物在保温性能方面具有独特的优势，但PLA/相变材料纳米纤维膜是否用等离子体处理对织物保温性没有影响。

表1 复合织物保温数据Tab.1 Heat insulating data of composite fabrics

为进一步分析PLA/相变纳米纤维的复合织物在不同温度阶段的调温效果，采用降温法对其保温性进行测试，结果如图4所示。加入PLA/相变纳米纤维膜的复合织物其保温性均优于不加入PLA/相变材料纳米纤维膜的空白组样品，说明PLA/相变材料纳米纤维膜在织物复合方面起到了一定的保温效果。此外，在不同的温度区域范围内，PLA/相变纳米纤维膜的保温原理也不相同，当温度从50 ℃降至26 ℃时，粘胶/PLA/羊毛复合织物的保温优势是因其织物本身厚度的增加减缓了热量的散失；26 ℃以后温度下降变化趋于缓和，是因为纳米纤维中含有的相变材料[10](结晶温度为25.59 ℃)发生相变时具有调温作用，这是普通织物保温方面所不具备的特性，体现了加入相变材料的纳米纤维膜在保温性能方面具有独特的优势；同时从图4可以看出，等离子体处理前后的PLA/相变材料纳米纤维膜在22～26 ℃温度变化范围外降温趋势相同，但范围内等离子体处理的温度略高于未处理的。二者仅是经等离子体处理后纳米纤维膜表面活性基团发生变化，可以说明等离子体处理对纳米纤维膜表面基团的改变影响了相变材料的相变潜热，从而使相变材料的结晶温度有所提高。样品经长时间放置重新测试，其降温曲线并未发生改变，间接证明相变材料具有稳定性，达到了预期的包覆效果。

图4 复合织物的降温曲线 Fig.4 Temperatures curve of composite fabrics

2.3 复合织物透气性与透湿性分析

织物的组织结构是影响织物透气性的一个重要物理因素，粘胶织物为平纹织物，经纬纱呈规律性地纵横交织,纱线间孔隙较多,透气性较好；羊毛织物因厚度和经纬纱线毛羽的影响，透气性较差；同理，粘胶/羊毛复合织物厚度增加，相同面积织物中纱线面积占比增大，使复合织物透气性低于普通织物；而且PLA/相变纳米纤维膜中纳米纤维直径只有几十纳米，纤维之间呈无规律交错排列，透气方式为微孔透气，与普通织物透气原理不同。在文献[11]中已证明纳米纤维微孔透气的优越性，故而PLA/相变材料纳米纤维膜的透气性要优于羊毛织物，因此，复合织物中所加入的PLA/相变材料纳米纤维膜在织物透气性方面并非占据主导地位，而是以透气性最差的羊毛织物为主导，且因复合织物构成的复杂性和厚度的原因，透气性会低于羊毛织物。如表2透气率所示。由于数字式织物透气性能测定仪测试原理不适用于纳米纤维膜的微孔透气方式的测试，故而并不能真实反映复合织物中PLA/相变材料纳米纤维膜在透气性方面存在的优缺点。

织物的吸放湿能力和织物中纤维的种类、组分、内部结构及纤维的比表面积等因素有关[12]。表2示出试样面积为20 cm2，压差为200 Pa时织物的透气性与透湿性数据。可看出：粘胶织物为平纹组织的透湿量最大，羊毛和PLA/相变材料纳米纤维膜次之；而对于不含纳米纤维膜的复合织物，厚度增加使织物组织构成复杂化，复合织物在透湿性能方面介于粘胶与羊毛之间；加入未经等离子体处理和处理后的PLA/相变材料纳米纤维膜的复合织物较未加入的透湿量分别降低76.5%和62.5%，但二者在相同复合材料、相同厚度情况下透湿量下降比例不同，说明等离子体处理改性使纳米纤维膜表面亲水基团增加，致使纳米纤维膜的透湿性能与未经等离子体处理的复合织物相比提高了59.23%，但复合织物整体透湿量仍低于普通织物。

表2 织物透气性与透湿性数据Tab.2 Air permeability and moisture permeability data of fabric

2.4 复合织物拉伸强力与剥离强力分析

表3示出复合织物的拉伸性能。可以看出：在试样宽度相同的情况下粘胶/羊毛复合织物的拉伸断裂强力比粘胶织物的增大6.12%；等离子体处理前后的粘胶/PLA/羊毛复合织物的拉伸断裂强力比PLA/相变材料纳米纤维膜分别增大4.50%和3.10%，但二者之间的拉伸断裂强力接近。分析可知其共性：粘胶织物是粘胶/羊毛复合织物中拉伸断裂强力最小的材料；PLA/相变材料纳米纤维膜是粘胶/PLA/羊毛复合织物二者中拉伸断裂强力最小的材料。因此，复合织物的强力并非单纯组成材料的累加值，而是以复合织物中拉伸断裂强力最低的为主，胶剂对界面间相互的黏合力为辅。

表3 织物拉伸性能数据Tab.3 Tensile properties data of fabric

注：夹持距离为120 mm，试样宽度为30 mm，预加张力为200 cN。

在控制试样宽度为单一变量情况下，剪取尺寸为50 mm×10 mm的试样，沿长度方向进行剥离，经电子单纤维强力机测得等离子体未处理和处理的复合织物剥离强力分别为77.51、104.07 cN。可见，等离子体处理的复合织物较未处理的剥离强力提升34.3%，说明等离子体对PLA/相变材料纳米纤维膜表面的刻蚀增大了黏接面间的比表面积，进而提高了复合织物的界面结合牢度。

3 结 论

1)Atomflo 400低温等离子体处理仪处理PLA/相变材料纳米纤维膜的最佳参数：仪器功率为120 W；处理高度为5 mm；处理速度为40 mm/s。

2)复合织物由于厚度的增加在保温性能方面优于普通织物，加入PLA/相变材料纳米纤维膜的复合织物在厚度增加的同时，利用相变材料的相变潜热可显著提高复合织物的保温性能。加入PLA/相变材料纳米纤维膜后，复合织物的克罗值提升了近34%，但PLA/相变材料纳米纤维膜是否采用等离子体处理对复合织物保温效果没有影响。

3)复合织物中所加入的PLA/相变材料纳米纤维膜采用微孔透气原理，在织物透气方面并非占据主导地位，而是以透气性最差的羊毛织物为主导，且由于复合织物本身构成的复杂性和厚度的增加会使其透气性低于羊毛织物。

4)织物的吸放湿能力和纤维的种类、组分、内部结构及比表面积等因素有关，复合织物组织结构复杂，厚度增加，在透湿性能方面会低于普通织物；等离子体处理使纳米纤维膜的表面亲水基团增多，使其透湿性能提升59.23%，但整体透湿性仍低于普通织物。

5)复合织物的拉伸断裂强力并非各组合材料拉伸强力的累加，而是以所选用复合材料中拉伸强力和伸长率最低的PLA/相变材料纳米纤维膜的拉伸断裂强力为主导，且由于羊毛织物和粘胶织物的附加支撑作用会大于PLA/相变材料纳米纤维膜的3.10%～4.50%。

6)复合织物的复合面采用等离子体进行刻蚀处理，可增加织物复合面间黏接的比表面积，从而使剥离强力提升34.3%，说明等离子体处理可增强复合织物的界面结合牢度。FZXB

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Preparation and properties of polylactic acid coated phase change material composite fabric

YAO Pengcheng, XIA Xin

(CollegeofTextileandGarment,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046，China)

The PLA/phase change material nanofibers membrane was prepared by electrospinning method. In order to improve the adhesion between nanofibers membrane and fabric, the nanofibers meinbrant was fitrsitly treated by plasma technology, and then combined with viscose fabric and wool fabric. The differences of the insulation, air permeability, moisture permeability, tensile strength and peel strength among materials after plasma treatment were discussed. The results showed that the air permeability of plasma untreated and treated viscose fiber/PLA/wool composite fabric mainly depended on wool fabric and both of them were lower than wool fabric, and the water vapor permeability were decreased 76.5% and 62.5%, respectively. The PLA nanofibers membrane played a more important role in tensile strength of plasma untreated and treated viscose fiber/PLA/wool composite fabric, and the tensile strength of which were higher than PLA nanofibers membrane. Compared to the viscose/wool composite fabric, the crow value of plasma untreated and treated viscose fiber/PLA/wool composite fabric increased by 18.07% and 17.78%，respectively. The peel strength properties of viscose/PLA/wool composite fabric subjected to plasma treatment added up to 34.3% in comparison with untreated composites.

polylactic acid; phase change material; composite fabric; plasma treatment; air permeability; tensile strength; peeling strength

10.13475/j.fzxb.20160103406

2016-01-19

2016-09-20

新疆自治区自然科学青年基金项目(2015211C287)

姚鹏成(1994—)，男，本科生。研究方向为功能性纺织材料的开发与应用。夏鑫，通信作者，E-mail：xjxiaxin@163.com。

TS 101.8

A