PU 合成革面料易清洁性能的构建研究

赵 绮，石 磊，钟 齐，方 政

（1.嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314000；2.浙江禾欣科技有限公司，浙江 嘉兴 314000；3.浙江理工大学，浙江 杭州 310018）

PU 是英文polyurethane 的缩写，化学中文名称为“聚氨酯”。PU 合成革就是聚氨酯成分的表皮。由于制备容易，成本低，合成皮革被广泛应用于人们的日常生活中，如衣服、包、鞋、家具和车辆。在这些人造皮革中，PU（聚氨酯）具有多种优点，外观、功能以及手感与真皮相近。因此,越来越多的PU 被用于代替真皮[1]。其应用范围之广，数量之大，品种之多，是传统的天然皮革无法比拟的。

1 PU 合成革的应用过程中存在的问题与拟解决方法

1.1 存在的问题分析

由于PU 革应用非常广泛，除了使用在服装和箱包的生产上，还涉及到汽车内饰（例如座椅、方向盘、车把手等）、运动材料（如运动鞋）以及家具材料（如沙发）等生活的多个领域，非常容易沾染各种污渍。而PU合成革面料本身难以机洗，就产生了易脏难洗的问题。目前其已成为PU 革面料待解决的问题之一。一般PU 革面料污渍的去除需要消耗大量的化学助剂（清洁剂）和媒介（水），不利于构建绿色低碳社会。因此很有必要开发一种更易清洁（例如通过简单地擦拭即能去除污渍）的新型PU 合成革，满足市场需求。随着人们生活节奏的加快，新型的智能清洁纺织品能够提高人们生活的质量，故具备较好的研究意义[2-3]。

1.2 拟解决方法

针对PU 合成革的优化，目前主要是通过聚氨酯改性来实现。例如增强材料的疏水性，使面料不易被沾污；或增加材料的亲水性，使其污渍更易被除去。如果PU 合成革材料能同时具有亲水性和疏水性，则可兼具在日常使用中的抗污效果和易清洁能力。但是由于亲水性和疏水性是相互对立的，在实际生产应用中不易实现兼具两种性能的情况。针对这一问题，研究通过引入温敏聚合物，在PU 合成革表面构建易清洁涂层来解决上面的问题（如图1）。

图1 PU 革与温敏聚合物发生交联反应

研究利用温敏聚合物具有亲水性和疏水性随温度变化的特性，使其最终获得亲水性和疏水性能够随外界温度的变化而智能调整的新性能，实现不同场景（使用和清洁）不同的表面性质，最终实现清洁效果提升和日常维护便捷的目标。原理如图2 所示。

图2 温敏聚合物实现易清洁性能

在前述基础上，通过引入光催化剂g-C3N4，利用其在光照条件下可产生自由基分解有机物的特性，可以有效增强含复合水凝胶涂层的PU 合成革对于水性污渍的去除效果。通过对g-C3N4的聚集态结构调控，可在复合水凝胶表面构筑具有微纳结构的g-C3N4聚集体，进一步增加g-C3N4和污渍的接触面积，使其清洁效果进一步提升。

2 PU 合成革面料易清洁性能构建实验

2.1 实验原料与试剂

使用的原料及来源：聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（OEGMA300，纯度95%）、丙烯酰胺（AAm，AR）、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺（TEMED，AR）、阿拉伯胶（GA，医药级）和过硫酸铵（APS，纯度99.99%）购自Aladdin。N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）（MBA，纯度99%）和罗丹明B（RhB，AR）从Macklin 获得。超纤合成革（PU）从浙江禾欣科技有限公司获得。

2.2 实验过程

2.2.1 交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层的超纤合成革制备

交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层的超纤合成革的制备步骤如下。

第一步，将 GA（0.5g）、AAm（5g）、OEGMA300（714μl）、MBA（0.0135g）溶解在去离子水（20mL）中，并在室温下持续搅拌30min。第二步，将g-C3N4（100 mg）添加到溶液中并用超声波辐射处理40min。第三步，分别将APS（40 mg）和TMEDA（40 μL）作为氧化还原引发剂加入烧杯搅拌8min，待溶液变得粘稠后，将其倒入方形模具中使其发生初步交联。该模具深度为1mm，此时形成的水凝胶厚度即为1mm。由于重力作用，此时水凝胶上、下表面的g-C3N4含量不同，故将其标记为上表面（Front）和下表面（Back）。第四步，将其贴附于经氧等离子体活化处理（处理条件为：工作气体为O2、功率为40W、时间为5min、工作压强为5KPa）后的超纤合成革表面，置于50℃的烘箱中静置5min，以实现复合水凝胶涂层和预处理后的超纤合成革的交联。

2.2.2 性能测试与表征

SEM 测试：采用美国Zeiss UK 公司Gemini SEM500 型扫描电子显微镜测试预处理后的超纤合成革，交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层的超纤合成革的表面形态。

ATR-FTIR 测试：采用德国布鲁克公司Vertex 70型红外光谱仪测试交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层的超纤合成革的表面化学组成和结构特征，扫描波数范围设置为500～4000cm-1。分辨率和扫描时间分别设置为4cm-1和32s。

DSC 测试：采用美国TA Instruments 的Q2000 型差示扫描量热仪来测定交联涂层的LCST。升温范围：30℃～100℃，升温速率：3℃/min，干燥氮气氛。

污渍清除测试：采用美国DC600 型测色配色仪来测定交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层的超纤合成革表面沾污后，清除过程中的颜色变化。污渍由罗丹明B（RhB）和植物油混合制备获得。RhB 的去除率（DERhB）可用公式（1）计算获得：RhB conversion（%）=（1-K/Smax-t/K/Smax-0）×100%（1）

2.3 实验结果与分析

2.3.1 交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层转变温度测试

由图3 的测试结果可知，转变温度为70.32℃。

图3 转变温度分析

2.3.2 PU 合成革表面电镜扫描（SEM）结果

PU 合成革交联P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4复合水凝胶涂层前后，上下表面的电镜扫描形态如图4所示，可以看到在重力作用下g-C3N4会发生沉淀，故下表面(Back)的g-C3N4含量较上表面（Front）的更高，能够明显看到下表面(Back)具有更多的g-C3N4聚集颗粒。

图4 PU 合成革SEM 测试结果

2.3.3 PU 合成革清洁性测试

水性污渍（罗丹明B）清洁性能测试如下，从图5～7 所示结果可以看出，对于水性污渍而言，由于下表面（Back）的g-C3N4含量更高，在相同光照时间内能够产生更多数量的自由基，故其分解有机物的能力更强，使其与上表面（Front）相比，具有更好的清洁性能。

图5 水性污渍自清洁去除效果照片

图6 去除水性污渍K/S 值变化

图7 水性污渍在180 min 内总去除率

通过不同温度（30℃和50℃）下，PU 合成革上下表面水性污渍的去除率（图8）可以看出，两种情况下PU合成革都具有良好的自清洁效果，且在较高温度下（50℃），自清洁效果更佳。主要的原因是在温度较高的情况下，温敏聚合物更接近其转变温度，因此其疏水性更强，使得水性污渍的附着能力进一步降低，清洁效果更好。

图8 不同温度下水性污渍的去除率

2.3.4 油性污渍清洁性能测试

油性污渍（尼罗红）自清洁性去除效果如图9 所示。图10 是上表面（back）和下表面（Front）交联的超纤合成革，在被含尼罗红的油污沾污后（黑色）和用25℃去离子水冲洗30s 后（白色）的K/S 值相对于初始态的超纤合成革的K/S 值的变化量。

图9 油性污渍自清洁去除效果照片

图10 油性污渍去除⊿K/S

根据测试结果可以看出，对于油性污渍而言g-C3N4含量较高时，其清洁性能较好。主要的原因也是由于较多的g-C3N4能够产生更多的自由基，实现对污渍的有效分解。

3 结语

通过本研究可以发现，在PU 合成革表面引入温敏聚合物基础上，添加光催化剂g-C3N4，通过两者的综合作用，可以增加PU 合成革对于水性、油性两类污渍的去除效果，有效提升PU 合成革的易清洁性能，可以很好解决PU 合成革产品使用过程中容易沾染污渍的问题。