TPU静电纺丝纳米纤维膜复合面料的制备及其结合牢度研究

刘 倩 吴海波 王荣武

东华大学 纺织学院，上海 201620

随着科学技术的发展，以及人们健康意识的增强，对家纺用品的需求也逐渐从柔软舒适向吸湿透气、防护抗螨、保健安全等功能性拓展[1]。表面改性是赋予家纺织物功能性的有效策略。常见的表面改性技术有化学处理[2]、表面覆膜[3](化学沉积[4]，静电纺丝[5])及涂层处理等。其中，静电纺纳米膜因具有功能性多，比表面积大、孔径小，与基布复合后不影响织物风格[6]等特性，成为当前的研究热点。研究表明，掺入抗菌剂的聚丙烯腈纳米纤维膜与非织造材料复合制备的抗菌材料，对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率达99.9%，可应用于尿不湿、湿纸巾等卫生领域[7]。由壳聚糖纳米纤维和棉织物复合制备的绷带，具有良好的止血性和抗菌效果[8]。由含氟聚氨酯纳米纤维与涤纶面料复合制备的防护服，对水和硫酸的接触角分别为141°和124°，具有优异的拒水防腐蚀性能[9]。

热塑性聚醚型聚氨酯(TPU)是一种性能优异的环保材料[10-11]。采用静电纺丝技术制备的TPU纳米纤维膜透湿性能优异，形成的纳米微孔结构兼具透气性和防护阻隔作用[12]，适合与纺织面料复合。然而，纳米纤维膜与家纺织物的材料性质和尺度不同，两者间的界面结合不稳定、结合牢度较低。因此，采用合适的复合工艺至关重要。热熔黏合[13]和化学黏合[14]已广泛应用于纳米纤维膜与织物的复合，但这些方法工艺复杂，且难以保证纳米纤维膜的完整性。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是印染行业常用的助剂[15]，能显著提高染料与织物的结合牢度，但其在纳米纤维与织物复合领域还鲜有研究。

鉴于此，本文以热塑性聚醚型TPU为原材料，采用自制静电纺丝装置制备纳米纤维膜，分别采用化学黏合、热黏合和添加PVP助剂纺丝黏合3种复合工艺，将膜材与纺织面料复合，制备具有防护阻隔性能的TPU纳米纤维膜复合面料，探讨复合工艺对纳米纤维膜与基布结合牢度的影响，并分析不同复合工艺下材料的形貌特征、孔径及吸湿透气性能。

1 试验部分

1.1 试验原料及设备

热塑性聚醚型TPU，购自德国巴斯夫公司；PVP，购自国药集团化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，购自国药集团化学试剂有限公司；0.5 mol/L盐酸，购自国药集团化学试剂有限公司；0.5 mol/L氢氧化钙，购自国药集团化学试剂有限公司；氯化钠，购自广州和为医药科技有限公司；涤纶织物[经纱纬纱线密度均为27 tex，经纬密为480根/(10 cm)×234根/(10 cm)]，棉织物[经纱纬纱线密度均为27 tex，经纬密为523根/(10 cm)×276根/(10 cm)]，东华大学纺织学院提供；面密度为25 g/m2的TPU 热熔胶网膜，苏州惠洋新材料有限公司提供；无针型静电纺丝设备，实验室自制，如图1所示。

1.2 纺丝液的配置

以DMF为溶剂，TPU为溶质配制溶质质量分数为14%的纺丝液，在室温下对共混物进行磁力搅拌24 h至溶质完全溶解。

1.3 TPU纳米纤维膜的制备

在无针型静电纺丝设备上进行静电纺丝，纺丝电压为 25 kV，接收距离为15 cm，在温度为20 ℃，相对湿度为50%下进行纤维膜的制备。

1.4 TPU纳米纤维膜复合面料的制备

分别采用化学黏合、热熔黏合和添加PVP助剂纺丝黏合(直接纺丝黏合)3种方法制备TPU纳米纤维膜复合面料试样，具体制备方案如表1所示。

表1 采用不同黏合工艺和基布材料制备TPU纳米纤维膜复合面料试样

1.4.1 化学黏合

首先，在涤纶机织物上喷一层水性聚氨酯胶水，经24 h固化反应后，水性聚氨酯胶水转化为 TPU并牢牢黏合在基布上。然后，将基布放置在静电纺丝装置的接收板上。纺丝结束后，使用平板硫化机热压，热压时间为2 min，压力为2 MPa，温度为75 ℃。

1.4.2 热熔黏合

将基布与热熔网膜叠放于静电纺丝装备的接收板上。纺丝结束后，使用平板硫化机热压，热压参数同1.4.1节。

1.4.3 直接纺丝黏合

配制纺丝液时添加质量分数为5%的PVP助剂。将基布放置于静电纺丝装备的接收板上，纺丝结束后，使用平板硫化机热压，热压参数同1.4.1节。

2 性能表征与测试

形貌表征：对TPU纳米纤维膜复合面料试样表面进行喷金处理，使用TM3000型扫描电子显微镜(日本日立仪器公司)观察试样表面形貌。

耐磨结合牢度测试：选用Y571B型摩擦色牢度仪(温州方圆仪器有限公司)，采用标准羊毛磨料，将TPU纳米纤维膜复合面料试样置于海绵垫层的圆形摩擦头上(平磨)进行摩擦测试[16]，结合图像处理技术，用试验前后试样的磨损面积表征耐磨结合牢度。每种试样测试5次，结果取平均值。为模拟试样在不同环境下的耐磨结合牢度，分别配制了质量分数为20%的盐酸、氢氧化钙和氯化钠溶液，将试样分别在这3种溶液中浸泡24 h后，进行耐磨结合牢度测试，测试方法同上。

耐水洗结合牢度测试：采用WASHTEC-P型水洗牢度仪(英国罗切斯国际公司)，设定温度为40 ℃，将试样放入试杯中，紧固试杯盖，逐一安装在旋转架上。在机器转速为(40±2) r/min下模拟机洗，洗涤时间为30 min。共洗涤15次，每5次洗涤后测试并计算试样的质量损失率。

亲水性测试：采用OCA15EC型光学接触角测量仪测量试样的静态接触角，每种试样测试5次，结果取平均值。

透气性测试：根据ASTM D 737-2018《纺织织物透气性的标准试验方法》，采用RT-5300型纺织品透气性测试仪测量薄膜的透气性与通过规定面积薄膜的空气量。

孔径测试：采用CFP-1100-AI型毛细流量孔径仪测量试样的孔径大小。将试样裁剪成 3 cm×3 cm 大小，并调节气泵压力为4～8 kPa进行试验。

透湿性测试：采用YG501 D-Ⅲ型透湿性测试仪测量试样的透湿率。透湿率W的计算式见式(1)。

(1)

式中：m1表示吸湿后织物的质量，g；m0表示吸湿前织物的质量, g；S表示试样有效试验面积, m2；t表示吸湿时间, d。

3 结果与讨论

3.1 表面形貌分析

TPU纳米纤维膜分别与涤纶和棉织物2种基布复合后，所得TPU纳米纤维膜复合面料试样的表观形貌SEM图如图2所示。由图2a)和图2c)可以看出，TPU纳米纤维膜与涤纶织物通过直接纺丝黏合和化学黏合的方式复合后，所得纳米纤维膜复合面料形貌完整，呈现出均匀的三维网状结构；经热熔黏合后，热熔网膜熔化并黏附在TPU纳米纤维膜表面，纤维网的孔隙被大量堵塞[图2b)]。由图2d)～图2f)可以看出，TPU纳米纤维膜与棉织物经化学黏合复合后,呈现出均匀的纳米纤维网结构[图2f)]。TPU纳米纤维膜与棉织物经热熔黏合复合后，也出现了热熔网膜熔化堵塞TPU纳米纤维膜的现象[图2e)]。TPU纳米纤维膜与棉织物经直接纺丝黏合复合后，未形成纤维网结构[图2d)]，这是因为PVP助剂可以提高纳米纤维膜的亲水性，与棉织物复合时迅速润湿扩展，导致无法形成纤维网结构。

图2 TPU纳米纤维膜复合面料的表观形貌SEM图

3.2 耐磨结合牢度分析

TPU纳米纤维膜与涤纶织物复合后面料的耐磨结合牢度测试结果如图3所示。由图3可以看出，TPU纳米膜与涤纶织物复合面料在经湿处理、酸处理和碱处理后，均未出现明显的纳米纤维膜与涤纶织物脱离的现象，表明复合材料的化学稳定性较高。经磨料摩擦后，复合面料上的纤维膜逐渐从涤纶织物表面剥离，且剥离面积(面积损失率)随着摩擦次数的增加而增大。从图3还可以看出，TPU纳米纤维膜与涤纶织物直接纺丝黏合所得复合面料在经500次摩擦后，面积损失率约为25%，而经热熔黏合和化学黏合复合后，TPU纳米纤维膜与涤纶织物复合面料在经500次摩擦后的面积损失率则低于15%。总体而言，TPU纳米纤维膜与涤纶织物的干湿结合牢度与酸碱结合牢度均较高。

图3 TPU纳米纤维膜与涤纶织物复合后面料的耐磨结合牢度

TPU纳米纤维膜与棉织物复合后面料的耐磨结合牢度测试结果如图4所示。由图4可以看出，采用助剂直接纺丝黏合的复合面料在经不足200次的摩擦后就已基本脱落，表明TPU纳米纤维膜与棉织物直接纺丝黏合所得的复合面料结合牢度极低。采用热熔黏合和化学黏合方式制得的TPU纳米纤维膜与棉织物复合的面料，在经500次摩擦后面积损失率均低于30%，表明其结合牢度较高。

图4 TPU纳米纤维膜与棉织物复合后面料的耐磨结合牢度

3.3 水洗结合牢度分析

TPU纳米纤维膜与涤纶织物复合面料在经多次洗涤后，织物表面的纳米纤维膜仍然完整，未出现脱落现象。称量发现，洗涤后复合面料产生了一定的质量损失，如图5所示。由图5可以看出，经5次洗涤后，复合面料的质量损失率均小于1.0%；随着洗涤次数的增加，复合面料的质量损失率增加，且增加速率也增大。其中，直接纺丝黏合的3#试样的质量损失最快，化学黏合的1#试样次之，热熔黏合的2#试样的质量损失最慢。原因可能是化学黏合使用的胶水为水性TPU，其在水中可能会产生一定程度的溶解，导致静电纺纳米纤维膜脱落。

图5 不同黏合工艺下TPU纳米纤维膜与涤纶织物复合后面料的耐水洗结合牢度

TPU纳米纤维膜与棉织物复合面料在水洗时，直接纺丝黏合的面料在浸泡后，纤维膜即从棉织物基布上脱落，如图6a)所示。热熔黏合和化学黏合的复合面料则未见明显的分离，如图6b)和图6c)所示。表明直接纺丝黏合方式不适用于TPU纳米纤维膜与棉织物基布的复合，浸水后，纤维膜与棉织物的结合即失效。

图6 浸泡后不同黏合工艺TPU纳米纤维膜与棉织物复合面料的分离情况

3.4 透气、透湿效果分析

TPU静电纺纳米纤维膜与涤纶织物复合面料的透气性、透湿性及孔径大小测试结果如图7所示。由图7可以看出，直接纺丝黏合的1#试样的平均孔径最大(2.8 μm)，其透气和透湿效果也更好。热熔黏合制备的2#试样的平均孔径最小(1.1 μm)，透气性和透湿效果较差，这是由于热熔网膜熔化后堵住了纳米纤维网的孔洞导致的。

图7 TPU纳米纤维膜与涤纶织物复合面料的透气性、透湿性及孔径大小

TPU静电纺纳米纤维膜与棉织物复合面料的透气性、透湿性及孔径大小测试结果如图8所示。由图8可以看出，化学黏合的6#试样和直接纺丝黏合的4#试样的平均孔径均为约4.7 μm，但4#试样的透气性和透湿效果更好。采用热熔黏合方式制备的TPU纳米纤维膜与棉织物复合面料(5#试样)的透气性和透湿效果较差。

图8 TPU纳米纤维膜与棉织物复合面料的透气性、透湿性及孔径大小

3.5 亲水性测试

不同黏合工艺纳米纤维膜复合面料的接触角测试结果如图9所示。由图9可以看出，6种纳米纤维膜复合面料的接触角均小于90°，表明面料具有一定的亲水性能。其中，添加助剂直接纺丝黏合的纳米纤维膜复合面料(1#和4#试样)的接触角最小，亲水性最好；热熔黏合制备的纳米复合面料(2#和5#试样)的接触角最大，亲水性较差。可能的原因是热熔黏合过程中，热熔网膜受热溶解，破坏了纳米纤维膜的完整性，使得其亲水性下降。

图9 不同黏合工艺纳米纤维膜复合面料的接触角

4 结论

本文通过试验讨论了TPU纳米纤维膜分别与涤纶和棉织物基布的复合工艺。分别采用化学黏合、热熔黏合和添加助剂直接纺丝黏合3种工艺，将TPU纳米纤维膜与涤纶和棉织物复合。研究结果表明，添加PVP助剂直接纺丝黏合和化学黏合制备的复合面料透气和透湿性能良好，热熔黏合制备的复合面料结合牢度更高。综合分析3种黏合方式制备的复合面料的性能可得，直接在静电纺过程中添加助剂的直接纺丝黏合，更适合于TPU纳米纤维膜与涤纶织物的复合。