聚氨酯发泡涂层织物的制备及其隔音性能

宋瑶瑶 李栋 徐田文 王成龙 郑今欢 叶挺

摘 要：为了开发出一款具有隔音降噪多功能的墙布面料，采用浸轧工艺对经编涤纶织物进行防水整理，使其获得一定疏水性；通过聚氨酯（PU）发泡涂层对防水基布进行功能性整理。探究了不同制备工艺参数对涂层织物的涂层剥离牢度以及隔音性能的影响，也分析了PU发泡涂层织物作为墙布面料的应用优势。结果表明：当涂层浆料配方PU用量为100 g，云母粉为30 g，热膨胀微球为2 g时，采用焙烘温度为170℃，焙烘时间为60 s，刀距为0.58 mm，制备得到的PU发泡涂层织物的涂层剥离牢度为17 N，平均隔音量可达26 dB，涂层剥离牢度及隔音性能达到综合最佳，该类防水隔音降噪多功能涂层织物在墙布市场具有广阔的应用前景。

关键词：聚氨酯；发泡涂层；墙布；隔音性能；剥离牢度

中图分类号：TB34

文獻标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）03-0194-09

基金项目：海宁市科技项目（2020016）

作者简介：宋瑶瑶（1993—），女，安徽池州人，硕士研究生，主要从事水性纺织涂层方面的研究。

通信作者：叶挺，E-mail：yeting@soyang.net

随着社会的经济发展，人们对生活质量的要求越来越高，环保、健康的生活理念日渐深入人心。在家居软装行业，消费者追求的不仅仅是视觉上的美感，也关注居住环境的绿色健康［1］。墙面装饰作为家居软装行业的一个重要领域，其不仅可以提升居住环境视觉美感，而且功能性的加入可以进一步提升居住环境的绿色健康。与传统的墙纸相比，墙布可实现无缝拼接提升墙面整体性和美观度，同时，在生产过程中，通过染整加工手段可以赋予其不同的功能。因此，墙布逐渐受到了消费者的关注［2］。

目前，国内市场上的墙布基本为无缝墙布，即一面墙一块布，“墙布代替墙纸，仿佛真正给墙穿上一件衣服”［3］。另外，墙布市场中，墙布的花纹设计多种多样，但是功能性墙布比较单一，大部分墙布仅通过三防整理赋予其一定的基础功能；另一方面，为了进一步增加墙布与墙的贴合牢度，通常会复合一层无纺布，无纺布粗糙的表面与墙体贴合更加紧密，贴墙牢度更高，但复合无纺布使其墙布制备工艺更加繁琐。整体而言，墙布市场中墙布用面料功能相对单一，且制备工艺较为繁琐，因此很有必要开发出一种多功能易贴效果的墙布。

纺织材料的多功能性一般通过涂层整理实现。其中，聚氨酯（PU）涂层具有抗张强度高、弹性好和两亲性等优点，是一种高品质的涂层材料［4-5］。PU涂层一般可分为溶剂型和水性型，其中，溶剂型PU已广泛应用于各行业领域，但由于溶剂具有易挥发、易燃、易爆等问题，且在生产过程和使用过程中会对环境造成一定的污染性，也会危害到人们的身体健康［6］。因此，科研工作者们对水性PU领域的研究与应用投入越来越多。另一方面，涂层加工是纺织品后整理技术的一种，即在织物表面均匀涂覆一层能形成薄膜的高分子化合物，以达到改变织物的性能和风格、提高纺织品附加值的目的［7］。其中，泡沫涂层作为涂层工艺的一种，其使用物理发泡技术，在涂层织物中应用也比较广泛［8］。比如，软质泡沫体用作车辆、居室、服装的衬垫，硬质泡沫体用作隔热、吸音、包装、绝缘以及低发泡合成木材等，所以对织物进行发泡涂层整理使其获得较为松软的结构，提高其隔音性能具有一定可行性。

在涂层整理过程中，引入功能性粒子是赋予涂层材料性能的主要方法之一。热膨胀微球（TEMS）作为一种功能性粒子，具有以热塑性树脂为外壳、且在其内部封入有发泡剂的结构，一般被称作热膨胀性微囊，热膨胀微球的引入可以使得织物的涂层更加松软。其中，膨胀原理是当微球受热，达到构成壳体的热可塑性高分子材料的玻璃化温度，壳体就会软化，具有了可塑性。TEMS的结构和高温受热膨胀原理如图1所示，由于微球内的低沸点芯材受热产生压强，从而引起微球外壳的膨胀［9］。

本文将通过发泡涂层工艺对经编涤纶织物进行功能性整理，探究不同工艺参数（刀距、填料种类、是否加入热膨胀微球）对涂层织物表面风格及隔音性能的影响，并制备出具有隔音降噪等多功能性面料应用于墙布领域中。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

实验材料：187 g/m2经编涤纶面料（浙江亦阳新材料有限公司），水性聚氨酯乳液（工业级，万华化学集团股份有限公司），稳泡剂（工业级，浙江传化化学集团有限公司），发泡剂（工业级，浙江传化化学集团有限公司），热膨胀微球（工业级，浙江舜泰橡塑科技有限公司），碳六含氟防水剂TF-5501（工业级，浙江传化化学集团有限公司）。

实验仪器：DHG-9140A电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），Y（B）813织物沾水度仪（温州市大荣纺织仪器有限公司），P-AI立式小轧车（杭州三锦仪器设备有限公司），WDW-10C织物强力机（上海华龙测试仪器有限公司），R-3定型烘干机（宁波纺织仪器厂），SL200A光学法接触角仪（上海梭伦信息科技有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 经编涤纶织物的防水整理

基布选择：187 g/m2经编涤纶织物为基布，对其进行防水整理。

防水助剂一浸一轧整理：防水整理液配方为碳六含氟防水剂TF-5501，质量分数为5%，采用一浸一轧整理工艺，浸轧带液率70%，对经编涤纶织物进行浸轧处理。

焙烘：焙烘温度170℃，焙烘时间120 s，获得具有疏水性表面的经编涤纶织物，备用。

1.2.2 PU发泡涂层织物的制备工艺流程

PU发泡涂层织物制备的工艺流程如图2所示。

1.2.3 PU发泡涂层浆料的制备

分别称取水性PU乳液100 g、稳泡剂8 g、交联剂1 g、热膨胀微球 2 g、炭黑色浆0.2 g、填料（云母粉、铝粉、高岭土）30 g，将其混合搅拌均匀，制备得到灰色浆料后，控制黏度在5000～6000 mPa·s，投入发泡机中进行发泡，发泡机参数设定为泡沫密度400～600 g/L，获得PU发泡涂层浆，备用。

1.2.4 PU发泡涂层织物的制备

将上述步骤中发泡完成的稳定发泡涂层浆均匀刮涂在经编涤纶织物（非平整面）表面，刮涂量为160～190 g/m2，然后在90℃下预烘60 s，随后在170℃下焙烘60 s，得到不同工艺参数（刀距、填料种类、是否加入热膨胀微球）下制备的发泡涂层织物面料。

1.3 测试与表征

1.3.1 防水等级测试方法

按照GB/T 4745—2012《纺织品 防水性能的检测和评价 沾水法》进行测试。将试样安装在环形夹持器上，保持夹持器与水平成45°，试样中心位置距喷嘴下方一定的距离。用一定量的蒸馏水或去离子水喷淋试样。喷淋后，通过试样外观与沾水现象描述及图片的比较，确定织物的沾水等级，并以此评价织物的防水性能［10］。

1.3.2 扫描电镜表征

扫描电子显微镜（SEM）用于观测织物表面形貌。采用德国Uitra55热场发射扫描电子显微镜观察不同工艺参数下制备的涂层织物表面形貌变化，电镜表征前对试样进行镀金处理，扫描电压为3 kV。

1.3.3 傅里叶变换红外光谱分析

傅里叶变换红外光谱用于表征膜含有的化学基团。采用美国Nicolet公司的傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，57000）对不同工艺参数下制备的涂层织物进行红外光谱分析。溴化钾压片法，光谱分辨率为4 cm-1，扫描范围为450～4000 cm-1，扫描频率为64次。

1.3.4 水接触角测试

用SL200A光学法接触角测试仪器测定织物与水的接触角。取大小适宜的织物，测量时每个水滴的体积为10 μL，测量得到水滴在织物上的接触角。一般要求整个操作过程在1 min内完成。每个样品取3个不同的点测量，取其平均值为织物表面的接触角［11］。

1.3.5 剥离牢度测试

按照FZ/T 60011—2016《复合织物剥离强力试验方法》进行测试。在规定条件下，以恒定速度将试样复合部分的两层材料剥离一段长度，记录试样剥离过程中的剥离曲线，以此计算试样的剥离强力。

1.3.6 隔音性能测试

采用丹麦BRUEL&KJAER公司生产的型号为7758的四麦克风驻波管，对复合材料的隔音性能进行测试，测试频率为80～1600 Hz，测试温度为室温，样品尺寸为直径100 mm的圆。

2 结果与讨论

2.1 TEMS对PU发泡涂层织物隔音性能的影响

2.1.1 SEM分析

为了分析TEMS在PU发泡涂层中的作用，对其膨胀前后进行表面形貌分析，结果如图3所示，TEMS高温加热前的颗粒形状大小不一，体积大小相差较大，直径约在10～50 μm，TEMS表面有凹槽。经过高温膨胀后，TEMS体积变大，这是因为当加热时，TEMS具有特殊的热塑性空心聚合物受热，使得壳内气体压力增加并且热塑性外壳软化，从而使膨胀微球体积显著增加，约为原来体积的几十倍。也使得经编涤纶织物在经过发泡涂层整理后具有比较松软且较厚的涂层表面，从而进一步赋予了经编涤纶织物一定的隔音性能。

2.1.2 FT-IR分析

TEMS对PU发泡结构的影响如图4所示，对于TEMS，1124 cm-1处是由于CO的伸缩振动，1209 cm-1处的吸收峰为C—O—C的伸缩振动，以及2954 cm-1处的吸收峰是由于甲基和次甲基的伸缩振动，这些特征峰都是聚甲基丙烯酸酯的特征峰。另外，在2242 cm-1处的吸收峰是归因于—CN的伸缩振动。由此可以判断，TEMS的加入，并没有产生新的化学键，未破坏PU发泡涂层体系，这也是物理发泡的特征所在。

TEMS的加入未使得PU发泡涂层发生化学变化，破坏分子结构。且在经过高温烘燥工艺发生膨胀后，赋予涂层一种松软粗糙的表面风格，不仅可以提高该涂层织物的隔音性能，粗糙的表面风格也适用于墙布面料，使用过程中可以增加与墙体之间粘贴。

2.2 刀距对PU发泡涂层织物隔音性能的影响

利用控制变量法，填料选用云母粉、加入TEMS，设置不同刀距（涂层厚度）制备PU发泡涂层织物进行测试分析对比。

2.2.1 SEM分析

为了探究不同刀距对PU发泡涂层织物的性能影响，分别以刀距0.48、0.58 、0.78 mm进行制样对比。其表面形貌如图5所示，当刀距为0.48 mm时，PU涂层织物表面的TEMS出现破裂，这是因为刀距越小，涂层厚度越薄，使得TEMS较多地暴露在表面，所以在高温烘燥的过程中，容易过度膨胀导致破裂。刀距增大至0.58 mm時，涂层表面的TEMS状态比较好，膨胀体积较为接近。当刀距进一步增大至0.78 mm时，TEMS的膨胀体积差异较大，这是因为刀距越大，发泡涂层越厚，TEMS较多地分布在涂层内部，所以在烘燥过程中，容易受热不均匀，导致TEMS的体积大小不一。

进一步对不同刀距下的PU发泡涂层织物的截面形貌进行分析，结果如图6所示。从图6中可以看出，刀距越大，发泡涂层厚度越厚。此外，从PU发泡涂层织物的截面形貌也能表明，刀距为0.48 mm时，TEMS更多的是暴露在涂层表面，且较多的处于过膨胀状态；刀距增大到0.58 mm时，TEMS有的分布在涂层表面，有的分布在发泡涂层孔洞中，其大小比较均一，使得发泡涂层织物结构更加松软空隙多；当刀距增至0.78 mm时，TEMS体积较小地分布在发泡涂层的孔洞中，使得发泡涂层的空隙变小，所以发泡涂层工艺中，最佳刀距为0.58 mm。

2.2.2 FT-IR分析

本实验采用的PU主要是异氰酸酯类，不同刀距下PU发泡涂层织物的红外测试图谱如图7所示。图7中在2242 cm-1处的吸收峰归因于—CN的伸缩振动，而在1078 cm-1和1024 cm-1的吸收峰主要归因于Si—O—Si的伸缩振动，这是由于填料云母粉的存在表现出的特征峰。

2.2.3 剥离牢度分析

为了探究涂层工艺中不同刀距对PU发泡涂层织物涂层剥离牢度的影响，对其不同刀距下制备所得的发泡涂层织物进行剥离牢度测试，测试结果如图8所示。从图8中可以发现，随着刀距的增大，涂层剥离牢度大小逐渐降低，这是因为刀距越大，发泡涂层越厚，发泡涂层与基布纤维之间的抓取力越小，另外，涂层越厚，在烘燥过程中，发泡涂层表面水分较快蒸发，但涂层中间的泡沫不易干燥，导致涂层本身容易开裂，测试时容易从中间断开，导致发泡涂层牢度下降。

2.2.4 隔音性能分析

为了探究不同刀距对PU发泡涂层织物隔音性能的影响，对比了不同刀距下制备所得的PU发泡涂层织物的隔音量大小，测试结果如图9所示。研究结果表明，不同刀距直接影响着发泡涂层厚度，使其隔音性能不同。刀距为0.48、0.58、0.78 mm下对应的的平均隔音量分别为20、26、34 dB。其中，刀距越大，发泡涂层厚度越厚，隔音量越大，涂层织物隔音性能越好，这是因为涂层厚度越厚，阻尼填料越多，另一方面，涂层厚度越大，声音传播途径越长，产生的损耗也越大，所以隔音量越大。但是发泡涂层过厚，发泡涂层织物在烘燥过程中，发泡涂层表面容易产生裂缝，在实际生产过程中很难调控。综上所述，选择刀距为0.58 mm。

2.3 填料种类对PU发泡涂层织物隔音性能的影响

利用控制变量法，刀距0.58 mm、加入TEMS，设置不同填料：云母粉、铝粉、高岭土条件下制备PU发泡涂层织物进行测试分析对比。

2.3.1 SEM分析

图10是3种不同填料下制备所得PU发泡涂层织物的表面形貌图，图10（a）、图10（b）、图10（c）分别是加入云母粉、铝粉以及高岭土作为填料时的涂层表面形貌图。对比可知，加入云母粉时，发泡涂层表面孔隙较多，泡孔较大，TEMS分布在孔隙中以及孔隙表面，使得织物获得一种松软且具有较大的比表面积的涂层膜。这是因为云母粉具有比较特殊的层状结构，可以很好地分散在发泡涂层中。这也是最终得到的PU发泡涂层织物具有较好的隔音性能的原因之一。

2.3.2 FT-IR分析

为了分析不同填料对PU发泡涂层织物结构的影响，3种不同填料下制备所得的PU发泡涂层织物的红外分析如图11所示。在1078 cm-1和1024 cm-1的吸收峰主要归因于Si—O—Si的伸缩振动，这是由于填料云母粉的存在表现出的特征峰。930 cm-1是由于Al—OH的伸缩振动，780 cm-1是由于Si—O的伸缩振动。另外，在2242 cm-1处的吸收峰是归因于—CN的伸缩振动。由此可以判断，填料的加入，并没有产生新的化学键，未破坏PU发泡涂层体系，这也是物理发泡的特征所在。

2.3.3 剥离牢度分析

为了探究不同填料对PU发泡涂层牢度的影响，对3种不同填料下制备所得的PU发泡涂层织物进行涂层剥离牢度测试，测试数据如图12所示，结果表明：云母粉、铝粉、高岭土作为填料制备的PU发泡涂层织物的涂层牢度分别为17、15.8、16.2 N，不同填料对涂层剥离牢度影响不大，均达到了15 N以上。

2.3.4 隔音性能分析

不同填料PU发泡涂层织物隔音测试如图13所示。由图13可知，不同填料影响着发泡涂层织物的隔声性能。云母粉作为填料添加于涂层浆料中，材料具有较好的隔声量；高岭土和铝粉作为填料时，制备所得的发泡涂层织物的隔音性能较差，但仍具有一定的隔声性能。出现这种现象的原因是：云母粉本身为片层状结构，比表面积大，具有良好弹性与韧性，在涂层浆料中能够提高填料与乳液间接触面积，当遇到外界振动时，可以定向滑动，增加涂层浆料的摩擦内损耗。同时云母粉粒径相对较小，可以提高浆料的表面密度，增加对声波的衰减。铝粉，由于其自身为鳞状结构，表面能高，可提高涂层织物表面膜的面密度，在中高频范围（600～1600 Hz）涂层有良好的隔声性能。而高岭土是一种非金属矿产，是一种以高岭石族黏土矿物为主的黏土和黏土岩，其主要化学组成成分有SiO2和Al2O3，高岭土作为填料时，由于粒径大，其表面与聚合物乳液结合不紧密，导致涂料面密度小，因而涂料的损耗因子与80～1600 Hz 频率范围隔声量相对其他填料要差［12］。因此，对比之下云母粉作为填料时，PU发泡涂层织物具有较好的隔声性能，结合上文2.2.4不同刀距对PU发泡涂层织物隔音性能的分析，在最佳刀距下用云母粉作为填料平均隔音量可达26 dB。

2.4 水接触角分析

不同织物亲水接触角测试结果对比如图14所示，图中经编涤纶织物水接触角为88°，说明织物具有亲水性表面。防水经编涤纶织物表面水接触角约123°，说明经过防水整理后，經编涤纶织物获得了疏水性表面，所以亲水角度增加。织物赋予的疏水性表面更有利于后续发泡涂层工艺整理，防止发泡涂层整理过程中浆料发生渗透，导致最后发泡涂层织物的手感变硬以及其他生产问题。经过发泡涂层整理后制备所得的PU发泡涂层经编涤纶织物涂层表面接触角约103°，表明该涂层具有一定的疏水性，有一定的防水功能。

3 结 论

本文利用浸轧和发泡涂层工艺对经编涤纶织物进行后整理工序，其中，发泡涂层对织物进行涂层整理可以赋予织物一定厚度且柔软的膜表面。不同的涂层工艺参数对涂层风格、成膜性以及隔音性能都有一定的影响，主要结论如下：

a）发泡涂层工艺中，加入少量热膨胀微球，高温烘燥后可以使得经编涤纶织物获得比较松软且一定厚度的涂层表面，从而进一步赋予了经编涤纶织物一定的隔音性能。

b）发泡涂层工艺中，不同刀距影响着发泡涂层织物的隔音性能。刀距越大，涂层织物表面膜越厚，涂层织物的隔音性能越好，但是刀距过大，在生产烘燥过程中发泡涂层容易开裂，最终最佳工艺中刀距定为0.58 mm。

c）发泡涂层工艺中，不同填料也影响着涂层织物的隔音性能，当涂层浆料中加入层状云母粉作为填料时，制备得到的PU发泡涂层织物隔音性能最佳，平均隔音量可达26 dB。

該类防水隔音降噪多功能涂层织物在墙布市场具有广阔的应用前景。

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Abstract： In recent years， coating finishing has become one of the important methods of functional finishing of textile materials. Coating finishing is to evenly coat the surface of the fabric with a layer of polymer compounds that can form a film， so as to change the performance and style of the fabric and improve the added value of the textile. At present， among many coating materials， water-based coating materials stand out because of their environmental protection. Specifically， waterborne polyurethane （PU） coating is a high-quality coating material with high tensile strength， good elasticity and amphiphilicity. It can be used in foaming preparation process， and the foam coated fabric is widely used. For example， soft foam is used as the padding of vehicles， rooms and clothing， and hard foam is used as heat insulation， sound absorption， packaging， insulation and low foaming synthetic wood. Therefore， it is feasible to finish the fabric with foaming coating to make it obtain a relatively soft structure and improve its sound insulation performance.

In order to develop a multi-functional wall fabric with sound insulation and noise reduction， the warp knitted polyester fabric was waterproofed by padding process to obtain a certain hydrophobicity and the polyurethane （PU） foam coating was used for waterproofing functional finishing of base fabric. The effects of different preparation process parameters on the peeling fastness and sound insulation performance of the coated fabrics were explored， and the application advantages of PU foam coated fabrics as wall covering fabrics were analyzed. The results show that when the dosage of PU in the coating slurry formulation is 100 g， the mica powder is 30 g， and the thermally expandable microspheres are 2 g， the baking temperature is 170 °C， the baking time is 60 s， and the knife distance is 0.58 mm， the PU foamed coating fabric is prepared， the peeling fastness of PU foaming coating fabric is 17 N， the average sound insulation amount could reach 26 dB， and the coating peeling fastness and sound insulation performance reach the best.

In the future， wall cloth will gradually replace wallpaper， and consumers have more and more requirements for the performance of wall cloth， such as waterproof， insect control， environmental protection， sound absorption and other versatility. At the same time， consumers are more looking forward to the safety of decoration， anti-fouling and easy scrubbing， antibacterial and mildew resistance， and the diversification of colors and patterns of wall cloth. In conclusion， this kind of waterproof， soundproof and noise reduction multifunctional coated fabric has a broad application prospect in the wall covering market.

Keywords： polyurethane; foam coating; wall covering; sound insulation performance; peel fastness