粘合劑對(duì)納米纖維膜復(fù)合織物性能的影響

夏　鑫，曹夢(mèng)佳，陳　玲

（新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，烏魯木齊　830046）

粘合劑對(duì)納米纖維膜復(fù)合織物性能的影響

夏鑫，曹夢(mèng)佳，陳玲

（新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，烏魯木齊830046）

為提高納米纖維復(fù)合織物的服用性能及界面結(jié)合性能，利用等離子體技術(shù)對(duì)相變/PAN納米纖維膜進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試確定了最佳等離子體處理?xiàng)l件；重點(diǎn)研究了織物復(fù)合時(shí)低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠、纖維絲膠和氣凝膠3種不同特性的粘合劑對(duì)復(fù)合織物的保溫性、透氣透濕性及力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明：等離子體處理相變/PAN納米纖維膜的最佳參數(shù)為功率120 W，處理速率80 mm/s；使用氣凝膠粘合的復(fù)合織物保溫性能最佳，傳熱系數(shù)12.37 W/（m2·℃），降溫系數(shù)39.26%，克羅值0.521（0.155℃m2/W）；低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠粘合的復(fù)合織物表現(xiàn)出較高的透氣性、透濕性效果及界面結(jié)合性能，透氣率11.42 mm/s，透濕量17 010.2 g/（m2·d），剝離強(qiáng)力53.75 cN；粘合劑在織物界面的形貌結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)是復(fù)合織物性能的關(guān)鍵影響因素.

粘合劑；納米復(fù)合織物；保溫性；透氣性；透濕性；界面結(jié)合

隨著紡織行業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)紡織品綜合性能要求的不斷提升，多功能復(fù)合織物無(wú)疑將在織物發(fā)展中占據(jù)一席之地［1］.其中，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的靜電紡絲納米纖維在紡織中的應(yīng)用也在不斷增多，特別是將納米纖維與傳統(tǒng)織物相結(jié)合應(yīng)用于功能紡織品及特種防護(hù)紡織品的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮［2-4］.

在功能性紡織品的發(fā)展中，使用相變材料制備自調(diào)溫紡織品是一種利用材料的相變溫度轉(zhuǎn)化而起到溫度調(diào)節(jié)作用的節(jié)能環(huán)保的新型課題［5-7］.在該領(lǐng)域的研究中發(fā)現(xiàn)，使用納米纖維作為脂肪酸類相變材料的支撐材料，制備相變納米纖維并與傳統(tǒng)織物復(fù)合，能夠充分利用納米纖維質(zhì)輕、相變材料儲(chǔ)存穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)織物穿著舒適性好的特點(diǎn)相結(jié)合，可開(kāi)發(fā)出新型納米自調(diào)溫復(fù)合織物［8-9］.但此類復(fù)合織物因由納米纖維與普通織物組成，其兩種材料在穿著舒適性、力學(xué)性能及界面結(jié)合性方面存在諸多問(wèn)題需要解決.

本文在前期研究基礎(chǔ)上，對(duì)相變納米纖維復(fù)合織物進(jìn)行服用性能、力學(xué)性能以及界面結(jié)合性能的改善.首先對(duì)相變/PAN納米纖維膜進(jìn)行最佳等離子體處理，以改善其表面形貌結(jié)構(gòu)，再分別使用低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠、纖維絲膠和氣凝膠作為粘合劑，對(duì)織物與相變/ PAN納米纖維膜進(jìn)行三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合，研究粘合劑的不同對(duì)其性能的影響.其中，低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠無(wú)色無(wú)味，不含溶劑無(wú)污染，具有耐高溫、耐水洗等優(yōu)點(diǎn)，有利于兩種材料之間貼合的水平和完整；纖維絲膠熔點(diǎn)明顯低于常規(guī)纖維，可優(yōu)良地粘結(jié)其它纖維且不影響后續(xù)織物的透氣性；氣凝膠無(wú)毒，具有較大的比表面積和高孔隙率，具有延時(shí)粘合以及增稠、觸變和補(bǔ)強(qiáng)作用.通過(guò)比較由3種粘合劑復(fù)合的織物在保溫性、透氣透濕性及力學(xué)性能方面的差異，探究適用于納米纖維復(fù)合織物的粘合劑并剖析其原因，為開(kāi)發(fā)新型納米纖維功能性復(fù)合織物提供一定的理論及實(shí)踐基礎(chǔ).

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

所用實(shí)驗(yàn)材料包括：聚丙烯腈（PAN），Mw= 50～60 ku，浙江上虞吳越經(jīng)貿(mào)有限公司產(chǎn)品；棕櫚酸（PA），上海山浦化工有限公司產(chǎn)品；硬脂酸（SA），天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；癸酸（CA），阿拉丁試劑上海有限公司產(chǎn)品；N，N二甲基甲酰胺（DMF），分析純，天津市永晟精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品；低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠（pes網(wǎng)膜），上海安勞實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；纖維絲膠（熱熔絲），廣東市崇光貿(mào)易有限公司產(chǎn)品；SUPER77氣凝膠，美國(guó)3M公司產(chǎn)品.

所用設(shè)備包括：Atomflo 400型射頻等離子體設(shè)備，美國(guó)Surfx Technologies LLC公司產(chǎn)品；OCAl5EC型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó)Dataphysics公司產(chǎn)品；S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司產(chǎn)品；YG（B）606D型平板式保溫儀，YG（B）026PC型電子織物強(qiáng)力機(jī)，YG（B）008E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)，YG（B）461E型數(shù)字式織物透氣性能測(cè)定儀，溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠產(chǎn)品；YG601型電腦式透濕測(cè)試儀，寧波紡織儀器廠產(chǎn)品.

1.2相變/PAN納米纖維膜的制備及預(yù)處理

配制以DMF為溶劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN靜電紡絲液，并在紡絲液中加入PA、SA和CA的混合相變材料（質(zhì)量比為14.7∶6∶79.3），60℃下磁力攪拌24 h至充分溶解.靜電紡絲參數(shù)為：電壓18 kV，溶液推進(jìn)速度為1.0 mL/h，滾筒接收距離20 cm，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min.通過(guò)控制相同的紡絲時(shí)間（12 h）以確定不同樣品中具有相同厚度的纖維膜.

采用Atomflo 400型射頻等離子體設(shè)備對(duì)相變/ PAN納米纖維膜進(jìn)行離子體處理.工作條件為：氦氣（He）為工作氣體，氧氣（O2）為反應(yīng)氣體，且He/O2流量為35/0.4 L/min，處理功率分別為100 W與120 W，處理速率為80、90、100 mm/s，處理時(shí)間均為15 s.

1.3織物復(fù)合

在最佳等離子體處理?xiàng)l件下對(duì)相變/PAN納米纖維進(jìn)行處理后，進(jìn)行相變/PAN納米纖維膜復(fù)合織物的制備.以粘膠織物作為內(nèi)層，相變/PAN納米纖維膜作為中間層以及羊毛織物作為外層，裁剪各樣品大小為20 cm×20 cm，分別選用低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠、纖維絲膠和SUPER77氣凝膠通過(guò)熱壓或噴涂以三明治形式進(jìn)行復(fù)合，從而獲得粘膠/相變/PAN納米纖維膜/羊毛復(fù)合織物.為方便描述，本文分別以使用的粘合劑名稱作為不同種復(fù)合織物的簡(jiǎn)稱.

1.4性能表征與測(cè)試

（1）納米纖維膜性能表征：根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 30447-2013《納米薄膜接觸角測(cè)量方法》，使用OCAl5EC型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)處理前后相變/PAN納米纖維膜的動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)試，從而確定等離子體處理的最佳參數(shù).采用S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)等離子體處理前后的納米纖維膜表面形貌進(jìn)行對(duì)比觀察，觀察前對(duì)表面進(jìn)行噴金處理以提高其導(dǎo)電性.

（2）復(fù)合織物的服用性能測(cè)試：依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/ T11048-2008標(biāo)準(zhǔn)，采用YG（B）606D型平板式保溫儀對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行保溫性能測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)試3次，求平均獲得最終測(cè)試值；依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 5453-1997標(biāo)準(zhǔn)選用YG（B）461E型數(shù)字式織物透氣性能測(cè)定儀測(cè)試復(fù)合織物的透氣性能，3種試樣的面積均為20.00 cm2，噴嘴號(hào)均為1號(hào)，試樣壓差分別為200 Pa 和300 Pa，每個(gè)樣品測(cè)試3次，求平均獲得最終測(cè)試值；依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T12704.2-2009標(biāo)準(zhǔn)，采用YG601型電腦式透濕測(cè)試儀對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行透濕性能測(cè)試，試驗(yàn)條件為溫度（38±2）℃、相對(duì)濕度90%±2%.每個(gè)樣品測(cè)試3次，求平均獲得最終測(cè)試值.

（3）復(fù)合織物的力學(xué)性能測(cè)試：依據(jù)國(guó)標(biāo)GB 3923.1-1997標(biāo)準(zhǔn)，采用YG（B）026PC型電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行拉伸強(qiáng)力測(cè)試，主要測(cè)試參數(shù)為夾持距離120 mm、試樣寬度30 mm、預(yù)加張力200 cN、牽伸速率100 mm/min，每個(gè)樣品測(cè)試3次，求平均獲得最終測(cè)試值；采用YG（B）008E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行剝離強(qiáng)力測(cè)試，主要測(cè)試參數(shù)為量程100 cN、試樣寬度10 mm，預(yù)加張力0.2 cN、夾距10 mm，速率100 mm/min，每個(gè)樣品測(cè)試3次，求平均獲得最終測(cè)試值.

2 　結(jié)果與討論

2.1相變/PAN納米纖維膜表面動(dòng)態(tài)接觸角分析

為提高粘合劑對(duì)納米纖維與織物的結(jié)合性，使用常壓射頻等離子技術(shù)對(duì)相變/PAN納米纖維膜進(jìn)行預(yù)處理.當(dāng)?shù)入x子處理工作氣體為氧氣時(shí)，其對(duì)材料處理后的最直接表現(xiàn)為改善其親水性.本文并采用Wilhelmy吊片法測(cè)量織物與液體間的動(dòng)態(tài)接觸角，通過(guò)測(cè)定液體對(duì)固體的拉力或推力即潤(rùn)濕力的方式從而間接測(cè)定接觸角.通常在纖維膜實(shí)際表面潤(rùn)濕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的觸角滯后，即接觸角滯后：

式中：θA為前進(jìn)角；θR為后退角.其反映了液體從固體表面滾落的難易程度.接觸角滯后越小，水滴越不易從織物表面滾落，由此確定最佳等離子體處理?xiàng)l件［10］.

表1所示為樣品在不同處理功率（100、200 W）、不同處理速度（80、90、100 mm/s）條件下的動(dòng)態(tài)接觸角.

表1　樣品動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果Tab.1　Test results of dynamic contact angles

需要特別說(shuō)明的是，由于相變/PAN納米纖維膜所表現(xiàn)出的親水及吸濕性，在測(cè)試過(guò)程中與測(cè)試水接觸后會(huì)立刻浸濕，導(dǎo)致所測(cè)得的動(dòng)態(tài)接觸角中的后退角多數(shù)表現(xiàn)為0°，這一現(xiàn)象與納米纖維特殊的結(jié)構(gòu)排列、比表面積大等特點(diǎn)有關(guān)［11-12］.因此，本文采用前進(jìn)角作為其親水性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).由表1可知，等離子體處理功率與處理速度均影響著納米纖維膜的親水性.當(dāng)使用100 W功率時(shí)，隨著處理速度的變化，前進(jìn)角呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；而使用120 W功率時(shí)，隨著處理速度的加快，前進(jìn)角反而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于在大功率條件下，瞬間速度的等離子處理反而會(huì)破壞納米纖維的表面形貌［13-14］.但通過(guò)整體前進(jìn)角的變化趨勢(shì)可知，120 W的處理效果均優(yōu)于100 W，特別是當(dāng)處理速率為80 mm/s時(shí)，前進(jìn)角為35.89°.因此，確定120 W、80 mm/s為相變/PAN納米纖維膜的最佳等離子體處理參數(shù).

2.2相變/PAN納米纖維膜的表面形貌分析

利用掃描電鏡觀察了等離子體處理（120 W、80 mm/ s）前后纖維膜的表面形貌變化，如圖1所示.

圖1　相變/PAN納米纖維膜的SEM圖Fig.1　SEM of phase change/PAN nanofiber membrane

由圖1可以看出，未經(jīng)等離子體處理的樣品表面比較光滑，當(dāng)?shù)入x子體處理后，樣品表面出現(xiàn)明顯刻蝕的凹凸不平狀，這樣的形貌會(huì)使纖維表面摩擦力增大，有利于與織物的復(fù)合.

2.3復(fù)合織物的保溫性能分析

不同特點(diǎn)的粘合劑在進(jìn)行織物與納米纖維膜復(fù)合時(shí)表現(xiàn)出了不同的復(fù)合效果.復(fù)合織物中因有相變/ PAN納米纖維膜的加入，其中的相變材料具有自調(diào)溫作用［15-16］，對(duì)復(fù)合織物的保溫性能起到了決定性的影響.表2所示為復(fù)合織物的保溫性能測(cè)試值.

表2　復(fù)合織物的保溫性能Tab.2　Heat preservation performance of composite fabrics

克羅值和保溫系數(shù)越大、傳熱系數(shù)越低，說(shuō)明織物的保溫性能越好［17］.由表2可以看出，氣凝膠復(fù)合織物具有最好的保溫性能，這是由于氣凝膠在受到擠壓后，可脫去大部分溶劑，凝膠中溶劑含量減少并且增加了結(jié)構(gòu)中所含的氣體，性質(zhì)發(fā)生改變而使外表呈固體狀，阻擋了熱量的傳遞，故具有良好的保溫性能［18］.

2.4復(fù)合織物的透氣和透濕性能分析

透氣性是指織物透過(guò)空氣的能力，其中織物的組織結(jié)構(gòu)是影響織物透氣性的一個(gè)重要物理因素.而織物的透濕性主要和水汽通過(guò)織物的傳遞途徑有關(guān)，其中包括孔隙的擴(kuò)散和纖維自身吸濕兩種.3種不同粘合劑復(fù)合織物的透氣、透濕性能如表3所示.

表3　復(fù)合織物的透氣透濕性能Tab.3　Air permeability and water vapor transmission performance of composite fabrics

當(dāng)采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的織物、納米纖維膜以及相同等離子體處理?xiàng)l件時(shí)，不同粘合劑在界面間的存在形式就成為了影響復(fù)合織物透氣透濕性能的主要影響因素.由表3可知，低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠復(fù)合織物的透氣透濕性最佳，其次是纖維絲膠和氣凝膠復(fù)合織物.分析其原因可歸結(jié)為：

（1）粘合劑在界面間的形態(tài)分布如圖2所示，3種不同粘合劑在納米纖維膜上呈現(xiàn)了不同的結(jié)構(gòu)分布.低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠均勻分散在纖維間（圖2（a）），其網(wǎng)格狀分布對(duì)復(fù)合織物的覆蓋面積小，因而對(duì)空氣及水蒸氣的透過(guò)率影響較??；而纖維絲以纖維狀存在，雖然對(duì)傳統(tǒng)織物的組織結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，但當(dāng)用于納米纖維膜與織物復(fù)合時(shí)，在納米纖維膜上則體現(xiàn)出局部較大面積的覆蓋（圖2（b））；氣凝膠雖具有粘合劑中透氣性高的優(yōu)勢(shì)，但以噴涂的方法用于納米纖維膜和織物的復(fù)合時(shí)，在其脫溶劑后外表呈固體狀會(huì)影響納米纖維織物的透氣透濕性.

圖2　相變/PAN納米纖維的SEM圖Fig.2　SEM of phase change/PAN nanofiber membrane

（2）復(fù)合時(shí)所采用的粘合溫度.就粘合溫度而言，粘合溫度越高，其熔融指數(shù)大，熱流動(dòng)性好，對(duì)織物的浸潤(rùn)和擴(kuò)散性好，同時(shí)嵌入纖維空隙之間和擴(kuò)散到纖維內(nèi)部的膠體微粒會(huì)增加，纖維間空隙減少，因而也會(huì)造成空氣或水蒸氣不易通透，透氣透濕量減少.因此，3種粘合膠中氣凝膠是在常溫下進(jìn)行粘合的，受該因素影響最?。坏蜏?zé)崛劬W(wǎng)膜膠采用低溫粘合，因此未使纖維膜發(fā)生較為明顯的破壞，對(duì)復(fù)合織物透氣透濕性影響較小.

綜上所述，粘合劑在界面尤其是在納米纖維上的分布狀態(tài)是影響復(fù)合織物透氣透濕性能的主要因素；而對(duì)于粘合溫度，因在選擇粘合劑時(shí)已經(jīng)考慮到粘合溫度對(duì)其服用性能的影響，因此所選取的3種粘合劑溫度均較低，通過(guò)透氣透濕數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了該因素對(duì)納米復(fù)合織物透氣透濕性能的影響較小.

2.5復(fù)合織物的力學(xué)性能分析

表4所示為以不同粘合劑制備的復(fù)合織物的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù).

表4　復(fù)合織物的力學(xué)性能Tab.4　Mechanical properties of composite fabrics

由表4可知，氣凝膠復(fù)合織物表現(xiàn)出最強(qiáng)的斷裂強(qiáng)力，其原因可能與氣凝膠的粘合方式有關(guān)，當(dāng)其以噴涂的形式分散在織物與納米纖維膜界面時(shí)，會(huì)使紗線及纖維膜形成交聯(lián)狀粘合，有利于減少織物上的力學(xué)弱點(diǎn)而提高斷裂強(qiáng)力［13］；使用纖維絲粘合劑的復(fù)合織物伸長(zhǎng)率最大，這與纖維狀材料軸向長(zhǎng)徑比大的優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)；使用低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠的復(fù)合織物的界面結(jié)合牢度最好，有利于進(jìn)行納米纖維膜與織物的復(fù)合.

3 結(jié)論

通過(guò)使用等離子體處理方法及選擇不同種粘合劑制備羊毛/相變/PAN納米纖維膜/粘膠復(fù)合織物，考察其保溫性、透氣透濕性及界面結(jié)合牢度，得出以下結(jié)論：

（1）相變/PAN納米纖維膜的最佳等離子體處理參數(shù)為功率120 W，處理速率80 mm/s，其前進(jìn)角為35.89°，處理后的納米纖維表面呈現(xiàn)明顯的刻蝕.

（2）氣凝膠粘合的復(fù)合織物保溫性能最佳，保溫系數(shù)為39.26%，低溫?zé)崛劬W(wǎng)膜膠粘合的復(fù)合織物透氣性透濕性效果及界面結(jié)合性能最佳，其透氣率為11.42mm/ s，透濕量為17 010.2 g/（m2·d），剝離強(qiáng)力為53.75 cN.

（3）當(dāng)復(fù)合織物的材料結(jié)構(gòu)及等離子體處理?xiàng)l件相同的情況下，粘合劑在復(fù)合織物界面的形貌結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)以及粘合溫度均會(huì)影響納米纖維膜與織物復(fù)合的性能，其中形貌結(jié)構(gòu)是復(fù)合織物透氣透濕性能的關(guān)鍵影響因素.

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Effects of binders on properties of composite fabrics with nanofibers

XIA Xin，CAO Meng-jia，CHEN Ling
（College of Textiles and Clothing，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

In order to improve the properties of wearability and the quality of interface adhesion of composite fabric with nanofibers，plasma treatment was used as preprocess，and the optimal parameter of plasma treatment was decided by the dynamic contact angle test.It was carefully studied the effects of three different binders i.e.melting adhesive film using low temperature，fibrous binder and aerogel on the heat preservation property，the air permeability and water vapor permeability，as well as the mechanical property of composite fabrics.The results showed that the optimal parameter of plasma treatment is power 120 W and treating speed 80 mm/s；the best heat preservation property was obtained by using aerogel as the binder，and the heat transfer coefficient of composite fabric is 12.37 w/（m2·℃），the thermal insulation coefficient is 39.26%，and CLO value is 0.521（0.155℃m2/W）；the excellent air permeability and water vapor permeability properties and the high quality of interface adhesion of composite fabric were obtained by using melting adhesive film，and the air permeability rate of composite fabric is 11.42 mm/s，water vapor permeability 17 010.2 g/（m2·d），and the peeling strength 53.75 cN；what′s more，it is discovered that the morphologic structure and distribution of the binder in the interface are the main influence factors on the properties of composite fabric.

binder；composite fabric with nanofibers；heat preservation property；air permeability；water vapor permeability；interface adhesion

TS101.8

A

1671-024（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.001