超疏水排氣膜的制備和性能分析

王 洪 朱雅琴 楊靜雨

東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

超疏水排氣膜的制備和性能分析

王 洪 朱雅琴 楊靜雨

東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

通過配置3種不同成分的溶液制備3種排氣膜，測(cè)試排氣膜的透氣性、阻水性和接觸角等性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：N, N -二甲基乙酰胺(DMAC)、N, N -二甲基甲酰胺(DMF)和N -甲基吡洛烷酮(NMP)對(duì)所得排氣膜的透氣性和阻水性有不同的影響。由DMAC和NMP配置的溶液制得排氣膜的阻水性優(yōu)良，但透氣性較差；由DMF配置的溶液制得排氣膜的透氣性相當(dāng)高，但阻水性大大下降。

超疏水， 排氣膜， 透氣， 阻水， 接觸角

近年來，紡織品的功能性在不斷提高，并越來越多樣化。具有超疏水性能的紡織材料，因在防水、防污、自清潔、抑菌等領(lǐng)域的應(yīng)用和誘人前景，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大關(guān)注。所謂超疏水表面，一般是指與水的靜態(tài)接觸角大于150.0°、滾動(dòng)角小于10.0°的表面。超疏水織物因優(yōu)異的抗黏結(jié)、自清潔和防污等特殊的表面性能，深受消費(fèi)者的青睞，其可廣泛應(yīng)用在防雪/防雨/防污戶外服、潛水衣、室內(nèi)裝飾織物、野營(yíng)帳篷、軍用作戰(zhàn)服、工業(yè)用防水布、農(nóng)用紡織品及醫(yī)藥衛(wèi)生用紡織品等方面[1]。因此，有關(guān)人工制備仿生超疏水織物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，其已成為近年來的一個(gè)熱點(diǎn)課題。

精密輸液過濾器上安裝有一層空氣膜(即輸液排氣膜)，它能在輸液初期輔助排除輸液管中的氣泡，在輸液過程中使外界空氣進(jìn)入輸液瓶，從而確保足夠的輸液速度。也就是說，該膜在防止藥液滲漏的同時(shí)又能讓空氣順利通過。這便對(duì)材料的孔隙率和防水效果提出了更高的要求。西歐等國(guó)家已成功研制并生產(chǎn)出以尼龍非織造布為基布的輸液排氣膜，但我國(guó)因相關(guān)研究匱乏，大部分的排氣膜主要依靠進(jìn)口。目前，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)正在嘗試通過以非織造布為基布，再加以涂層來控制輸液排氣膜表面孔徑及疏水效果，但僅依靠涂覆低表面能物質(zhì)是達(dá)不到超疏水效果的。因?yàn)?，根?jù)超疏水理論，超疏水表面需滿足2個(gè)條件：一是表面粗糙的結(jié)構(gòu)；二是較低的表面能[2-3]。所以，超疏水表面的構(gòu)筑可通過2條 途徑來實(shí)現(xiàn):一是直接在疏水性材料表面構(gòu)筑微觀粗糙結(jié)構(gòu)；二是對(duì)微觀粗糙結(jié)構(gòu)進(jìn)行低表面能物質(zhì)修飾。因此，有必要對(duì)輸液排氣膜進(jìn)行表面粗糙化整理。且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費(fèi)水平的提高，開發(fā)和應(yīng)用超疏水排氣膜已成必然之勢(shì)[4-5]。

本課題旨在非織造布的基礎(chǔ)上，選擇合適的工藝對(duì)非織造布表面進(jìn)行超疏水整理，并對(duì)其疏水及其他相關(guān)性能進(jìn)行研究，探索最優(yōu)工藝路線，以期為產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原料

N, N -二甲基乙酰胺(DMAC)，江蘇永華精細(xì)化學(xué)品有限公司；N -甲基吡洛烷酮(NMP)，昆山晶科微電子材料有限公司；聚氯乙烯，上海氯堿化工股份有限公司；聚乙烯醇，東京化成工業(yè)株式會(huì)社；異丙醇、四氫呋喃、N, N -二甲基甲酰胺(DMF)，永華科技有限公司；腈綸，上海石化腈綸事業(yè)部；尼龍非織造布基布，面密度為69 g/m2、厚度為0.185 mm。

1.2 儀器和設(shè)備

試劑瓶、玻璃棒、攪拌器、烘箱、分析天平、試管等。

1.3 溶液配制及成膜

1.3.1 溶液1的配置

(1) 將40 mL DMAC和40 mL NMP倒入燒杯中，加入磁子，利用磁力攪拌器攪拌均勻。利用分析天平稱取0.75 g腈綸，并將腈綸分批加入DMAC和NMP的混合溶液中，繼續(xù)攪拌至腈綸完全溶解。

(2) 稱取聚氯乙烯14.25 g，加入上述溶液中，攪拌至完全溶解。

(3) 量取聚乙烯醇10 mL，加入上述溶液中，攪拌至完全溶解。

(4) 量取異丙醇16 mL，加入上述溶液中，攪拌至完全溶解，即得溶液1。

1.3.2 溶液2的配置

在溶液1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入10.00 g四氫呋喃，攪拌均勻，即得溶液2。

1.3.3 溶液3的配置

(1) 將80 mL DMF倒入燒杯中，加入磁子，利用磁力攪拌器攪拌均勻。稱取0.75 g腈綸，將腈綸分批加入到DMF的溶液中，繼續(xù)攪拌至腈綸完全溶解。

(2) 稱取聚氯乙烯14.25 g，加入上述溶液中，攪拌至完全溶解。

(3) 量取聚乙烯醇10 mL，加入上述溶液中，攪拌至完全溶解。

(4) 量取異丙醇16 mL，加入上述溶液中，攪拌至完全溶解，即得溶液3。

所得溶液3靜置后有較明顯的分層現(xiàn)象。

1.3.4 成膜

取3塊長(zhǎng)條尼龍非織造布基布，沿著一端分別逐漸浸漬到制得的3種溶液中；然后從夾緊的2根玻璃棒中拉出尼龍非織造布基布，使溶液均勻地涂覆在尼龍非織造布基布表面；將尼龍非織造布基布在空氣中靜置30 s，然后放入冷水中靜置20 min，取出，放入85 ℃烘箱中烘干。所得排氣膜試樣編號(hào)歸納于表1。

表1 試樣編號(hào)一覽表

2 性能測(cè)試

2.1 透氣性

每種試樣各取6塊，在其上端和下端各打1個(gè)圓形孔，制得圓形試樣。將圓形試樣安裝到同等尺寸的過濾器內(nèi)，然后裝在透氣測(cè)試裝置上。調(diào)整壓力值為10 kPa，讀出刻度表上的數(shù)值，即得試樣的透氣率。

2.2 阻水性

每種試樣各取6塊，在其上端和下端各打1個(gè)圓形孔，制得圓形試樣。將圓形試樣安裝到同等尺寸的過濾器內(nèi)，然后將過濾器的一端與充滿水的注射器相連，另一端與阻水性測(cè)試儀器的塑料管相連。推動(dòng)注射器直到圓形試樣表面有水珠冒出，讀取儀器刻度盤上的數(shù)值，即得試樣的靜水壓。

2.3 接觸角

采用OCA15EC光學(xué)接觸角測(cè)定儀(德國(guó)Dataphysics公司)測(cè)量試樣的接觸角。按照ASTM D 5725-1999標(biāo)準(zhǔn)，將試樣固定在OCA15EC光學(xué)接觸角測(cè)試儀上，利用進(jìn)樣器吸入一定量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試液體(3 uL)滴加到試樣表面，調(diào)節(jié)焦距得到清晰圖像，再通過圖像軟件讀取數(shù)據(jù)。如此重復(fù)在試樣不同位置選擇5個(gè)點(diǎn)，所得結(jié)果的平均值即為試樣與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試液體的接觸角。

本文所用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試液體為去離子水，其表面張力為72.8 mN/m。

2.4 紅外光譜

采用傅里葉紅外光譜儀Nicolet 6700(美國(guó)Thermo Fisher公司)分析試樣的表面成分。利用衰減全反射法(ATR)，直接將試樣放到儀器上測(cè)定，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 透氣性

3種試樣的透氣性如表2所示。

表2 試樣的透氣性

從表2可以發(fā)現(xiàn)：2#試樣比1#試樣的透氣性能要好，而3#試樣的透氣性又明顯優(yōu)于1#和2#試樣。從成膜液的成分角度分析，2#試樣比1#試樣的成膜液中多加入了四氫呋喃，說明四氫呋喃能夠增加膜的孔隙率，提高膜的透氣性；而3#試樣的成膜液中的溶劑改成了DMF，其他成分都維持不變，而所得膜的透氣性卻大大提高，說明DMF溶劑更易形成高孔隙率的膜。

3.2 阻水性

3種試樣的阻水性如表3所示。

表3 試樣的阻水性

從表3可以看出:1#和2#試樣的阻水效果明顯高于3#試樣。且從膜的外觀角度分析：1#和2#試樣的膜表面相對(duì)光滑平整、均勻，3#試樣的膜表面相對(duì)粗糙并有白色顆粒物質(zhì)。鑒于3#試樣的透氣性遠(yuǎn)高于1#和2#試樣，故分析3#試樣因孔徑太大、孔隙率太高、透氣性太好故其阻水性相應(yīng)下降。

3.3 接觸角

3種試樣的接觸角如表4所示。

表4 試樣的接觸角

通常，接觸角小于90.0°的材料稱為親水材料，大于90.0°的材料稱為疏水性材料。從表4可以看出:3種試樣的接觸角皆大于90.0°。其中，1#試樣的接觸角最大，這與其阻水性一致；3#試樣的接觸角大于2#試樣，可能是由前者表面粗糙度較高所引起的。

3.4 紅外光譜

基于3#試樣的膜表面相對(duì)粗糙且有白色顆粒物質(zhì)，與1#、2#試樣的膜表面有較為不同的外觀，猜測(cè)3#試樣的膜的成分特殊，因此選取3#試樣進(jìn)行紅外光譜分析，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 3#試樣的紅外光譜圖

從圖1可以看出：在2 240 cm-1附近出現(xiàn)了—CN特征吸收峰，說明3#試樣的膜中含有聚丙腈成分；在690 cm-1附近出現(xiàn)了—C—Cl的特征吸收峰，說明3#試樣的膜中含有PVC成分。由此可確定，3#試樣的膜是PAN和PVC的共混物。

4 結(jié)論

本課題所研究的醫(yī)用超疏水性排氣膜具有高透氣性和高疏水性的雙重特點(diǎn)，通過3種試樣的性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)：1#和2#試樣成膜效果較好，表面光滑，阻水性能高，但透氣性平均只能維持在2 000 mL/min左右；3#試樣的成膜效果相對(duì)較差，表面有顆粒物質(zhì)，不利于工業(yè)化的生產(chǎn)，其透氣性平均在5 000 mL/min以上，但阻水效果欠佳，究其原因在于溶液3在尼龍非織造布基布表面的成膜效果不好，導(dǎo)致形成的膜的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，孔隙過多，故阻水效果降低，透氣明顯升高。

此外，溶液3靜置后有明顯的分層現(xiàn)象，原因與溶液3中對(duì)DMF的溶解不夠有關(guān)，導(dǎo)致有少量溶質(zhì)析出，故在膜表面形成了顆粒物。

[1] 王慶軍，陳慶民. 超疏水膜表面構(gòu)造及構(gòu)造控制研究進(jìn)展[J]. 高分子通報(bào), 2005(2):63-69.

[2] 王琴琴.幾種超疏水膜的制備與性能[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2012.

[3] 孫旭東，李廣芬，張玉忠. 超疏水膜的研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2009，37(12):5-7.

[4] 張泓筠.超疏水表面微結(jié)構(gòu)對(duì)其疏水性能的影響及應(yīng)用[D].湘潭：湘潭大學(xué),2013.

[5] ZHANG Hongyun, LI Wen, FANG Guoping. A new model for thermodynamic analysis on wetting behavior of superhydrophobic surfaces [J]. Applied Surface Science, 2012, 258(7):2707-2716.

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《產(chǎn)業(yè)用紡織品》編輯部

Preparation and performance analysis of super-hydrophobic exhaust membrane

WangHong,ZhuYaqin,YangJingyu

Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

Three kinds of exhaust membranes were obtained by using three solutions made of different ingredients to measure their properties, such as the gas permeability, the water retardance and the contact angle, etc. It was found that DMAC, DMF and NMP had different influences on the gas permeability and the water retardance of exhaust membranes. The exhaust membrane which was prepared by using the solution made of DMAC and NMP had excellent water retardance and low gas permeability, while the exhaust membrane prepared by using the solution made of DMF had higher gas permeability and lower water retardance.

super-hydrophobic, exhaust membrane，gas permeability, water retardance, contact angle

2016-05-23

王洪，女，1970年生，副教授，主要從事功能非織造材料的研發(fā)

TQ325.3

A

1004-7093(2017)03-0039-04