篩網(wǎng)熱壓法提高聚丙烯紡粘布的疏水疏塵性研究

陳 晨， 王 洪

(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)

超疏水材料因其具備自清潔特性，在交通、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生上都有廣泛應(yīng)用。 學(xué)術(shù)界目前對(duì)超疏水材料的定義為接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°的材料[1－3]。 超疏水材料的制備通?？梢詮膬蓚€(gè)方面著手，第一種是在低表面能物質(zhì)上形成微納米粗糙結(jié)構(gòu)，第二種是在微納米粗糙結(jié)構(gòu)上附著低表面能物質(zhì)。 目前有以下幾種方法制備超疏水材料，包括刻蝕法、沉積法、模板法、溶液澆鑄法和靜電紡絲法等[4－8]。 盡管形成超疏水表面的方法很多，但大多數(shù)工藝都很復(fù)雜且成本高，并且僅限于生產(chǎn)小面積的樣品。 此外，由于具有高粗糙度的表面往往是脆弱的，表面容易受到污染和結(jié)構(gòu)破壞而影響其超疏水性能。 例如，如果使用手觸摸制備的超疏水材料表面或荷葉表面，這些被觸摸的表面區(qū)域可能被鹽和油污染，觸摸區(qū)域的表面能將顯著增加。 同時(shí)，超疏水材料表面脆弱的表面結(jié)構(gòu)會(huì)被觸摸力破壞，觸摸區(qū)域?qū)⒂谰檬テ涑杷浴?因此，超疏水表面因其耐磨性比較差而不易進(jìn)行產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。鑒于以上問(wèn)題，筆者打算采取一種簡(jiǎn)單且成本低廉的方法，使用孔徑較小的篩網(wǎng)作為可重復(fù)使用的模板，在高溫和高壓條件下對(duì)紡粘布鋪進(jìn)行熱壓，將篩網(wǎng)的表面結(jié)構(gòu)復(fù)制在紡粘布的表面，形成微納米粗糙結(jié)構(gòu)[9]。 與許多其他處理方法不同，熱壓形成的微納米粗糙結(jié)構(gòu)與基底是一體的，因此不容易被破壞。 因此，改性后的紡粘布表面非常堅(jiān)固且耐磨，即便經(jīng)過(guò)反復(fù)磨損循環(huán)，紡粘布依舊保持疏水性。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚丙烯紡粘布(單位面積質(zhì)量為30 g/m2，厚度為0.13 mm)，篩網(wǎng)(300 目，孔徑50μm，不銹鋼316 材質(zhì))，碳粉(N330)。

1.2 試樣制備

選取300 目篩網(wǎng)進(jìn)行熱壓處理，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)光學(xué)圖如下頁(yè)圖1 所示，此結(jié)構(gòu)在熱壓時(shí)不易殘留紡粘布且容易清洗，便于循環(huán)再利用。 制備過(guò)程如圖2所示，將聚丙烯紡粘布裁剪為20 cm×20 cm 方塊狀，將300 目的篩網(wǎng)覆蓋在紡粘布上方，一起放置在平板硫化機(jī)(XLB－D/Q 上海齊才液壓機(jī)械有限公司)上進(jìn)行熱壓處理[10]，通過(guò)調(diào)整熱壓溫度、壓力以及時(shí)間來(lái)制備出具備粗糙微納米表面結(jié)構(gòu)的聚丙烯紡粘布。

圖1 篩網(wǎng)電鏡圖

圖2 試樣制備裝置示意圖

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 接觸角

采用OCA15EC 接觸角測(cè)量?jī)x，根據(jù)DB44/T 1872－2016?紡織品表面潤(rùn)濕性能的測(cè)定 接觸角法?[11－12]，測(cè)試樣品在改性前后的接觸角，其中親水紡粘布采取氣泡法測(cè)試，疏水紡粘布采取普通法測(cè)試。

1.3.2 防水實(shí)驗(yàn)

參考GB/T 4745－2012?紡織品 防水性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià) 沾水法?，采用Y813 型織物沾水度測(cè)定儀測(cè)試沾水性能[13]。 裁剪180mm×180mm 的樣品，倒入250mL 的實(shí)驗(yàn)用水進(jìn)入漏斗，持續(xù)噴淋25～30s，對(duì)照相應(yīng)的沾水等級(jí)描述，確定紡粘布的防水性能。

1.3.3 耐磨性

參考GB/T 21196.1－2007?紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測(cè)定?[14－16]，使用Y522 型圓盤式織物平磨儀(常州第二紡織機(jī)械有限公司)，裁取直徑為125mm 的紡粘布進(jìn)行300 次摩擦，觀察樣品外觀性能變化。

1.3.4 落灰和滴水實(shí)驗(yàn)

參考FZ/T 24012－2010?拒水、拒油、抗污羊絨針織品?中拒油、抗污的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立直觀評(píng)定紡粘布疏塵性能的測(cè)試方法[17－20]。 自制疏塵性能測(cè)試裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。 通過(guò)調(diào)整軌道與固定裝置的夾角調(diào)整液滴下落角度。 將100g 炭黑放置于300mm×200mm 的盒子中，來(lái)回晃動(dòng)使炭黑鋪平均勻，將紡粘布平行放置于炭黑之上，使紡粘布經(jīng)過(guò)熱壓處理的面與炭黑接觸，然后在紡粘布放置一重物(長(zhǎng)方體、200mm×100mm，重0.25kg)在織物中心，施加壓力使紡粘布與炭黑充分接觸。 在施加壓力30s±2s 后，取出試樣放置在自制的裝置上，使用滴管在紡粘布最上方處滴落1mL 水滴。

圖3 自制疏塵性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.5 掃描電鏡測(cè)試(SEM)

用掃描電子顯微鏡(Regulus8230， 日立儀器有限公司)觀察熱壓后紡粘布表面形貌，在15 mA 電流下對(duì)樣品噴金90 s。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 熱壓溫度對(duì)樣品結(jié)構(gòu)的影響以及紡粘布親/疏水性轉(zhuǎn)變?cè)蛱骄?/h3>

通過(guò)差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)得本文所用紡粘布的熔點(diǎn)為163℃，因此選用130℃、140℃、150℃和160℃四個(gè)溫度來(lái)進(jìn)行熱壓制樣。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在150℃和160℃的條件下，紡粘布在平板硫化機(jī)上迅速熱收縮，結(jié)構(gòu)被破壞，無(wú)法正常進(jìn)行熱壓實(shí)驗(yàn)。 130℃和140℃熱壓溫度下所得樣品的電鏡照片如圖4 所示。

圖4 紡粘布熱壓電鏡圖

如圖4(a)所示，紡粘布在130℃的條件下進(jìn)行熱壓，聚丙烯纖維表面出現(xiàn)篩網(wǎng)印跡。 圖4(b)看出，在140℃條件下進(jìn)行熱壓，聚丙烯纖維表面出現(xiàn)更加明顯的篩網(wǎng)印跡。 這是因?yàn)?40℃更接近聚丙烯紡粘布的熔融軟化溫度，熱壓時(shí)篩網(wǎng)模壓轉(zhuǎn)印效果更好，從而賦予紡粘布更加優(yōu)異的微納米粗糙結(jié)構(gòu)，因此疏水性能更好。 綜上，選擇140℃為制備樣品的最佳溫度。

測(cè)試模壓(模壓溫度140℃)前后紡粘布的接觸角，結(jié)果如圖5 所示。 從圖5(a)可以看出，未處理紡粘布的接觸角為65°，是親水紡粘布。 經(jīng)過(guò)140℃熱壓模板法處理后，其接觸角為超過(guò)135°，變?yōu)槭杷牧?，如圖5(b)所示。

圖5 紡粘布接觸角

為了進(jìn)一步排除紡粘布表面親水油劑的影響，將未處理紡粘布放入140℃的熱風(fēng)烘箱中，分別烘燥處理10s、30s、60s 和120s，然后測(cè)試樣品的接觸角，結(jié)果如表1 所示。

表1 烘燥時(shí)間對(duì)親水紡粘布接觸角的影響

由表1 可以看出，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間烘燥處理，親水紡粘布的接觸角稍有變大，但依舊小于90°，仍是親水材料。 這說(shuō)明，篩網(wǎng)模壓在纖維表面所形成的粗糙結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)致紡粘布拒水性能提升的主要原因。

2.2 熱壓壓力對(duì)樣品疏水性能的影響

采用300 目篩網(wǎng)，分別在2Mpa、3Mpa、5Mpa 的熱壓壓力下進(jìn)行熱壓制樣，所得樣品的光學(xué)照片如圖6 所示。

圖6 熱壓后紡粘布光學(xué)圖

從圖6 可見(jiàn)，當(dāng)熱壓壓力為5Mpa 時(shí)，紡粘布表面結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞，這是由于熱壓壓力太大導(dǎo)致聚丙烯纖維受力擠壓變形造成的。 在3Mpa 和2Mpa 時(shí)，紡粘布結(jié)構(gòu)未被破壞，試測(cè)下來(lái)具備一定的拒水性能。 一般認(rèn)為熱壓壓力越大，紡粘布復(fù)制篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的效果越好，因此選用3Mpa 熱壓壓力制備疏水紡粘布。

2.3 熱壓時(shí)間對(duì)樣品疏水性能的影響

使用300 目篩網(wǎng)，統(tǒng)一設(shè)置熱壓壓力為3Mpa，熱壓溫度為140℃，分別在10s、30s 和60s 熱壓時(shí)間下進(jìn)行熱壓制樣，所制備樣品的接觸角如表2 所示。 從表2 可以看出，熱壓后樣品的接觸角明顯提高，由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴?但當(dāng)熱壓時(shí)間為10s時(shí)，紡粘布受到的熱壓作用不夠充分，因此篩網(wǎng)雖然對(duì)紡粘布有一定的效果，但是熱壓時(shí)間不充足導(dǎo)致紡粘布表面復(fù)制的粗糙度不夠大，所以測(cè)試出的接觸角僅為120°。 在30s 時(shí)效果較好，接觸角達(dá)到138°。 隨著熱壓時(shí)間逐漸增加，所得樣品的接觸角變小，且紡粘布與篩網(wǎng)粘附牢度大，不易分離。 綜上所述，熱壓時(shí)間為30s 時(shí)效果最好。

表2 熱壓時(shí)間對(duì)接觸角的影響

2.4 疏水紡粘布耐磨性研究

普通車罩使用壽命為1 到2 年，在使用過(guò)程中的磨損會(huì)導(dǎo)致其疏水性下降。 本文采取模擬實(shí)驗(yàn)，探究紡粘布磨損后的疏水性變化。 使用Y522 型圓盤式織物平磨儀對(duì)試樣進(jìn)行平磨300 次后，發(fā)現(xiàn)其接觸角下降到121°。 進(jìn)一步采用淋水實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)其疏水性能，結(jié)果如圖7。

圖7 平磨后樣品的淋水性

從圖7 可以看出，與原樣相對(duì)，雖然出現(xiàn)了更多的殘留水珠，但平磨300 次樣品依然保持不錯(cuò)的疏水性，說(shuō)明篩網(wǎng)模壓法是提高丙綸紡粘布長(zhǎng)效疏水性的有效方法。

2.5 熱壓紡粘布的疏塵性能探究

像車罩一類的戶外用紡粘布，疏塵性是其主要的性能指標(biāo)。 通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，探尋出一種表征疏塵效果的測(cè)試方法，結(jié)合水滴軌跡和樣品表面炭黑量來(lái)評(píng)價(jià)紡粘布的疏塵性能。 分別將未處理的親水紡粘布和在140℃、3Mpa 條件下熱壓30s 制備的紡粘布水平放入炭黑盒中，使用重物在紡粘布上方施壓30s，再用滴管在紡粘布上方滴落1mL 水滴，樣品的表面外觀如圖如8 所示。

從圖8(a)可以看出，未處理紡粘布表面粘附的炭黑更多，也沒(méi)有留下水滴滾落的痕跡。 相對(duì)而言，熱壓處理紡粘布粘附的灰塵更少，表面出現(xiàn)清晰的水滴滾落痕跡，說(shuō)明其表面炭黑量少，一滴水滴就可以帶走大部分炭黑。 該方法評(píng)價(jià)結(jié)果與樣品接觸角規(guī)律一致，并可以更宏觀地評(píng)價(jià)樣品的疏塵性能。 同時(shí)，從該評(píng)價(jià)結(jié)果可知，熱壓處理可以提高紡粘布的疏塵效果。

圖8 紡粘布疏塵實(shí)驗(yàn)效果

3 結(jié)論

本文通過(guò)篩網(wǎng)熱壓法，利用300 目篩網(wǎng)對(duì)紡粘布進(jìn)行熱壓處理。 搭建了疏塵測(cè)試裝置，探究了熱壓壓力、時(shí)間和溫度對(duì)樣品疏水疏塵性能的影響，得到如下結(jié)論:

(1)篩網(wǎng)熱壓處理可以提高丙綸紡粘布纖維表面的粗糙度，從而提高親水丙綸紡粘布的長(zhǎng)效疏水和疏塵效果。 在低于丙綸纖維熔點(diǎn)30℃、即140℃熱壓溫度下進(jìn)行熱壓，樣品在保持自身外觀手感的前提下表現(xiàn)出更高的拒水效果。 熱壓壓力不宜過(guò)大，過(guò)大的熱壓壓力會(huì)破壞紡粘布本來(lái)的結(jié)構(gòu)，3Mpa 的壓力較為合適。 熱壓時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，最優(yōu)時(shí)長(zhǎng)為30s。

(2)落灰和滴水實(shí)驗(yàn)可以較好地評(píng)價(jià)紡粘布的疏塵效果。