静电纺纤维基防水透湿膜的结构设计及其在防护服装领域的应用研究

发布时间：2020-07-24 21:44

【摘要】：防水透湿服装是一种兼具耐水渗透性和湿气透过性的功能性服装,它可以在雨雪、湿热等恶劣天气条件下或一些有毒有害的特殊工作环境中为人们提供有效的防护性和良好的舒适性。目前,用于制造防水透湿服装的面料通常包括三种类型:高密织物、涂层织物和层压复合面料。其中,高密织物的耐水渗透性能较差但透湿性能优异,涂层织物的耐水渗透性能优异但透湿性能较差,只有层压复合面料可以同时表现出优异的耐水渗透性能和透湿性能。因此,层压复合面料已经成为目前市场中防水透湿服装使用的主流面料。层压复合面料是通过复合技术制造的具有多层复合结构的功能性面料,其核心层是兼具耐水渗透性和透湿性的功能膜材料。1962年,美国人Gore开发出了具有微孔结构的聚四氟乙烯防水透湿膜,并用层压复合方法将其与传统纺织面料结合,首次制备了具有良好防水透湿功能的服装面料,并于1976年以商品名Gore-Tex推向市场。随后,科研人员便开始了防水透湿膜研究的新时代。目前商品化的防水透湿膜主要分为两大类:即亲水型无孔膜和疏水型微孔膜。其中,亲水型无孔膜本身具有良好的连续性,因此,耐水渗透压力普遍较高,但存在透湿通量低、易粘附到人体上的缺陷;疏水型微孔膜内部具有大量连通的孔道结构,能够有效的传递水蒸气,因此,透湿性能优异,而通过表面疏水改性和孔道结构调控可以使其获得良好的耐水渗透性能。因此,目前防水透湿膜的研究主要集中于疏水性微孔膜。静电纺丝是近年来兴起的一种利用高压静电场制备聚合物纳米纤维的新技术,通过静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有纤维直径小、孔径小、孔隙率高、孔道连通性好等特点,适合于制造具有优异防水透湿性能的微孔膜。因此,已经有大量研究人员投入到利用静电纺丝技术制备纤维基防水透湿膜的研究中。然而,现有的纤维基防水透湿膜依然存在一些不足,例如:可用于静电纺丝加工的疏水性聚合物种类少、纤维膜内部孔道结构与其耐水渗透性和透湿性之间的关系不明确、纤维间易滑移导致纤维膜的机械性能普遍较差、纤维基防水透湿膜的综合性能依然有待提高等。为此,本论文以“静电纺丝加工参数——纤维膜结构变化规律——纤维膜结构与性能间的关系”为研究思路,首先合成了一种线型双封端氟化聚氨酯疏水添加剂,用以改善纺丝聚合物的疏水性;随后通过调整静电纺丝加工参数,实现了对纤维膜内部纤维结构、纤维间互粘结构和膜内孔道结构的有效调控,并研究了纤维膜表界面润湿性、孔道结构参数和纤维间互粘结构对纤维基防水透湿膜的耐水渗透性、透湿性和机械性能的影响规律,获得了具有优异综合性能的纤维基防水透湿膜所应具有的结构特征。具体的研究工作如下:(1)线型双封端氟化聚氨酯疏水剂的合成及疏水性能研究采用4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯作为硬段、聚四氢呋喃醚二醇作为软段、三缩四乙二醇作为扩链剂、全氟辛基乙基醇为氟化封端剂,通过“四步法”合成了一种全新的线型双封端氟化聚氨酯(FPU),利用红外光谱、核磁共振波谱、凝胶渗透液相色谱等手段证实了通过“四步法”合成的FPU具有良好的线型分子结构,氟碳链段全部位于分子链的端基;随后,将该FPU与商品化聚氨酯(PU)进行共混纺丝,通过接触角测试证实FPU可以有效提高纤维膜的疏水性。(2)纤维基氟化聚氨酯防水透湿膜的耐水渗透机理研究采用第二章制备的FPU和商品化PU为原料,利用静电纺丝技术制备了一系列氟化聚氨酯(FPU/PU)纤维膜,在静电纺丝过程中通过调节环境相对湿度实现了对膜中纤维结构与孔道结构的有效调控,利用DMF-FPU/PU-水三元体系相图分析了环境相对湿度对FPU/PU纤维膜结构的影响规律,发现相对湿度使聚合物溶液射流受到非溶剂相分离和电荷耗散的协同作用:过低的相对湿度会导致射流过度拉伸形成珠粒结构以及大量的纤维间粘连结构,而过高的相对湿度会使纤维膜中纤维直径增加、纤维间粘连结构消失。随后,深入研究了液态水在FPU/PU纤维膜内部孔道中的渗透机理,获得了纤维膜的孔道结构与表面润湿性对其耐水渗透性能的影响规律:纤维膜的耐水渗透压力与其最大孔径、以及FPU/PU平滑膜的前进接触角之间的关系符合杨-拉普拉斯方程,该发现可指导FPU/PU纤维膜的结构设计和优化。(3)纤维基氟化聚氨酯防水透湿膜的湿热传递规律研究通过调节静电纺丝过程中的环境相对湿度和聚合物溶液浓度,制备了一系列孔径相似、但孔隙率差异较大的FPU/PU纤维膜,并深入分析了水蒸气在纤维膜内部孔道中传递的原理:水蒸气在FPU/PU纤维膜内部孔道中的传递主要依靠菲克扩散。同时,本研究还发现FPU/PU纤维膜的透湿通量主要受到孔隙率的影响,提高纤维膜的孔隙率可以有效改善FPU/PU纤维膜的透湿性能;当纤维膜厚度增加时,透湿通量降低;当环境温度升高时,透湿通量提高。此外,本研究还证实了FPU/PU纤维膜具有极低的湿阻,即水蒸气在其内部传递受到的阻力极小,说明FPU/PU纤维膜具有优异的湿热传递能力。(4)纤维基氟化聚氨酯防水透湿膜的机械性能研究制备了一系列具有不同纤维结构和纤维间粘连结构的FPU/PU纤维膜,并通过拉伸实验分析了FPU/PU纤维膜的“拉伸-断裂”机理,发现FPU/PU纤维膜的“拉伸-断裂”过程符合“两步断裂”机理,其断裂强度和断裂伸长率主要受到纤维形态、直径、纤维间粘连结构和纤维内部聚合物分子链的取向程度影响,通过改善纤维膜的纤维结构可以大幅度提高其断裂强度和伸长率。同时,FPU/PU纤维膜在受到外力拉伸时,显示出符合“马林斯效应”的应力-应变曲线,说明FPU/PU纤维膜在其断裂伸长范围内具有类似于橡胶的高弹性特点。此外,本研究在伸长率为100%的条件下对FPU/PU纤维膜进行了1000次定伸长循环“拉伸-回复”实验,证实FPU/PU纤维膜在长期循环的较大形变下具有优异的耐疲劳性。(5)氟化聚氨酯/碳纳米管复合防水透湿膜的制备及性能研究在上述研究基础上,以质量比为1/1的DMF/THF作为混合溶剂,以CNTs作为主要添加物,设计并制备了FPU/PU/CNTs纤维膜。研究发现,DMF/THF混合溶剂可以调节静电纺丝过程中聚合物溶液射流的相分离程度从而控制纺丝射流固化速度;同时,在聚合物溶液中加入CNTs可以提高溶液电导率并能对纤维膜起到增强作用。在相对湿度为50%的条件下,聚合物溶液的总浓度为1.5wt%、FPU/PU比例为1/8、CNTs相对于聚合物的含量为0.75%时,制备的FPU/PU/CNTs纤维膜的耐水渗透压力达到108kPa、透湿通量达到9.2kg m~(-2) d~(-1)、拉伸断裂强度达到12.5MPa、顶破强度达到47.6kPa,其综合性能较现有商品化防水透湿膜有显著的提高,在未来具有较大的应用前景。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TS941.731
【图文】：

人体皮肤,保护作用,和服,外界刺激

第一章绪论引言肤是人体最大的器官之一，它覆盖于人体全身表面并直接与外界环调节人体体温、感知外界刺激、抵御外来伤害、呼吸、吸收以及新作用[1, 2]。现有的研究表明，皮肤主要通过呼吸作用分泌汗液或产节人体体温。当人体温度过高时，分泌的汗液蒸发后可以带走大量人体舒适，同时，皮肤表面的角质层可以抵挡一定的外界刺激而起如图 1-1 所示[3-5]。然而，人体的皮肤非常脆弱，外界的压力、辐射质甚至空气中的尘埃微粒等均会损害皮肤，进而对人造成伤害；同虽然具有良好的调节功能，但对寒冷、高温、湿热等外界环境因素在上述环境中，皮肤的调节功能难以维持人体舒适[6, 7]。因此，需阻挡外界刺激并维持皮肤表面“微环境”的稳定，从而保护人体健康

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博士学位论文第料带来的则是行动不变、舒适性极差、人体生理负担加重等问题有防水透湿功能的膜材料则可以有效改善服装的防护性与舒适性透湿膜材料提高服装舒适性的是美军特种部队的野战军服，20 世国 Gore 公司推出的 Gore-Tex 防水透湿面料首先被应用于制造美服具有优异的防水、防风和排汗功能，极大的改善了美军士兵在野适性[23]。随后，具有防水透湿功能的服装面料被推向各个领域，包行服、航天服等，如图 1-2 所示[24,25]。与此同时，由于防水透湿膜化学品、有毒物质起到高效隔绝作用，可以有效保证穿着者的生命康，还被用于制造防毒防化服、防酸碱服等[26]。

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湿膜为核心层的 Gore-Tex“三合一”防水透湿面料的结构以能示意图[29]。cture and the mechanism of waterproof and moisture permthe Gore-Tex fabric.护用品可以通过手术的方式对多种疾病进行治疗，然而在施、胸腹腔打开、动脉切断等），病人的体液、血液或和不可预料的方向喷溅而出。在此种情况下，医护人的手术服难以阻挡具有一定压力的体液喷溅，容易导的身体而产生健康威胁。例如，1984 年，世界上首次患者进行手术时，由于与患者血液接触而被感染艾如果穿着多层防护服进行长时间的手术，将导致大不仅损害医护人员的健康，也会影响手术质量。此外要长期卧床恢复，传统的医院用床单、病号服等均为亲水性好、排湿性差，易导致细菌、病毒等在床单和

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