层级复合聚偏氟乙烯/聚氨酯纳米纤维膜的制备及其防水透湿性能研究

摘要

防水透湿织物因其具有优良的防水性、透湿性和防风御寒性而被赞誉为“可呼吸织物”和人类的“第二种皮肤”，其核心成分防水透湿膜起着阻止液态水浸湿并实时排出人体汗液的作用，使人体保持干爽舒适。基于以上功能，防水透湿膜材料在户外运动、医疗卫生等领域的需求日益剧增。市场上常见的聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜虽然兼具优异的防水透湿性能，但存在制备工艺复杂、价格高昂、废弃后较难生物降解等缺点。亲水无孔型的热塑性聚氨酯（TPU）薄膜耐水压高、透气性差且低温下透湿量低。因此，亟需开发具有较高耐水压、高透湿量、制备成本低的防水透湿膜。 静电纺丝技术具有纺丝原料广、设备操作简单和工艺可控等特点，其制备的纤维材料具有孔径小、孔隙率高、孔连通性好和质轻等优势，因此可采用此技术制备防水透湿膜。目前制备防水透湿膜的原料主要有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氨酯（PU）、聚丙烯腈（PAN）和聚丙烯（PP），其中，PVDF 原料具有良好的疏水性和耐磨性，其制备的纤维膜具有直径细、孔隙率高、透湿量高的特点；绿色环保型的PU弹性体原料因其具有良好的耐磨性和弹性而被广泛使用，利用PU纤维膜可控的粘结结构来调节纤维膜的耐水压和力学性能。本课题以PVDF和PU为原料，六碳含氟聚氨酯（FPU）和氯化锂（LiCl）为添加物，N,N-二甲基乙酰胺（DMAc ）和丙酮为溶剂，配制PVDF/LiCl/DMAc/丙酮溶液和PU/FPU/LiCl/DMAc溶液，制备层级复合PVDF/PU纤维膜，并对其结构、透湿防水性能、防风性能和力学性能等进行研究，旨在获得综合性能优异的纤维膜。 本实验首先调控PVDF溶液的浓度（18wt%、20wt%、22wt%、24wt%）并分析其对纤维膜结构与性能的影响。PVDF含量增加导致溶液粘度增加，纺丝时射流充分拉伸使得珠粒结构消失；孔径增加使得纤维膜耐水压降低；孔隙率增加使得纤维膜透湿量和透气率升高；耐水压和孔径、表面润湿性的关系符合“杨-拉普拉斯”方程。当PVDF溶液浓度为20wt%时，纤维膜综合性能最佳。其次研究了湿度（60%、70%、80%、90%）对PVDF纤维膜结构和性能的影响。随着湿度增加，溶剂挥发速度加快，纤维直径变粗，力学性能增强。在湿度为80%时，纤维膜的力学性能较为优异。然后将PU/FPU的质量比固定为8/1，调控PU溶液的浓度（10wt%、12wt%、14wt%、16wt%），纤维膜可控粘结结构提高了其耐水压和断裂强度，PU溶液浓度在12wt%时，纤维膜综合性能较优。 为了研究 PVDF 和 PU 溶液复合纺丝对纤维膜结构和性能的影响，本实验首先调控PVDF/PU溶液的复合层数比例（1/0、1/1、2/2、3/3、0/1）。当复合层数比例由1/1增至3/3时，多层堆叠复合结构和PU层的粘结结构使纤维膜孔径减小，曲折度增加，因此耐水压增加；孔隙率降低和孔道曲折连通性变复杂使得透湿量和透气率降低。当复合层数比例为3/3时，PVDF/PU复合纤维膜的综合性能较优。其次通过调控PVDF溶液和PU溶液的复合时间比例（9/1、7/3、5/5、3/7）来优化复合纤维膜的结构和性能，随着PU含量的增加，粘结结构增多使得纤维膜孔径和孔隙率降低，从而耐水压增加，透湿量和透气率降低，在复合时间比例为5/5时，纤维膜综合防水透湿性能最优。 实验结果证明静电纺丝技术制备的PVDF/PU复合纤维膜具有较佳的综合性能，纤维膜的耐水压达141.0kPa、透湿量为11.2kg·m-2·d-1、透气率为5.7mm·s-1、断裂强度和伸长率分别为10.1MPa和128.0%。纤维膜在户外防护服装、床单被套、手术衣帽、建筑外墙等透湿防水领域有着广阔的应用前景。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 防水透湿织物

1.2.1 防水透湿织物的定义

1.2.2 防水透湿织物的作用机理

1.2.2.1 防水性

1.2.2.2 透湿性

1.2.3 防水透湿织物的种类和应用

1.2.3.1 防水透湿织物的种类

1.2.3.2 防水透湿织物的应用

1.2.4 防水透湿织物的发展趋势

1.3 静电纺丝技术

1.3.1 静电纺丝技术的起源和发展概述

1.3.2 静电纺丝技术的原理和优势

1.3.3 静电纺丝技术在防水透湿研究领域的发展现状

1.4 研究内容及意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

第二章 PVDF和PU纤维膜的制备和表征

2.1 实验原料和仪器

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验仪器

2.1.2.1. 静电纺丝设备简介

2.1.2.2. 静电纺丝工艺参数

2.2. 溶液配制和性质测试

2.2.1 PVDF溶液配制

2.2.2 PU溶液配制

2.2.3 溶液性质测试

2.3 纤维膜制备和结构性能表征

2.3.1 纤维膜制备

2.3.1.1 不同PVDF溶液浓度的纤维膜制备

2.3.1.2 不同PVDF溶液浓度的平滑膜制备

2.3.1.3 不同湿度下PVDF纤维膜制备

2.3.1.4 不同PU溶液浓度的纤维膜制备

2.3.1.6 不同复合时间比例下PVDF/PU纤维膜制备

2.3.2 纤维膜结构和性能表征

2.3.2.1 结构表征

2.3.2.2 性能表征

第三章 PVDF和PU纤维膜的结构和性能分析

3.1 前言

3.2 PVDF纳米纤维膜

3.2.1 PVDF溶液浓度对溶液性质和纤维膜结构性能的影响

3.2.1.1 PVDF溶液浓度对溶液性质的影响

3.2.1.2 PVDF溶液浓度对纤维膜形貌和孔结构的影响

3.2.1.3 PVDF溶液浓度对纤维膜防水透湿性能的影响

3.2.1.4 PVDF溶液浓度对纤维膜防风性能的影响

3.2.1.5 PVDF溶液浓度对纤维膜力学性能的影响

3.2.2 湿度对PVDF纤维膜结构和性能的影响

3.2.2.1 湿度对PVDF纤维膜形貌和孔结构的影响

3.2.2.2 湿度对PVDF纤维膜防水、透湿和防风性能的影响

3.2.2.3 湿度对PVDF纤维膜力学性能的影响

3.3 PU纳米纤维膜

3.3.1 PU溶液浓度对溶液性质和纤维膜结构性能的影响

3.3.1.1 PU溶液浓度对溶液性质的影响

3.3.1.2 PU溶液浓度对纤维膜形貌和孔结构的影响

3.3.1.3 PU溶液浓度对纤维膜防水透湿性能的影响

3.3.1.4 PU溶液浓度对纤维膜防风性能的影响

3.3.1.5 PU溶液浓度对纤维膜力学性能的影响

3.4. 本章小结

第四章 PVDF/PU复合纤维膜的制备及其性能研究

4.1 前言

4.2 复合层数比例对PVDF/PU纤维膜结构和性能的影响

4.2.1 复合层数比例对PVDF/PU纤维膜孔结构的影响

4.2.2 复合层数比例PVDF/PU对纤维膜防水透湿性能的影响

4.2.3 复合层数比例对PVDF/PU纤维膜防风性能的影响

4.2.4 复合层数比例对PVDF/PU纤维膜力学性能的影响

4.3 复合时间比例对PVDF/PU纤维膜结构和性能的影响

4.3.1 复合时间比例对PVDF/PU纤维膜孔结构的影响

4.3.2 复合时间比例对PVDF/PU纤维膜防水、透湿和防风性能的影响

4.3.3 复合时间比例对PVDF/PU纤维膜力学性能的影响

4.4 PVDF/PU复合纤维膜防水透湿性能展示

4.5 PVDF/PU复合纤维膜和其它防水透湿样品性能对比

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 实验结论

5.2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致 谢