多组分聚氨酯纳米纤维膜的制备及防水透湿性能研究

摘要

防水透湿多孔膜由于能够阻止液体与有毒气体的渗透，而可以使水汽很容易透过等特点而受到了大量的关注，在保护服、膜过滤、组织工程等领域有着很多潜在的应用。制备这种多孔膜的传统方法主要包括:力学拉伸、熔喷和模板法。然而，这些方法操作复杂、成本较高、难以控制，因此在实际应用中受到了限制。静电纺丝作为一种简单高效的方法可以被用于制备连续的微纳米纤维，而且得到的膜具有高的孔隙率和大的比表面积。聚氨酯(PU)具有易加工、孔结构可调节、力学性能优异等特点，已经被用于工业生产中。因此，利用静电纺丝制备的PU纳米纤维膜在防水透湿方面具有重要的研究价值。
　　本文在制备PU纳米纤维膜时，分别选择N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇(MeOH)、二氯甲烷(DCM)作为溶剂，通过调节溶剂的混合比例找到溶解PU的最佳配比。当使用纯DMF溶剂得到不同浓度的PU纳米纤维膜时，浓度为15％的纤维膜形貌与孔结构比较均匀。随着MeOH与DCM溶剂的加入，溶液的性质发生了很大的变化（如溶液的电导率、粘度、表面张力等），这些性质对纤维膜的结构形貌和性能具有重要影响。利用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)等测试分别表征不同溶剂及配比所得纳米纤维膜的结构与性能。结果表明，DMF/MeOH的体积比为3/1时得到PU纳米纤维膜的形貌规则，纤维直径分布均匀，孔径范围较窄，而且孔隙率较高。因此，这种纤维膜的综合性能优异，其拉伸强度最高为6.6MPa，空气透过率最高可以达到17.49L/m2/s。
　　通过在PU纳米纤维中掺杂疏水二氧化硅凝胶(HSG)来提高复合膜的防水能力。通过改变HSG的含量和热处理温度，调控纤维膜的直径分布、孔径及孔隙率的大小。探索HSG含量对PU/HSG复合纤维膜的化学结构、表面形貌、热力学性能及透气透湿性能的影响。结果表明，纤维直径、孔隙率、孔径分布随着HSG含量的增加而逐渐降低。当HSG的含量为3％时，纤维膜的平均孔径最小约为0.48μm，纤维直径约为331nm且具有高的比表面积。PU/HSG-3％的水接触角可以达到133.6°，静水压最大为4.26kPa，并且具有高的拉伸强度和热稳定性。当热处理温度提高至120℃时，纤维膜的水蒸气透过率可以达到8.01kg/m2/d，空气透过率为9.20L/m2/s。
　　最后，本文通过在PU/PCL纳米纤维的表面包覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚物，热处理得到缠结交联的网状结构，在改善力学性能的同时，提高其防水性能。结果表明，随着热处理温度的提高，PCL熔融使得纳米纤维的直径变细，堆积密度逐渐增加。并且PDMS浓度的增加，改变了纤维膜表面及内部的孔结构，使其孔径分布与孔隙率逐渐降低。这种纤维膜具有较高的热分解温度，其拉伸强度最高可以达到11.7MPa，断裂应变最高为236％。当PDMS的浓度为5％时，复合膜的静水压可以达到73.6kPa，已经远远超过了纳米纤维膜的正常值。并且，这种纤维膜仍能保持一定的透气透湿性，其透气率的值为6.57L/m2/s。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 防水透湿织物

1．2．1 防水透湿织物的概念

1．2．2 防水透湿织物的种类

1．2．3 防水透湿织物的原理

1．2．4 防水透湿织物的发展

1．3 静电纺丝技术

1．3．1 静电纺丝的起源与发展

1．3．2 静电纺丝的原理

1．3．3 静电纺丝的影响因素

1．3．4 静电纺丝纳米纤维膜的应用

1．4 聚氨酯的结构和性能

1．5 本课题的研究内容及意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究方法

1．5．3 研究意义

第二章 溶剂对静电纺丝聚氨酯纳米纤维膜结构和性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 PU纳米纤维膜的制备

2．2．4 表征与测试方法

2．3．1 溶剂选择和溶液的性质

2．3．2 纤维膜的形貌和微结构

2．3．3 纤维膜的孔径与孔隙率

2．3．4 纤维膜的防水性能

2．3．5 纤维膜的透气透湿性能

2．3．6 纤维膜的力学性能

2．3．7 纤维膜防水透湿实验证明

2．4 本章小结

第三章 静电纺丝PU／HSG纳米纤维膜的制备及表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 HSG的制备

3．2．4 PU／HSG纳米纤维膜的制备

3．2．5 HSG的结构表征

3．2．6 PU／HSG纤维膜的结构与性能表征

3．3．1 HSG的化学结构

3．3．2 PU／HSG纤维膜的化学结构

3．3．3 PU／HSG纤维膜的表面元素分布

3．3．4 PU／HSG纤维膜的表面形貌及直径分布

3．3．5 PU／HSG纤维膜的孔结构

3．3．6 PU／HSG纤维膜的力学和热稳定性

3．3．7 PU／I-ISG纤维膜的防水透湿性能

3．3．8 热处理后PU／HSG纤维膜的形貌

3．3．9 热处理后PU／HSG纤维膜的性能

3．4 本章小结

第四章 聚二甲基硅氧烷改性聚氨酯／聚己内酯纳米纤维功能膜的制备

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 PU／PCL静电纺丝纳米纤维膜的制备

4．2．5 结构与性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 热处理温度对PU／PCL纤维膜形貌及结构的影响

4．3．2 PDMS浓度对PU／PCL纤维膜形貌及结构的影响

4．3．3 PU／PCL@PDMS纤维膜的化学及物理结构

4．3．4 PU／PCL@PDMS纤维膜的防水透湿性能

4．3．5 PU／PCL@PDMS纤维膜的力学性能

4．3．6 PU／PCL@PDMS纤维膜的性能测试

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文