基于聚丙烯酸酯类温敏聚合物的柔性智能纺织品的研究

摘要

智能纺织品(smart/intelligent textiles)是近几十年来新崛起的，对人类生活具有变革意义的新型纺织材料。智能纺织品的开发与应用是各种高新技术在纺织品上的集中体现，涉及到纺织与生物、化学、物理、电子领域的交叉与融合，具有较高的研究价值。智能纺织品智能化功能的实现基于智能材料，其中温度响应性聚合物由于响应不依赖于其它化学助剂，温度响应速度快而且剧烈，其相关结构的研究成为智能材料领域的一个热点。在温度的刺激下，温敏聚合物具有体积膨胀/收缩，表面亲/疏水性转变的特性。通过物理或者化学方法将温敏聚合物与纺织品相结合，将赋予传统纺织品独特的性能与高附加值，因此温敏聚合物在智能纺织品领域有很大的应用前景。
　　本文首先合成了具有乙氧基链段的聚丙烯酸酯类温敏聚合物，获知了聚丙烯酸酯类温敏聚合物不同分子形态对温敏性能的影响，探明了分子形态、结构与其转变行为的内在联系与规律。进一步以纤维素为过渡基底，模拟温敏聚合物在纺织品上的结合状态，探究了基底对聚合物交联薄膜表面形貌、转变行为的影响，为基于聚丙烯酸酯类温敏聚合物的智能纺织品的制各与应用奠定了理论基础。最后通过交联反应，将温敏聚合物固定于棉织物表面，制备获得了具有智能清洁、舒适调控与抗菌功能的纺织品。
　　(1)采用单体2-甲基-2-丙烯酸-2-（2-甲氧基乙氧基）乙酯(MEO2MA)、聚环氧乙烷甲基丙烯酸酯(OEGMA300)与末端含有羟基的聚（乙二醇）甲基丙烯酸酯(EGMA360)通过原子转移自由基聚合(ATRP)合成无规共聚物聚（2-甲基-2-丙烯酸-2-（2-甲氧基乙氧基）乙酯-共聚-聚环氧乙烷甲基丙烯酸酯）P(MEO2MA-co-OEGMA300)和聚（2-甲基-2-丙烯酸-2-（2-甲氧基乙氧基）乙酯-共聚-聚（乙二醇）甲基丙烯酸酯）P(MEO2MA-co-EGMA360)，研究了温敏聚合物分子形态以及结构对温敏性能的影响。溶液性能测试表明，P(MEO2MA-co-OEGMA300)、P(MEO2MA-co-EGMA360)水溶液(10 mg/mL)的相转变温度(TT)分别为35℃、36℃，且P(MEO2MA-co-EGMA360)水溶液具有更宽的相转变区间。薄膜性能测试表明，由于P(MEO2MA-co-EG MA360)侧链末端含有羟基，因此其膨胀率较高，但是该羟基不具有温敏性，导致温敏转变特性减弱，表现出更宽的转变区间，该结果与水溶液中的转变行为一致。此外，由于基底的限制，温敏聚合物薄膜的温敏性能仅能表现为膜厚的改变，在相转变过程中，水分的排出过程亦仅能在垂直于基底的方向上，以扩散的形式实现，从而导致温敏聚合物薄膜的转变行为较溶液更迟滞和平缓。
　　(2)为进一步探究基底对聚丙烯酸酯类温敏聚合物温敏表面形貌、温敏性能的影响。首先合成了三甲基硅纤维素(TMSC)并在硅片上旋涂成膜，利用取代反应制备了再生纤维素(RC)薄膜，并进一步通过交联反应使P(MEO2MA-co-EGMA360)与RC基底相结合。结果表明，取代度为2.21的TMSC在氯仿溶液中溶解性能好，通过旋涂在硅基底上获得均一的TMSC薄膜。经取代反应后，TMSC薄膜粗糙度明显增加，表面生成一层25 nm的RC薄膜。转变温度以上时，P(MEO2MA-co-EGMA360)交联聚合物薄膜相邻链段之间相互靠近，移动过的相应位置由于没有聚合物的覆盖，在最低处形成缝隙或者孔洞，导致底层纤维素部分区域裸露出来。P(MEO2MA-co-EGMA360)交联薄膜厚度在30-35℃明显下降，且表面发生亲疏水性的转变，这为温敏聚合物P(MEO2MA-co-EGMA360)在织物上的应用奠定了理论基础。
　　(3)选用单体摩尔比为17∶3的温敏性共聚物P(MEO2MA-co-EGMA360)与棉织物发生交联，制备了具有温敏性的智能纺织品，测定并分析了其智能清洁以及舒适调控性能。结果表明，聚合物浓度为8％的交联整理液经130℃焙烘2 min与棉织物反应，获得的交联棉织物平衡溶胀率(ESR)、接触角(CA)以及润湿时间(WT)在35-40℃之间发生突变，表明制备获得的交联棉织物具备有较好的温敏性能。由于P(MEO2MA-co-EGMA360)在转变温度以下的亲水性，显著增强了交联棉织物清洁性能;温度超过转变温度时，P(MEO2MA-co-EGMA360)薄膜表面由致密的膜结构转变为多孔结构，因此能够实现对透气透湿的调节，提高织物的穿着舒适性。经交联反应后，织物耐洗性、耐摩擦牢度在可接受的范围内，且白度、柔软度、机械性能没有受到影响。
　　(4)考虑到聚（N-异丙基丙烯酰胺）PNIPAM具有生物相容性，且与PEGMA360的共聚可大大降低其玻璃化转变温度(Tg)。首先合成一系列不同单体摩尔比的共聚物P(NIPAM-co-EGMA360)，采用交联方法，制备具有智能舒适调控以及抗细菌粘附性能的医用纺织品。结果表明，共聚物P(NIPAM-co-EGMA360)随着单体EGMA360含量的增加，Tg下降，热稳定性降低，TT升高。P(18NIPAM-co-2EGMA360)的Tg为0℃，TT为40℃，热稳定性优良，因此P(18NIPAM-co-2EGMA360)的引入不会影响到交联棉织物的柔软度。P(18NIPAM-co-2EGMA360)交联棉织物的转变区间为36-39℃。基于PNIPAM的温敏性，在温度的刺激下，交联棉织物能够通过改变表面聚合物层的孔隙大小，实现透气/湿性能的调节，具有智能舒适调控功能。此外由于EGMA360的亲水性，在交联棉织物表面形成一层亲水性的薄膜，抑制交联织物表面细菌的吸附。同时，P(NIPAM-co-EGMA360)交联棉织物具有良好的耐洗牢度，且温度响应稳定，满足智能纺织品日常生活中功能稳定性的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 温敏聚合物概述

1．3 温敏聚合物的转变行为

1．4 温敏聚合物的分类

1．4．1 含氮类温敏聚合物

1．4．2 含氧类温敏聚合物

1．4．3 含磷类温敏聚合物

1．5 温敏聚合物的合成方法

1．5．1 传统自由基聚合

1．5．2 原子转移自由基聚合

1．5．3 其它聚合

1．6 温敏聚合物的表征

1．6．1 紫外-可见光光谱法

1．6．2 差示扫描量热法

1．6．3 光散射法

1．6．4 小角X射线／中子散射法

1．6．5 粘度法

1．6．6 荧光光谱法

1．7 基于温敏聚合物的智能纺织品

1．7．1 智能化纤维

1．7．2 智能抗浸抗湿纺织品

1．7．3 智能透气／透湿纺织品

1．7．4 可控油／水分离纺织品

1．7．5 智能清洁纺织品

1．7．6 智能药物释放纺织品

1．7．7 智能抗菌纺织品

1．8 课题的提出与研究内容

1．9 课题的创新点及特色

第二章 聚丙烯酸酯类温敏聚合物的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料与试剂

2．2．2 聚丙烯酸酯类温敏聚合物的合成

2．2．3 硅片表面亲水化

2．2．3 薄膜的制备

2．2．4 测试及表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 聚丙烯酸酯类温敏聚合物的表征

2．3．2 聚丙烯酸酯类温敏聚合物的溶液性能

2．3．3 聚丙烯酸酯类温敏聚合物的薄膜性能

2．4 本章小结

第三章 以再生纤维素为过渡基底的聚丙烯酸酯类温敏聚合物薄膜制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料与试剂

3．2．2 硅片表面疏水化处理

3．2．3 三甲基硅纤维素的制备

3．2．4 再生纤维素薄膜的制备

3．2．5 交联薄膜的制备

3．2．6 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 三甲基硅纤维素结构表征

3．3．2 三甲基硅纤维素溶解性分析

3．3．3 再生纤维素薄膜性能

3．3．4 以再生纤维素为基底的聚合物薄膜性能

3．4 本章小结

第四章 基于聚丙烯酸酯类温敏聚合物的智能清洁、舒适调控纺织品的制备及性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料与试剂

4．2．2 聚丙烯酸酯类温敏聚合物的制备

4．2．3 智能纺织品的制备

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 表面形貌

4．3．2 表面化学结构

4．3．3 温敏性能

4．3．4 智能清洁

4．3．5 智能舒适调控

4．3．6 服用性能

4．4 本章小结

第五章 基于聚丙烯酸酯类温敏聚合物的抗细菌粘附医用纺织品的制备及性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原料和试剂

5．2．2 聚丙烯酸酯类温敏共聚物的制备

5．2．3 智能纺织品的制备

5．2．4 测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 聚丙烯酸酯类温敏共聚物的表征

5．3．2 表面形貌

5．3．3 表面化学结构

5．3．4 温度响应亲疏水性

5．3．5 透气／湿性

5．3．6 抗细菌粘附性

5．3．7 吸湿性

5．3．8 稳定往

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果

致谢