CN113123128B - 防水透湿膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了防水透湿膜及其制备方法和应用。本发明的防水透湿膜，以纤维膜作为基材，具有可纺原料范围广、纤维膜孔径小、孔隙率高、结构可调性强等优点，与防水透湿织物相比，可获得更高的耐水压和透湿通量。利用封闭型溶剂性异氰酸酯交联剂，交联剂解封后与防水剂中的活性基团发生交联反应，将疏水链段稳定包覆在纤维表面，提高了防水剂涂层的耐久性。经过50次磨损循环后其接触角没有明显变化，水洗30次后耐水压和透湿通量基本保持不变，在冲锋衣、野战军服和医疗卫生领域具有广阔的应用前景。

Description

防水透湿膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及防水透湿膜及其制备方法和应用。
背景技术
防水透湿膜不仅可以阻止外界雨雪的渗透，还能有效排出人体产生的汗蒸汽，在户外运动服及防护服领域具有广阔的应用前景。
相关技术中，防水透湿膜主要包括两大类：疏水微孔膜和亲水无孔膜。疏水微孔膜因其多孔结构而具有较好的透湿性，舒适性较好，受到广泛的关注。静电纺纤维膜具有孔径小、孔隙率高等优势，是制备微孔型纤维膜的有效方法之一。利用静电纺丝技术制备微孔型防水透湿膜有两种途径，一种是直接纺丝法：将疏水性聚合物配制成纺丝溶液进行静电纺丝制备防水透湿膜；另一种是后整理涂层法：将亲水但不溶于水的聚合物进行纺丝，再将其浸泡在防水剂中通过烘干制备防水透湿膜。后者的可用原料范围更广。然而，目前后整理涂层法所制备的纤维膜因防水剂涂层与纤维膜之间为物理结合，防水剂涂层与纤维膜之间的结合力较差，疏水涂层的耐久性较差，难以满足实际使用需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种防水透湿膜，该防水透湿膜防水剂涂层与纤维膜之间的结合力良好，疏水涂层耐久，可以满足实际使用需求。
本发明还提供了上述防水透湿膜的制备方法。
本发明还提供了上述防水透湿膜的应用。
本发明的第一方面提供了防水透湿膜，包括纤维基体，以及与所述纤维基体相交联的疏水层，所述防水透湿膜的接触角为110°～140°，耐水压为100kPa～150kPa，透湿通量为10kg/m2/d～15kg/m2/d。
本发明的防水透湿膜，至少具有以下有益效果：
本发明的防水透湿膜，以纤维膜作为基材，具有可纺原料范围广、纤维膜孔径小、孔隙率高、结构可调性强等优点，与防水透湿织物相比，可获得更高的耐水压和透湿通量。
本发明的防水透湿膜，利用封闭型溶剂性异氰酸酯交联剂，交联剂解封后与防水剂中的活性基团发生交联反应，将疏水链段稳定包覆在纤维表面，提高了防水剂涂层的耐久性。
本发明的防水透湿膜，经过50次磨损循环后其接触角没有明显变化，水洗30次后耐水压和透湿通量基本保持不变，在冲锋衣、野战军服和医疗卫生领域具有广阔的应用前景。
根据本发明的一些实施方式，所述防水透湿膜的厚度为10μm～30μm。
根据本发明的一些实施方式，所述纤维基体的制备原料包括亲水性聚合物、封闭型溶剂性异氰酸酯和溶剂。
根据本发明的一些实施方式，所述亲水性聚合物和封闭型溶剂性异氰酸酯的质量比为(3～4)：1。
根据本发明的一些实施方式，静电纺丝溶液中亲水性聚合物和封闭型溶剂性异氰酸酯的质量分数为5wt％～20wt％。
根据本发明的一些实施方式，所述亲水性聚合物包括聚丙烯腈、醋酸纤维素和尼龙6。
聚丙烯腈、醋酸纤维素和尼龙6均为亲水但不溶于水的聚合物，除了这三种以外，其他亲水但不溶于水的聚合物也可以使用。
根据本发明的一些实施方式，所述聚合物为聚丙烯腈时，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜以及N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述聚合物为纤维素时，所述溶剂为氯化锂和N，N-二甲基乙酰胺、4-甲基吗啉-N-氧化物和水、三氟乙酸中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述聚合物为醋酸纤维素时，所述溶剂为丙酮、乙酸、二氯甲烷、N，N-二甲基乙酰胺和三氟乙酸中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述聚合物为尼龙6时，所述溶剂为甲酸、乙酸、硫酸和氯酚中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述疏水层的制备原料包括含氟防水剂乳液、有机硅防水剂乳液和碳氢长链防水剂乳液。
根据本发明的一些实施方式，防水剂乳液含有羟基、羧基和氨基中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，防水剂乳液的固含量为10％～30％，浓度为1wt％～5wt％。
本发明的第二方面提供了制备上述防水透湿膜的方法，将所述纤维基体在疏水层原料中浸渍后烘干。
制备上述防水透湿膜的方法，将聚合物和异氰酸酯配制成溶液并进行静电纺丝得到纤维膜，并将其浸渍于含有活性基团的水性防水剂乳液中，在高于异氰酸酯解封温度的环境下进行烘干，使纤维中封闭的异氰酸酯基团解封后与防水剂中的活性基团(包括羟基、羧基和氨基)发生化学反应，将静电纺丝和后整理涂层工艺相结合，利用封闭型异氰酸酯交联剂的架桥作用，巧妙地将防水剂固定在聚合物纤维表面，提高防水透湿膜的耐久性。若将交联反应的原料在初期就混合在一起，则不会发生架桥作用，交联反应只能提高膜材料本身的强度。
根据本发明的一些实施方式，包括以下步骤：
S1：将亲水性聚合物和封闭型溶剂性异氰酸酯在溶剂中溶解，得到静电纺丝溶液，通过静电纺丝制备纤维基体；
S2：将步骤S1制备的纤维基体在防水剂乳液中浸渍后烘干。
根据本发明的一些实施方式，所述烘干的温度高于所述封闭型溶剂性异氰酸酯的解封温度。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，静电纺丝参数为：电压20kV～50kV，接收距离10cm～20cm，灌注速度2mL/h～5mL/h，温度15℃～25℃，相对湿度20％～60％。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，烘干的时间为10min～30min。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中的烘干，在高于解封温度下烘干即可，烘干方式可以是采用烘箱加热，也可以是其它加热方式，目的是为了使封闭的异氰酸酯基团解封，从而与防水剂中的羟基、羧基和氨基发生交联反应。
本发明的第三方面提供了上述防水透湿膜在制备功能性服饰中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述功能性服饰包括运动服和防护服。
附图说明
图1是实施例1制备的防水透湿膜的扫描电镜图。
图2是实施例1制备的防水透湿膜的横截面微观结构。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例制备了一种防水透湿膜，具体步骤为：
(1)静电纺纤维膜的制备：将封闭型溶剂性异氰酸酯(解封温度为80℃)和聚丙烯腈(相对分子质量90000)按质量比为1：4的比例溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中配制质量分数为8wt％的纺丝溶液，机械搅拌得到均匀稳定的溶液，通过静电纺丝技术在油光纸上接收聚丙烯腈复合纤维膜，纺丝电压为30kV，接收距离为20cm，灌注速度为3mL/h，温度为25℃，相对湿度为50％。
(2)取2g固含量为25％的硬脂酸溶液，配制2wt％的硬脂酸溶液，将聚丙烯腈复合纤维膜于室温下充分浸渍于硬脂酸溶液中，随后在100℃条件下烘干30min，最终获得具有良好耐久性的纤维基防水透湿膜。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为130°，耐水压为110kPa，透湿通量为12kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为129°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为108kPa，透湿通量为11.9kg/m2/d。
本实施例制备的防水透湿膜，通过扫描电子显微镜观察到的微观结构如图1所示。从图1可以看出，纤维之间具有粘连结构，说明防水剂涂层已经包覆在纤维表面，纤维中含有的异氰酸酯基团与防水剂中的活性基团发生了交联反应。此外，该粘连结构可以降低纤维膜的孔径，有利于其防水性能的有效提升。
图2是本实施例制备的防水透湿膜的横截面结构示意图。本实施例首先制备了一层静电纺纤维膜，然后在其表面包覆了一层防水剂涂层，由于涂层是紧密包覆在纤维表面的，所以从剖面看还是一层纤维膜。疏水剂涂层整理后，原静电纺纤维膜的厚度会有所降低，最终所制备出的防水透湿膜的整体的厚度为10μm～30μm。
实施例2
本实施例制备了一种防水透湿膜，具体步骤为：
(1)静电纺纤维膜的制备：将封闭型溶剂性异氰酸酯(解封温度为100℃)和醋酸纤维素(乙酰基39.8wt％，羟基3.5wt％)按质量比为2：1的比例溶解在溶剂二甲基亚砜和丙酮中配制质量分数为18wt％的纺丝溶液，机械搅拌得到均匀稳定的溶液，通过静电纺丝技术在油光纸上接收醋酸纤维素复合纤维膜，纺丝电压为30kV，接收距离为20cm，灌注速度为3mL/h，温度为23℃，相对湿度为60％。
(2)取1g固含量为30％的端羟基聚硅氧烷溶液，配制2wt％的端羟基聚硅氧烷溶液，将醋酸纤维素复合纤维膜于室温下充分浸渍于端羟基聚硅氧烷溶液中，随后在130℃条件下烘干20min，最终获得具有良好耐久性的纤维基防水透湿膜。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为135°，耐水压为120kPa，透湿通量为13kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为133°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为118kPa，透湿通量为12.8kg/m2/d。
实施例3
本实施例制备了一种防水透湿膜，具体步骤为：
(1)静电纺纤维膜的制备：将封闭型溶剂性异氰酸酯(解封温度为90℃)和尼龙6(重均分子质量50000)溶解在溶剂甲酸中按质量比为3：4的比例配制质量分数为10wt％的纺丝溶液，机械搅拌得到均匀稳定的溶液，通过静电纺丝技术在油光纸上接收尼龙6复合纤维膜，纺丝电压为40kV，接收距离为20cm，灌注速度为2mL/h，温度为20℃，相对湿度为60％。
(2)取2g固含量为25％的端氨基硅油溶液，配制2wt％的端氨基硅油溶液，将尼龙6复合纤维膜于室温下充分浸渍于端氨基硅油溶液中，随后在100℃条件下烘干30min，最终获得具有良好耐久性的纤维基防水透湿膜。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为138°，耐水压为116kPa，透湿通量为11.5kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为136°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为114kPa，透湿通量为11.4kg/m2/d。
实施例4
本实施例制备了一种防水透湿膜，具体步骤为：
(1)静电纺纤维膜的制备：将封闭型溶剂性异氰酸酯(解封温度为80℃)和聚丙烯腈(相对分子质量90000)按质量比为3：4的比例溶解在溶剂N,N-二甲基乙酰胺中配制质量分数为10wt％的纺丝溶液，机械搅拌得到均匀稳定的溶液，通过静电纺丝技术在油光纸上接收聚丙烯腈复合纤维膜，纺丝电压为50kV，接收距离为15cm，灌注速度为4mL/h，温度为20℃，相对湿度为40％。
(2)取1g固含量为30％的软脂酸溶液，配制2wt％的软脂酸溶液，将聚丙烯腈复合纤维膜于室温下充分浸渍于软脂酸溶液中，随后在110℃条件下烘干25min，最终获得具有良好耐久性的纤维基防水透湿膜。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为120°，耐水压为140kPa，透湿通量为13kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为109°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为138kPa，透湿通量为12.9kg/m2/d。
实施例5
本实施例制备了一种防水透湿膜，具体步骤为：
(1)静电纺纤维膜的制备：将封闭型溶剂性异氰酸酯(解封温度为95℃)和醋酸纤维素(乙酰基39.8wt％，羟基3.5wt％)按质量比为1：4的比例溶解在溶剂二甲基亚砜和丙酮中配制质量分数为20wt％的纺丝溶液，机械搅拌得到均匀稳定的溶液，通过静电纺丝技术在油光纸上接收醋酸纤维素复合纤维膜，纺丝电压为30kV，接收距离为15cm，灌注速度为2mL/h，温度为20℃，相对湿度为50％。
(2)取2g固含量为30％的端氨基硅油溶液，配制2wt％的端氨基硅油溶液，将醋酸纤维素复合纤维膜于室温下充分浸渍于端氨基硅油溶液中，随后在115℃条件下烘干30min，最终获得具有良好耐久性的纤维基防水透湿膜。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为125°，耐水压为120kPa，透湿通量为12kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为123°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为118kPa，透湿通量为11.8kg/m2/d。
实施例6
本实施例制备了一种防水透湿膜，具体步骤为：
(1)静电纺纤维膜的制备：将封闭型溶剂性异氰酸酯(解封温度为85℃)和尼龙6(重均分子质量50000)按质量比为2：1的比例溶解在溶剂甲酸中配制质量分数为12wt％的纺丝溶液，机械搅拌得到均匀稳定的溶液，通过静电纺丝技术在油光纸上接收尼龙6复合纤维膜，纺丝电压为35kV，接收距离为20cm，灌注速度为3mL/h，温度为20℃，相对湿度为60％。
(2)取2g固含量为30％的硬脂酸溶液，配制2wt％的硬脂酸溶液，将尼龙6复合纤维膜于室温下充分浸渍于硬脂酸溶液中，随后在100℃条件下烘干30min，最终获得具有良好耐久性的纤维基防水透湿膜。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为130°，耐水压为108kPa，透湿通量为14kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为128°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为106kPa，透湿通量为13.8kg/m2/d。
对比例1
本对比例制备了一种防水透湿膜，与实施例1的区别在于，步骤(2)中的烘干温度为70℃。
在标准条件下对其性能进行测试，耐水压测试标准为GB/T 4744-2013《纺织品防水性能的检测和评价静水压法》，透湿通量测试标准为GB/T 32614-2016《户外运动服装冲锋衣》。所得纤维膜的接触角为129°，耐水压为106kPa，透湿通量为13.9kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为110°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为95kPa，透湿通量为13.2kg/m2/d。
对比例2
本对比例制备了一种防水透湿膜，与实施例2的区别在于，步骤(2)中的烘干温度为95℃。
在标准条件下对其性能进行测试，所得纤维膜的接触角为135°，耐水压为116kPa，透湿通量为13kg/m2/d。取10cm×10cm的纤维膜，对其进行磨损测试，经过50次磨损循环后再次测试其接触角，发现其接触角为113°；对纤维膜进行水洗实验，经过30次水洗后再次测试其性能，发现纤维膜的耐水压为98kPa，透湿通量为12.6kg/m2/d。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种防水透湿膜的制备方法，其特征在于，所述防水透湿膜包括纤维基体，以及与所述纤维基体相交联的疏水层，所述防水透湿膜的接触角为110°~140°，耐水压为100 kPa~150 kPa，透湿通量为10 kg/m2/d~15 kg/m2/d；
所述纤维基体的制备原料包括亲水性聚合物、封闭型溶剂性异氰酸酯和溶剂；
所述防水透湿膜的制备方法包括以下步骤：
S1：将亲水性聚合物和封闭型溶剂性异氰酸酯在溶剂中溶解，得到静电纺丝溶液，通过静电纺丝制备纤维基体；
S2：将步骤S1制备的纤维基体在防水剂溶液中浸渍后烘干；
所述亲水性聚合物为聚丙烯腈、醋酸纤维素和尼龙6中的一种；
所述防水剂溶液为硬脂酸溶液、端羟基聚硅氧烷溶液、端氨基硅油溶液或软脂酸溶液；
所述烘干的温度高于所述封闭型溶剂性异氰酸酯的解封温度，目的是为了使封闭的异氰酸酯基团解封，从而与防水剂溶液中的羟基、羧基或氨基发生交联反应。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述防水透湿膜的厚度为10 mm~30mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述亲水性聚合物和封闭型溶剂性异氰酸酯的质量比为（3~4）：1。
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