CN113502605A - 具有定向水传输功能的多层纤维膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有定向水传输功能的多层纤维膜及其制备方法，采用熔融静电纺丝和溶液静电纺丝相结合的方法，制备了多层纤维膜，具体地，采用熔融静电纺丝技术制备的聚丙烯纤维层位于紧靠皮肤的内层，而含有亲水性纳米二氧化硅颗粒的聚丙烯腈层位于外层，具有显著的亲水性，有效地将水输送到复合材料的外表面；用多巴胺碱性水溶液处理制备的PAN‑SiO2/PP，不仅提高了PP层的润湿性，而且进一步提高了PAN‑SiO2的亲水性；在PP层和PAN‑SiO2之间加入一层棉网聚丙烯，形成三明治结构，以加速双层纤维膜的水传输，故表明了所制备的多层超细纤维膜的定向水输送。
Description
技术领域
本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种具有定向水传输功能的多层纤维膜及其制备方法。
背景技术
人类汗液的快速运输已成为纺织材料必不可少的功能之一，日益引起人们的关注。如果人体产生的汗水不能及时运输和释放，可能会残留在微环境中，影响人体的湿热舒适度，并引起一些相关的皮肤病。为了达到这个目的，市场上大多数球衣都采用亲水改性的异形纤维和后整理技术进行机织或针织，以使织物具有排汗和快速干燥的特性。然而，这些产品通常具有多个限制，例如缓慢的芯吸速率，复杂的制造工艺和高成本，以限制更广泛的应用。纵观这一背景，开发具有定向水传输特性的新型服装材料显得尤为重要。水通过纤维及其材料中的毛细孔被输送到衣服的外表面。Janus润湿性是多孔材料中的一种有效的水传输方式，它是突然传导的，并且主要依靠内层和外层的不对称吸水特性来加快传输速度。根据以上分析，内层具有相对疏水性且具有大孔结构，而外层具有较小的孔径并具有超亲水性，这赋予材料显著的定向水传输性能。为了实现具有理想性能的服装材料的构造，内层可以选自疏水纤维，例如聚丙烯纤维(PP)、聚乙烯纤维(PET)，以及聚丙烯细纤维(PAN)、聚乙烯醇纤维(PVA)和纤维素纤维是外层的理想选择。
电纺丝是一种用于大多数聚合物的有效纺织加工技术，可用于制造从纳米级到微米级的各种尺寸的纤维膜。目前，可以通过溶液电纺丝和熔融电纺丝制备电纺纤维膜。固溶静电纺丝法是一种常规操作的方法，纤维可以达到纳米级。它广泛用于过滤材料、生物医学材料、柔性传感器和其他功能产品的开发。熔体静电纺丝技术使用加热注射器将固体聚合物熔融并排出，该固体聚合物经过静电力拉伸，冷却并在空气中形成。最终获得微米级的纤维，由于其独特的特性，熔融电纺丝可用于纺丝在正常条件下难以溶解的聚合物(PET，PP，PLA等)。另外，在不使用溶剂的情况下，进行熔融静电纺丝的过程可以防止有毒溶剂的挥发对纺丝过程中的操作者和周围环境造成负面影响。它也可以广泛用于空气过滤、水过滤和高效吸油等领域。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种具有定向水传输功能的多层纤维膜，即具有Janus结构的单向导湿纺织复合材料。
本发明的第二个目的是提供上述具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法，通过结合熔融电纺丝和溶液电纺丝技术得到。
为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：
一种具有定向水传输功能的多层纤维膜，其依次由内层、中间层和外层复合得到；
其中，内层的材质为聚丙烯(PP)；中间层的材质为棉网聚丙烯(购自深圳金海纺织有限公司)；外层的材质为含二氧化硅纳米粒子(SiO2-NP)的聚丙烯腈(PAN)。
通过熔融静电纺丝技术制备的聚丙烯(PP)纤维层位于内层(皮肤附近)，而具有显著亲水性的包含亲水性纳米二氧化硅颗粒的聚丙烯腈(PAN-SiO2)位于外层中，可以有效地将水输送到复合材料的外表面。
外表面是由溶液静电纺丝制备的含有亲水性二氧化硅纳米颗粒(SiO2-NP)的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的混合物，因为其天然亲水性被认为是适合外层材料的。采用熔融静电纺丝机(MES-001莱州电子有限公司)对内层的聚丙烯(PP)进行熔融静电纺丝制备单层纤维膜。
为达到上述第二个目的，本发明的解决方案是：
一种上述的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、内层的制备：将聚丙烯挤出成带，并以5cm/min的速度输送到340℃的加热注射器中，以30cm/min的速度摆动，在注射器和收集器之间施加36kv的直流高压，保持7cm的距离，并以45r/min的转速将聚丙烯纤维收集在接地的金属旋转辊或金属旋转辊覆盖的棉网上，纺丝过程中温度为45℃，在该模式下，纺丝1h；
(2)、外层的制备：将二氧化硅纳米粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，并磁搅拌8h，得到10wt％的二氧化硅纳米粒子和12wt％的聚丙烯腈组成的纺丝溶液(各100g)，即含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液；
(3)、多层纤维膜的制备：在动态静电纺丝装置上，以0.002mm/s的固定进给速度，用直径0.3mm的针对步骤(2)的含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液在步骤(1)的聚丙烯、棉网聚丙烯表面进行电纺，针尖施加20kv的高直流电压；
以45r/min的转速覆盖聚丙烯、棉网聚丙烯，针尖距接收辊的距离为15cm，在室温和45±3％的相对湿度下，固定这种参数不变，纺丝3h；
(4)用多巴胺碱性水溶液处理的制备：采用碱性多巴胺水溶液对步骤(3)的多层纤维膜进行处理，以提高PP侧的润湿性，同时PAN-SiO2纳米纤维膜可以部分水解，其中的二氧化硅颗粒会脱落，促进膜表面的水分蒸发速率。PAN-SiO2纳米纤维可以在碱性水溶液中通过水解和多巴胺处理进行改性，并且可以制成具有超亲水性能的纳米纤维膜。
其中，采用原位聚合的方法在复合纤维毡上包覆聚多巴胺(PDOPA)。把氨水滴入500mL蒸馏水，直到其pH值变为8.5(用pH计测量)。以该氨水溶液为溶剂，称量适量盐酸多巴胺，制备2g/L多巴胺碱性水溶液，并用磁搅拌15min。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
本发明采用双模静电纺丝技术及后续处理制备的PAN-SiO2/棉网/PP多层超细纤维膜用多巴胺碱性水溶液处理的PAN-SiO2膜的平均孔径小于未处理的纳米纤维的平均孔径，用多巴胺碱性水溶液处理制备的PAN-SiO2/PP，不仅提高了PP层的润湿性，而且进一步提高了PAN-SiO2的亲水性；在PP层和PAN-SiO2之间加入一层棉网聚丙烯，形成三明治结构，以加速双层纤维膜的水传输；故表明了所制备的多层超细纤维膜的定向水输送能力。
附图说明
图1为本发明的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备过程示意图。
图2为本发明的多层纤维膜涂覆多巴胺碱性水溶液的过程示意图。
图3为具有定向水传输功能的多层纤维膜的平均粒径示意图(图3a为未处理的纳米纤维的平均粒径示意图，图3b为实施例1中具有定向水传输功能的多层纤维膜的平均粒径示意图，图3c为实施例2中具有定向水传输功能的多层纤维膜的平均粒径示意图，图3d为实施例3中具有定向水传输功能的多层纤维膜的平均粒径示意图)。
图4为本发明的具有定向水传输功能的多层纤维膜的含水量示意图(图4a为具有定向水传输功能的多层纤维膜在0h的含水量示意图，图4b为具有定向水传输功能的多层纤维膜在1.5h的含水量示意图)。
具体实施方式
本发明提供了一种具有定向水传输功能的多层纤维膜及其制备方法。
所用材料:聚丙烯腈(PAN)(Mw＝90000)购自阿拉丁化工有限公司；二氧化硅纳米粒(SiO2-NP，10-50nm)、盐酸多巴胺(Mw＝189.64)、氨水和二甲基甲酰胺(DMF)购自中国阿拉丁化工有限公司；蒸馏水来自Heal-Force净水系统；聚丙烯(PP，熔融指数＝16)购自友硕化工科技有限公司，棉网(58.16g/m2)购自金海纺织有限公司，衬衫纺织品仅用于悬垂和混纺试验，为100％纯棉单件针织物(148.64g/m2)，熔融静电纺丝机购自MES-001莱州电子有限公司，所有分析级化学品均未进一步纯化。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本实施例的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法包括如下步骤：
(1)、采用熔融静电纺丝机(MES-001莱州电子有限公司)对聚丙烯(PP)进行熔融静电纺丝制备单层纤维膜：以PP母料为原料，经挤出机挤出成带，将制备好的原料以5cm/min的速度输送到340℃的加热注射器(直径为0.4mm)中，固定在30cm/min的玻片上，在注射器和收集器之间施加36kv的直流高压，保持7cm的距离，在玻片上收集聚丙烯纤维接地金属转筒或金属转筒套棉网，转速为45r/min，静电纺丝过程中的相对环境温度为45℃，进行0.5h的纺丝，制备出不同厚度的聚丙烯层，表示为PP-0.5。
(2)、外层的制备：将二氧化硅纳米粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，并磁搅拌8h，得到10wt％的二氧化硅纳米粒子和12wt％的聚丙烯腈组成的纺丝溶液(各100g)，即含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液。
(3)、多层纤维膜的制备：PAN-SiO2纳米纤维可以在碱性水溶液中通过水解和多巴胺处理进行改性，并且可以制成具有超亲水性能的纳米纤维膜在RES-001旋转式动态静电纺丝装置上，以0.002mm/s的固定进给速度，用直径0.3mm的针对步骤(2)的含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液在步骤(1)的聚丙烯、棉网聚丙烯表面进行电纺，针尖施加20kv的高直流电压。
将纤维状纳米纤维收集在接地的金属旋转辊上，以45r/min的转速覆盖聚丙烯、棉网聚丙烯，针尖距接收辊的距离为15cm，在室温和45％的相对湿度下，在固定模式下纺丝3h。
(4)、用多巴胺碱性水溶液处理：采用原位聚合的方法在步骤(3)的多层纤维膜上包覆聚多巴胺，并溶解在氨水溶液中，真空干燥。
实施例2：
本实施例的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法包括如下步骤：
(1)、采用熔融静电纺丝机(MES-001莱州电子有限公司)对聚丙烯(PP)进行熔融静电纺丝制备单层纤维膜：以PP母料为原料，经挤出机挤出成带，将制备好的原料以5cm/min的速度输送到340℃的加热注射器(直径为0.4mm)中，固定在30cm/min的玻片上，在注射器和收集器之间施加36kv的直流高压，保持7cm的距离，在玻片上收集聚丙烯纤维接地金属转筒或金属转筒套棉网，转速为45r/min，静电纺丝过程中的相对环境温度为45℃，进行1h的纺丝，制备出不同厚度的聚丙烯层，表示为PP-1。
(2)、外层的制备：将二氧化硅纳米粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，并磁搅拌8h，得到10wt％的二氧化硅纳米粒子和12wt％的聚丙烯腈组成的纺丝溶液(各100g)，即含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液。
(3)、多层纤维膜的制备：在RES-001旋转式动态静电纺丝装置上，以0.002mm/s的固定进给速度，用直径0.3mm的针对步骤(2)的含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液在步骤(1)的聚丙烯、棉网聚丙烯表面进行电纺，针尖施加20kv的高直流电压。
将纤维状纳米纤维收集在接地的金属旋转辊上，以45r/min的转速覆盖聚丙烯、棉网聚丙烯，针尖距接收辊的距离为15cm，在室温和48％的相对湿度下，在固定模式下纺丝3h。
(4)、用多巴胺碱性水溶液处理：采用原位聚合的方法在步骤(3)的多层纤维膜上包覆聚多巴胺，并溶解在氨水溶液中，真空干燥。
实施例3：
本实施例的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法包括如下步骤：
(1)、采用熔融静电纺丝机(MES-001莱州电子有限公司)对聚丙烯(PP)进行熔融静电纺丝制备单层纤维膜：以PP母料为原料，经挤出机挤出成带，将制备好的原料以5cm/min的速度输送到340℃的加热注射器(直径为0.4mm)中，固定在30cm/min的玻片上，在注射器和收集器之间施加36kv的直流高压，保持7cm的距离，在玻片上收集聚丙烯纤维接地金属转筒或金属转筒套棉网，转速为45r/min，静电纺丝过程中的相对环境温度为45℃，进行1.5h的纺丝，制备出不同厚度的聚丙烯层，表示为PP-1.5。
(2)、外层的制备：将二氧化硅纳米粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，并磁搅拌8h，得到10wt％的二氧化硅纳米粒子和12wt％的聚丙烯腈组成的纺丝溶液(各100g)，即含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液。
(3)、多层纤维膜的制备：在RES-001旋转式动态静电纺丝装置上，以0.002mm/s的固定进给速度，用直径0.3mm的针对步骤(2)的含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液在步骤(1)的聚丙烯、棉网聚丙烯表面进行电纺，针尖施加20kv的高直流电压。
将纤维状纳米纤维收集在接地的金属旋转辊上，以45r/min的转速覆盖聚丙烯、棉网聚丙烯，针尖距接收辊的距离为15cm，在室温和46％的相对湿度下，在固定模式下纺丝3h。
(4)、用多巴胺碱性水溶液处理：采用原位聚合的方法在步骤(3)的多层纤维膜上包覆聚多巴胺，并溶解在氨水溶液中，真空干燥。
实施例4：
本实施例的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法包括如下步骤：
(1)、采用熔融静电纺丝机(MES-001莱州电子有限公司)对聚丙烯(PP)进行熔融静电纺丝制备单层纤维膜：以PP母料为原料，经挤出机挤出成带，将制备好的原料以5cm/min的速度输送到340℃的加热注射器(直径为0.4mm)中，固定在30cm/min的玻片上，在注射器和收集器之间施加36kv的直流高压，保持7cm的距离，在玻片上收集聚丙烯纤维接地金属转筒或金属转筒套棉网，转速为45r/min，静电纺丝过程中的相对环境温度为45℃，进行2h的纺丝，制备出不同厚度的聚丙烯层，表示为PP-2。
(2)、外层的制备：将二氧化硅纳米粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，并磁搅拌8h，得到10wt％的二氧化硅纳米粒子和12wt％的聚丙烯腈组成的纺丝溶液(各100g)，即含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液。
(3)、多层纤维膜的制备：在RES-001旋转式动态静电纺丝装置上，以0.002mm/s的固定进给速度，用直径0.3mm的针对步骤(2)的含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液在步骤(1)的聚丙烯、棉网聚丙烯表面进行电纺，针尖施加20kv的高直流电压。
将纤维状纳米纤维收集在接地的金属旋转辊上，以45r/min的转速覆盖聚丙烯、棉网聚丙烯，针尖距接收辊的距离为15cm，在室温和42％的相对湿度下，在固定模式下纺丝3h。
(4)、用多巴胺碱性水溶液处理：采用原位聚合的方法在步骤(3)的多层纤维膜上包覆聚多巴胺，并溶解在氨水溶液中，真空干燥。
上述实施例的PAN-SiO2表面处理分别为0.5h、1h、1.5h，分别表示TPAN-SiO2-0.5h、TPAN-SiO2-1h、TPAN-SiO2-1.5h。在连续搅拌下，PAN-SiO2/PP和PAN-SiO2/棉网/PP的表面分别处理1.5h，分别表示为TPAN-SiO2/TPP和TPAN-SiO2/棉网/TPP。所有处理过的垫子用蒸馏水冲洗三次，60℃真空干燥24h。
由图3可知，当处理时间为0.5h(图3b)和1h(图3c)时，平均孔径分别调整为0.97μm和1.1μm。当处理时间延长至1.5h(图3d)时，平均孔径变为1.54μm。
碱性多巴胺水溶液浸泡提高了内层的润湿性和外层的亲水性，对水迁移的初始疏水力基本减弱。水分管理测试仪(MMT，SDL ATLAS，Ltd，China)是测量定向水传输性能的有用设备。在测试过程中，将样品放置在两个电阻传感器阵列之间。传感器中的输液管将固定浓度的盐水滴到纤维垫上。传感器的探针测试不同环之间的电阻，以通过电阻的变化反映液体在纤维毡中的吸收和扩散。
利用公式
其中，Ub是底层的水分含量，Ut是顶层的水分含量，T是总测试时间。
利用公式OMMC＝0.25BAR+0.5AOTI+0.25BSS其中，BAR＝底部吸收率(％s-1)，AOTC＝累积单向运输指数，BSS＝底部铺展速度(％s-1)。
计算了累积单向运输指数(AOTI)和过湿管理能力(OMMC)。经计算表现了出色的AOTI(1071％)和优异的OMMC(0.88)，翻转后的AOTI值为-1332％。
图4表示了通过液体水分管理测试仪(MMT)定量测量的PAN-SiO2/PP和TPAN-SiO2/TPP的定向水传输。在复合纤维毡的表面上连续滴入0.2g盐水120s。图中的曲线表示纤维层顶部的相对水含量，而直线表示纤维层底部的相对水含量。
PAN-SiO2/PP和TPAN-SiO2/TPP的AOTI值分别为-852％和330％。在多巴胺的碱性水溶液中处理后，由于改善了处理后的PP纤维的水润湿性，因此促进了这种水传输行为。观察到的图4a和图4b显示，当将盐水液滴滴在PAN-SiO2/PP上时，大部分水停留在PP层的表面上，几乎没有被输送到相反的一侧，这是因为表面能很小，以至于PP层具有很强的疏水性，因此水滴不能与亲水层(PAN-SiO2)接触而被毛细管拉出。但是，当在TPAN-SiO2/TPP上滴入一定量的水时，底部的水含量明显大于顶部的水含量。刚开始时，顶部的水分增加快于底部的水分，并在10s达到最大值。这归因于TPP侧的初始疏水力较强，从而减慢了水滴的向下传输速度。由于TPAN-SiO2抽出的水，层底部的含水量随时间稳定增加，并在37s结束时超过顶部的含水量。层在明显的芯吸作用下加速了底部的润湿速度。80s后，底部含水量没有明显增加，并保持在稳定水平。然而，当将纤维膜翻转过来并将盐水滴添加到TPP-SiO2的侧面时，所有的水在顶部积聚而不向下输送，从而使底部几乎不被润湿。
当在TPP侧上放置适量的透明蓝色墨滴(35μL)时，可以观察到水可以快速地从TPP层传输到另一侧，在TPP上显示出极好的润湿性，在TPP上显示出毛细作用力。可以说明，由于大量的水被吸收并沿横向扩散，因此TPP侧的水散布面积小。实验结果证明，TPP具有良好的输水能力，不吸水，符合内层快速干燥的要求，保证了人体的湿热舒适性。而TPAN-SiO2具有卓越的芯吸能力，可以迅速将水抽出并加快水的输送速度。但是，当水沿相反方向滴下时，积聚在TPAN-SiO2表面上的水沿横向平面迅速扩散，而只有少量的水运到另一侧，因此大部分区域TPP方面仍然保持干燥。这种现象直观地表明TPAN-SiO2/TPP具有出色的定向水传输能力。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种具有定向水传输功能的多层纤维膜，其特征在于：其依次由内层、中间层和外层复合得到；
所述内层的材质为聚丙烯；
所述中间层的材质为棉网聚丙烯；
所述外层的材质为含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈。
2.一种如权利要求1所述的具有定向水传输功能的多层纤维膜的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)、内层的制备：将聚丙烯挤出成带，并以5cm/min的速度输送到340℃的加热注射器中，以30cm/min的速度摆动，在注射器和收集器之间施加36kv的直流高压，保持7cm的距离，并以45r/min的转速将聚丙烯纤维收集在接地的金属旋转辊或金属旋转辊覆盖的棉网上；
(2)、外层的制备：将二氧化硅纳米粉末溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，并搅拌8h，得到10wt％的二氧化硅纳米粒子和12wt％的聚丙烯腈组成的纺丝溶液，即含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液；
(3)、多层纤维膜的制备：在动态静电纺丝装置上，以0.002mm/s的固定进给速度，将步骤(2)的含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯腈溶液在步骤(1)的聚丙烯、棉网聚丙烯表面进行电纺，以45r/min的转速覆盖聚丙烯、棉网聚丙烯，在室温和45±3％的相对湿度下纺丝；
(4)、用多巴胺碱性水溶液处理：采用原位聚合的方法在步骤(3)的多层纤维膜上包覆聚多巴胺，溶解在氨水溶液中，真空干燥。
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