代文月，劉 蓉，于俊榮，1b，王 彥，1b，諸 靜，1b，胡祖明，1b

(1. 東華大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院； b. 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

人體所產(chǎn)生的熱量主要以紅外熱輻射的形式散發(fā)，制備一種具有較高紅外透過性的涼爽面料可實(shí)現(xiàn)個(gè)人的熱量管理，從而減少能源消耗、提高能源效率[1-2]。人體發(fā)射紅外線的波長(zhǎng)范圍為7～14 μm，發(fā)射峰位于9.5 μm。普通的服用纖維如棉、滌綸、腈綸中含有的C—O、C—N或芳香族C—H鍵，均對(duì)人體紅外輻射有較強(qiáng)的吸收并轉(zhuǎn)化為熱量保持在織物內(nèi)，從而起到較好的保暖作用。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(ultrahigh relative molecular weight polyethylene，UHMWPE)因其超高的相對(duì)分子質(zhì)量，使其分子鏈形成了高度的物理纏結(jié)結(jié)構(gòu)，因而具有非常優(yōu)越的抗沖擊、耐磨擦、耐低溫性能和生理惰性等常規(guī)塑料無法企及的性能[3]。同時(shí)，聚乙烯中的脂肪族C—C和C—H鍵僅在3.4、3.5、6.8、7.3和13.7 μm處有較窄的紅外吸收峰，將聚乙烯制成納米微孔結(jié)構(gòu)后會(huì)進(jìn)一步減少對(duì)紅外光波的背散射，因而可以很好地將人體紅外熱輻射散發(fā)出去[1-4]。近年來，由熱致相分離(thermally induced phase separation，TIPS)法制得的UHMWPE微孔膜已被廣泛用做鋰電池隔膜[5-6]，但由于隔膜微孔較小，透氣性較差，強(qiáng)度較低，不宜用作服用面料。Hsu等[2]將UHMWPE鋰電池隔膜用針插孔以提高其透氣性，然后將其與棉網(wǎng)格布復(fù)合后制成了紅外輻射平均透過率達(dá)77.8%的涼爽織物。筆者課題組將UHMWPE凍膠與處理后的滌棉織物熱壓復(fù)合后，采用TIPS法制得了具有較高水通量的復(fù)合濾膜[7]，而以滌綸為基布制得的UHMWPE/滌綸復(fù)合織物對(duì)人體紅外輻射的平均透過率達(dá)82.8%以上[8]，并具有較好的透氣、透濕性能。在服用纖維中，錦綸6具有與聚乙烯相似的鏈結(jié)構(gòu)，且其酰胺基團(tuán)僅在遠(yuǎn)離人體紅外輻射峰的6～8 μm和13～14 μm有相應(yīng)的紅外吸收，因而錦綸6的紅外透過性比棉和滌綸要高得多，并且錦綸6熔點(diǎn)較高，因此可用作UHMWPE溶液的熱壓復(fù)合基布，有望進(jìn)一步提高復(fù)合織物的紅外透過性能。

本文以錦綸6網(wǎng)格布為復(fù)合基布，將其與UHMWPE凍膠熱壓復(fù)合后采用TIPS法制得UHMWPE/錦綸復(fù)合微孔織物，探究了UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合織物紅外透過性和透氣、透濕性能的影響，并研究了復(fù)合織物對(duì)紫外光和可見光的吸收和透過性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

UHMWPE粉末：黏均相對(duì)分子質(zhì)量(Mη)分別為100萬和400萬，上海聯(lián)樂化工科技有限公司。白油：70號(hào)，上海山洋潤(rùn)滑油有限公司。抗氧劑(1076)：優(yōu)締貿(mào)易(上海)有限公司。二氯甲烷：上海聯(lián)與化工有限公司。錦綸6網(wǎng)格布：22.2 dtex纖維采用雙軸向襯緯經(jīng)編織機(jī)織成的網(wǎng)格布，織物厚度為0.235 mm，面密度為34 g/m2，福建長(zhǎng)樂華耀針織有限公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 UHMWPE/錦綸凍膠復(fù)合膜的制備

UHMWPE溶液配制時(shí)的各組分所占比例如表1所示。將UHMWPE、白油和抗氧劑按一定比例混合，配制UHMWPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、8%、10%的混合液，其中抗氧劑所占UHMWPE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，采用江蘇誠盟裝備股份有限公司的Φ25型雙螺桿擠出機(jī)，以雙螺桿溶脹溶解方式[9]制得UHMWPE凍膠，直接壓制成凍膠膜。

表1 不同相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的UHMWPE溶液配比

按照三明治形式將兩層UHMWPE凍膠膜和一層錦綸6網(wǎng)格布置于模具中，內(nèi)置一定粗細(xì)的鋼絲以控制壓膜厚度，采用上海西瑪偉力橡塑機(jī)械有限公司的yx-25(D)型半自動(dòng)壓力成型機(jī)，升溫至熱壓溫度后先預(yù)熱5 min，再在5 MPa下熱壓15 min制成復(fù)合膜。UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量為100萬和400萬時(shí)的熱壓溫度分別為150和200 ℃，而UHMWPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高為10%時(shí)，熱壓溫度分別為160和210 ℃，以使UHMWPE凍膠熔融并均勻壓入基布的網(wǎng)格空隙中。熱壓之后將復(fù)合膜取出，置于冷水中驟冷相分離形成凍膠復(fù)合膜，然后在室溫放置48 h以上，達(dá)到相分離平衡后待用。同樣條件下制備相對(duì)分子質(zhì)量為400萬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的純UHMWPE凍膠膜以作對(duì)比。

1.2.2 UHMWPE/錦綸復(fù)合微孔織物的制備

將上述制備的純UHMWPE凍膠膜及其與錦綸6網(wǎng)格布的復(fù)合膜以二氯甲烷為萃取劑進(jìn)行室溫超聲萃取，萃取浴比為1∶20，重復(fù)萃取3次，每次萃取時(shí)間為10 min。將萃取后的織物樣品張緊，室溫下自然干燥。

1.3 測(cè)試方法

透光性能測(cè)試。采用Nicolet 8700型傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀測(cè)試織物的紅外透射光譜，通過Ominic程序計(jì)算其在人體紅外輻射范圍(7～14 μm)內(nèi)的加權(quán)平均紅外透過率。采用Lambda 950型紫外-可見(UV-vis)分光光度計(jì)(固體)測(cè)試織物的吸收和透射光譜，并相應(yīng)計(jì)算織物對(duì)紫外光和可見光的加權(quán)平均吸收率和透過率。每個(gè)樣品測(cè)試5次，取平均值。

透氣性測(cè)試?？椢镌跍囟葹?21±1)℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大氣下調(diào)濕24 h后進(jìn)行測(cè)試，參照J(rèn)IS L 1096—1999《紡織品透氣性測(cè)試方法》，在壓差為125 Pa下測(cè)試氣體單位時(shí)間透過單位面積織物的流量，計(jì)算氣體流速。每塊織物測(cè)試5次，取平均值。

透濕性測(cè)試。參照GB/T 12704.2—2009《紡織品織物透濕性測(cè)試方法 第2部分：蒸發(fā)法》 中的正杯法，在溫度為(38±2)℃、相對(duì)濕度為(50±2)%下進(jìn)行透濕性測(cè)試，取3塊試樣，每塊直徑為40 mm，使水面距離試樣下表面10 mm左右，以單位時(shí)間垂直通過單位面積試樣的水蒸氣質(zhì)量計(jì)算織物的水蒸氣透過率。每塊試樣測(cè)試5次取，平均值。

水通量測(cè)試。將復(fù)合織物剪裁成直徑為40 mm，放入水通量測(cè)試裝置中，在測(cè)試水壓0.1 MPa下穩(wěn)定0.5 h后測(cè)試單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積織物的水質(zhì)量，測(cè)試5次取平均值。

力學(xué)性能測(cè)試。將織物裁剪成寬為30 mm和長(zhǎng)為130 mm的樣條，采用美國(guó)英斯特朗集團(tuán)生產(chǎn)的Instron-5969型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行織物的拉伸力學(xué)性能，測(cè)試夾距為100 mm，拉伸速度為20 mm/min，每個(gè)樣品測(cè)試3次取平均值。

織物形態(tài)結(jié)構(gòu)表征。采用德國(guó)耐馳儀器制造有限公司的LWT300LPT型光學(xué)顯微鏡(OM)在50倍目鏡下觀察織物復(fù)合前后的表面形貌。將織物置于液氮中反復(fù)對(duì)折并用剪刀輔助剪斷制得斷面，將織物表面和斷面噴金后采用捷克FEI公司的SU 8010型掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察復(fù)合織物的表面和斷面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHMWPE膜與UHMWPE/錦綸復(fù)合織物的表征

采用相對(duì)分子質(zhì)量為400萬，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的UHMWPE凍膠制得的UHMWPE/錦綸復(fù)合織物的OM和SEM照片如圖1所示。由圖1(a)和1(b)可以看出，錦綸6基布為網(wǎng)格狀，且紋理較稀疏，具有較高的可見光透明性，而復(fù)合之后織物變?yōu)橥耆目梢姽獠煌该?。由圖1(c)和1(d)可以清楚地觀察織物的雙軸向襯緯經(jīng)編紋理結(jié)構(gòu)，織物中網(wǎng)格孔洞尺寸為400～500 μm，而復(fù)合之后UHMWPE完全填充了基布的孔隙，并充分包裹住了經(jīng)線與緯線中的錦綸纖維，這說明UHMWPE可均勻地涂覆并分散于基布中。由圖1(e)和1(f)可以看出，基于TIPS法的復(fù)合織物中產(chǎn)生了大量的微孔，微孔尺寸為幾百納米級(jí)，這有利于提高復(fù)合織物的透氣和透濕性。

2.2 UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合織物厚度和面密度的影響

不同UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得復(fù)合織物的厚度、面密度如表2所示。由表2可知，隨著UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合織物變厚，面密度也隨之增大。這是由于UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量大或質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)聚乙烯分子鏈間纏結(jié)更加緊密，鏈段運(yùn)動(dòng)能力變差，其凍膠膜在熱壓過程中重新熔融時(shí)溶液黏度增大、溶液流動(dòng)性減小，從而使得復(fù)合織物更緊密，織物厚度和面密度增大。由于熱壓和UHMWPE的黏合作用，使得部分復(fù)合織物的厚度相比于純錦綸6基布略微減小。復(fù)合織物中UHMWPE的填充量隨UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量或質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量為100萬時(shí)，復(fù)合織物內(nèi)填充的UHMWPE占比略低，而相對(duì)分子質(zhì)量為400萬時(shí)，由于溶液黏度增大，使得保留在復(fù)合織物中的UHMWPE占比增大，因此復(fù)合織物厚度也明顯增大。

表2 不同UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得復(fù)合織物的厚度、面密度及透光性能對(duì)比

2.3 UHMWPE/錦綸復(fù)合織物的紅外透過性能及其對(duì)紫外-可見光的遮蔽性能

UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量為400萬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)制得純UHMWPE膜及其與錦綸6網(wǎng)格布復(fù)合織物和錦綸6網(wǎng)格布的紅外透射圖譜如圖2所示，經(jīng)計(jì)算得各復(fù)合織物在人體輻射紅外(波長(zhǎng)7～14 μm)范圍內(nèi)的中紅外的加權(quán)平均透過率數(shù)據(jù)列于表2中。由表2可以看出，盡管錦綸6基布有較大的網(wǎng)格，但由于錦綸單纖維較粗(22.2 dtex)，對(duì)于波長(zhǎng)與其尺寸相當(dāng)?shù)募t外輻射產(chǎn)生一定的背散射，造成基布的紅外透過性能總體不強(qiáng)，對(duì)人體輻射紅外的平均透過率僅為30.75%。而純UHMWPE膜及其與基布的復(fù)合織物在6.8和13.7 μm左右出現(xiàn)較窄的紅外吸收峰，說明錦綸6網(wǎng)格布與UHMWPE復(fù)合之后，其對(duì)人體紅外的透過性明顯變強(qiáng)，中紅外平均透過率均達(dá)95%左右，僅比純UHMWPE膜略低。

錦綸6網(wǎng)格布、相對(duì)分子質(zhì)量為400萬和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的純UHMWPE膜及其與錦綸6網(wǎng)格布復(fù)合織物對(duì)紫外-可見光的透射圖譜如圖3所示，對(duì)紫外光(200～400 nm)和可見光(400～800 nm)的加權(quán)平均透過率列于表2中。由表2可以看出，錦綸6網(wǎng)格布對(duì)紫外及可見光的透過率均為50%以上，這與織物網(wǎng)格中孔隙所占密度基本相當(dāng)，而純UHMWPE膜及其與錦綸6網(wǎng)格布的復(fù)合織物對(duì)紫外光和可見光的平均透射率都接近0。這是由于熱致相分離法制得的UHMWPE膜及復(fù)合織物的UHMWPE相內(nèi)含有大量尺寸為50～1 000 nm的微孔[8]，微孔尺寸與紫外及可見光波長(zhǎng)量級(jí)相同，對(duì)紫外-可見光波具有較強(qiáng)的散射作用，從而具有對(duì)紫外光和可見光近100%的遮擋率，因此，織物呈可見光不透明狀態(tài)。

由上述分析可知，制得的UHMWPE/錦綸復(fù)合織物對(duì)人體紅外輻射具有較高的透過性，并能完全遮蔽紫外光及可見光。因此，該復(fù)合織物可作為涼爽織物，其在被穿著時(shí)可快速將人體紅外輻射透射出體外，并對(duì)紫外光和可見光有完全的遮蔽作用，可完全防止太陽紫外線照射對(duì)人體皮膚的傷害。

2.4 UHMWPE/錦綸復(fù)合織物的透氣、透濕性能

服用織物要求其具有一定的透氣、透濕性能?？椢锿笟庑允侵竷擅娲嬖趬翰畹那闆r下，織物透過空氣的性能，是織物通透性中最基本的性能，主要影響織物的穿著舒適性，如隔熱、保暖、通透、涼快等。透濕性是評(píng)價(jià)人體汗液從身體表面通過織物向環(huán)境轉(zhuǎn)移的能力，是鑒定織物舒適性和衛(wèi)生性的重要指標(biāo)之一。織物的通透性大小可以用織物的水通量來表示。

不同UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得復(fù)合織物的透氣、透濕性能如表3所示。由表3可知，較高相對(duì)分子質(zhì)量的UHMWPE制得的復(fù)合織物的透氣率較小、水通量和水蒸氣透過率也較低。這是由于較高相對(duì)分子質(zhì)量的UHMWPE溶液黏度較高，分子鏈末端缺陷變少，分子鏈間纏結(jié)變得緊密，從而使熱致性相分離成孔的結(jié)構(gòu)也會(huì)越緊密，使得復(fù)合織物通透性降低。而當(dāng)UHMWPE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，溶劑對(duì)UHMWPE分子的解纏結(jié)能力及增塑能力減弱，溶液內(nèi)UHMWPE分子鏈間纏結(jié)作用明顯，分子活動(dòng)的能力降低，使生成的聚乙烯結(jié)晶結(jié)構(gòu)不完善，從而使復(fù)合織物UHMWPE相內(nèi)的聚乙烯晶粒尺寸變小，結(jié)晶度降低[9]，則晶粒間距變大，致使微孔尺寸變大，從而使得復(fù)合織物的透氣率、水通量和水蒸氣透過率逐漸增大。

表3 不同UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得復(fù)合織物的透氣、透水性能

2.5 UHMWPE/錦綸復(fù)合織物的拉伸力學(xué)性能

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、不同相對(duì)分子質(zhì)量的UHMWPE與錦綸6網(wǎng)格布制得的復(fù)合織物和錦綸6網(wǎng)格布的橫向拉伸曲線如圖4所示，UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量為100萬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)與錦綸6網(wǎng)格布制得的復(fù)合織物的橫向拉伸曲線如圖5所示，力學(xué)性能對(duì)比列于表3中。錦綸6網(wǎng)格布由于其疏松的織物結(jié)構(gòu)，初始模量較低，斷裂伸長(zhǎng)率較大，斷裂強(qiáng)度約為9.4 MPa。而將UHMWPE膜與錦綸6網(wǎng)格布制成復(fù)合織物后，由于熱壓和UHMWPE的黏結(jié)作用，使得復(fù)合織物的彈性降低，初始模量明顯增大。當(dāng)UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量為100萬且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和8%時(shí)制得的復(fù)合織物強(qiáng)度比錦綸6網(wǎng)格布略微有所降低，可能是由于熱壓使錦綸6網(wǎng)格布結(jié)構(gòu)受損所致。而隨著UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合織物的強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率則呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)閺?fù)合織物體系中起黏結(jié)作用的UHMWPE量增多，對(duì)錦綸6網(wǎng)格布纖維間的黏結(jié)作用增強(qiáng)，使織物強(qiáng)度增大，但總體影響不大。因此，制得的復(fù)合織物具備了服用織物所必須滿足的力學(xué)性能。

3 結(jié) 語

本文以UHMWPE的相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為因素，研究了其對(duì)UHMWPE/錦綸復(fù)合織物性能的影響。當(dāng)UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量為100萬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，UHMWPE與錦綸6網(wǎng)格布形成的復(fù)合織物的透氣性和透濕性最好，且具有較高的紅外透射率和對(duì)紫外-可見光較好的遮蔽性能，并且較為輕薄，用于制備可透過人體中紅外輻射的涼爽面料。