陳 帆,金萬(wàn)慧,王 騊

(1.浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310018; 2.湖北省纖維檢驗(yàn)局,武漢 430079

服裝與人體之間的微環(huán)境對(duì)人體的熱濕舒適性十分重要[1-3]。研究表明,改善個(gè)體周?chē)奈夂虮雀淖兺獠凯h(huán)境更有效[4]。熱濕調(diào)節(jié)紡織品能夠改善個(gè)人舒適性而不需要對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行冷卻,靈活地維持人體生理和心理的舒適[5-6]。這種紡織品已廣泛應(yīng)用于體育、建筑和工業(yè)制造等各個(gè)領(lǐng)域[7-9]。近年來(lái),人們致力于開(kāi)發(fā)先進(jìn)的可穿戴熱濕管理紡織品,這種紡織品僅通過(guò)調(diào)節(jié)皮膚與局部環(huán)境之間的熱交換來(lái)改變身體周?chē)奈夂?完全不會(huì)造成能源的消耗[11-12],例如異形纖維織物(Coolmax)[13]。然而,水的比熱容和密度均高于空氣,因此皮膚表面殘留的汗液會(huì)儲(chǔ)存熱量,這會(huì)對(duì)織物的熱舒適性和冷卻性能造成負(fù)面影響[14-15]。異型纖維面料無(wú)法實(shí)現(xiàn)水分的定向輸送,這會(huì)導(dǎo)致部分汗液會(huì)滯留在皮膚一側(cè),從而影響服裝的穿著舒適性[16]。

針對(duì)該問(wèn)題,研究者們開(kāi)發(fā)出Janus型納米纖維織物(一種由親水和疏水結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的織物),并將其廣泛應(yīng)用于定向?qū)推つw濕度管理[17-19]。例如,Wang等[20]制備了一種由3層納米纖維薄膜逐層沉積形成的智能吸濕排汗織物,該織物的定向水傳輸能力(R)遠(yuǎn)高于其他商用吸濕排汗紡織品,能達(dá)到1245%。Miao等[21]基于維管植物的多分層結(jié)構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)制備了一種模擬蒸騰效應(yīng)的納米纖維織物,它除了具備快速的水分蒸發(fā)率(0.36 g/h)外,還表現(xiàn)出理想的R值(1072%)。這些研究證明,通過(guò)逐層沉積制備的納米纖維織物可以通過(guò)厚度的變化實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性梯度,從而獲得令人滿意的單向水傳輸能力和水分管理性能。但是,不容忽視的問(wèn)題是由于層間缺乏作用力,納米纖維薄膜非常容易剝離,導(dǎo)致在定向水傳輸過(guò)程中薄膜層間的夾液現(xiàn)象,從而使材料整體失去定向?qū)芰18]。同時(shí),由于目前靜電紡絲纖維的規(guī)模化制造還未實(shí)現(xiàn),實(shí)際應(yīng)用仍受到限制。因此,在原有紡織品基礎(chǔ)上進(jìn)行性能改進(jìn),仍是獲得先進(jìn)功能面料的最佳途徑。

另一方面,印刷技術(shù)是一種能夠?qū)⑽锢砘瘜W(xué)材料整合到紡織品上常用的簡(jiǎn)便工藝。其中絲網(wǎng)印刷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于紡織品上負(fù)載染料顆粒及納米功能材料[22]。Guan等[23]通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)在棉織物表面負(fù)載一層氧化石墨烯涂層作為親水外層,還原氧化石墨烯作為疏水內(nèi)層,制備了一種Janus功能棉織物。但是這種織物只能簡(jiǎn)單地排出汗液,并沒(méi)有加快體表熱量的散發(fā)。碳化硅(SiC)擁有獨(dú)特的物理化學(xué)性能,如硬度和機(jī)械穩(wěn)定性,在高溫下具有良好的導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)。由于它的化學(xué)惰性,高耐腐蝕和抗氧化性,使其成為負(fù)載在紡織品上的理想材料。

棉織物是一種廣泛使用的天然紡織品,具有生物可降解性、透氣性、親膚性和低成本等優(yōu)異性能。然而,棉易吸收汗液且導(dǎo)熱系數(shù)較低(0.026～0.035 W/(m·K)),不適合用作生產(chǎn)高性能夏季服裝。針對(duì)以上問(wèn)題,本文主要研究在棉織物上負(fù)載SiC納米顆粒的具備熱濕調(diào)節(jié)功能紡織品的制備與應(yīng)用。通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)在棉織物的一面涂覆PVA,再用噴涂法在PVA層負(fù)載SiC NPs,另一面負(fù)載PDMS,制備一種具有潤(rùn)濕性差異的復(fù)合棉織物。復(fù)合織物制備簡(jiǎn)單,適用于實(shí)際生產(chǎn),契合“碳達(dá)峰,碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo),在戶外服用熱濕調(diào)節(jié)紡織品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

SiC納米顆粒(SiC NPs,99%,上海麥克林生化有限公司);聚乙烯醇(PVA,1788,上海麥克林生化有限公司);四氫呋喃(C4H8O,AR,杭州高精細(xì)化工有限公司);聚二甲基硅氧烷(PDMS(由主劑與固化劑組成),99%,上海道康寧有限公司);丙酮(C3H6O,AR,杭州雙林化工試劑有限公司);無(wú)水乙醇(C2H6O,AR,杭州雙林化工試劑有限公司);去離子水;商用棉織物(135 g/m2,由湖北省纖維檢驗(yàn)局提供)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1為Janus SxPPC/PDMS復(fù)合棉織物的制備流程,其中角標(biāo)x表示懸濁液中SiC NPs的百分含量。

圖1 Janus SxPPC/PDMS復(fù)合織物的制備流程Fig.1 Schematic illustration of the fabrication process of Janus SxPPC/PDMS

1.2.1 PVA單面涂覆棉織物的制備

首先,將商用棉織物分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲洗滌10 min,在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中60 ℃烘干備用,用于除去棉織物表面的有機(jī)物等雜質(zhì)。然后,將5 g PVA溶解在50 mL去離子水中,95 ℃水浴劇烈攪拌2 h,得到10%的PVA水溶液備用。隨后,采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將一塊經(jīng)過(guò)預(yù)處理的棉織物(CF, 5 cm×5 cm)墊在絲網(wǎng)下方,在其上方滴加 2 mL 的10% PVA水溶液,使用刮刀將其涂抹均勻且保持潤(rùn)濕狀態(tài)備用(表示為PC)。

1.2.2 SiC納米顆粒單面負(fù)載棉織物的制備

分別將0.079、0.237、0.395 g的SiC NPs加入到10 mL乙醇中室溫下劇烈攪拌使其分散均勻,得到1%、3%和5%的SiC乙醇懸濁液(乙醇作為溶劑易揮發(fā),干燥后不會(huì)對(duì)織物的性能造成影響)。往噴嘴尺寸為0.5 mm的噴槍中加入3 mL上述懸濁液,以垂直方向分別噴涂在PC中PVA涂覆層一面(PVA作為親水層具有很強(qiáng)的黏性,可使其與SiC NPs結(jié)合得更緊密),噴嘴與織物之間保持20 cm的距離,確保其不會(huì)滲透至另一面。在60 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥,得到負(fù)載SiC NPs的PVA單面涂層棉織物(表示為SxPPC)。

1.2.3 定向?qū)甁anus復(fù)合棉織物的制備

首先將PDMS主劑(2 g)與固化劑(0.2 g)以恒定的10∶1比例在四氫呋喃(THF,8 g)中混合,均勻攪拌20 min并脫氣以去除氣泡。然后將攪拌后的混合物裝入噴槍中,用上述相同手法噴涂在棉織物未改性的一面作疏水處理。最后將復(fù)合織物樣品置于60 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥 3 h,完成固化過(guò)程以獲得Janus復(fù)合棉織物(表示為SxPPC/PDMS)。

為了對(duì)比負(fù)載SiC NPs前后織物的性能,往PC的背面也噴涂PDMS(與以上過(guò)程一致)作為對(duì)比樣品(表示為PC/PDMS)。

1.3 測(cè)試與表征

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM,ZEISS VLTRA-55,德國(guó))對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行表征。使用透射電子顯微鏡(TEM,JEM-2100,日本)進(jìn)一步觀察樣品的形貌結(jié)構(gòu)。使用 X射線衍射儀(XRD,ARL XTRA,瑞士)分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。使用OCA-25光學(xué)接觸角儀(DataPhysics Instruments GmbH,德國(guó))測(cè)試樣品的水接觸角。參照AATCC TM 195—2009標(biāo)準(zhǔn),使用水分管理測(cè)試儀(MMT M290;SDL Atlas,美國(guó))定量測(cè)量樣品的定向液體傳輸能力。使用熱導(dǎo)率分析儀(C-Therm,加拿大)測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合織物的形貌與結(jié)構(gòu)表征

圖2展示了制備過(guò)程中棉織物表面的形貌變化。如圖2(a)所示,未經(jīng)處理的棉織物原樣在經(jīng)過(guò)丙酮和乙醇的超聲清洗后,纖維表面顯示天然棉纖維所有的粗糙性。而經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)印刷涂覆PVA后,與原始棉纖維相比,PC/PDMS表面因覆蓋聚合物涂層而變得光滑(見(jiàn)圖2(b)),涂層鋪展均勻,因此它可以作為黏合劑,有效黏附SiC NPs。同時(shí)PVA中含有大量的親水羥基基團(tuán),具有親水性,可以作為Janus棉織物的親水層。從圖2(c)中可以看出,通過(guò)簡(jiǎn)單的噴涂方式,在棉纖維表面成功地沉積了粒徑均勻且分布均一的SiC NPs(平均直徑為(200±10) nm),這種均勻分布的方式能夠有效均一、有效地增強(qiáng)棉織物的導(dǎo)熱能力。從圖3(a)中S3PPC/PDMS的元素映射圖可以觀察到C和O元素均勻的分布在棉纖維中,Si元素則分布在表面,這進(jìn)一步輔助說(shuō)明了SiC NPs均勻地分布在棉纖維表面。其TEM圖像清楚地表明,單個(gè)SiC納米顆粒結(jié)晶良好,具有清晰可辨的晶格條紋,其中2.5 ?的晶面間距對(duì)應(yīng)于SiC(111)面(見(jiàn)圖3(b)―(c))[25]。

圖2 不同織物樣品以及其不同放大倍率的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of different fabrics and their different magnifications

圖3 S3PPC/PDMS的SEM-EDX和TEM照片F(xiàn)ig.3 SEM-EDX and TEM images of S3PPC/PDMS

復(fù)合織物制備過(guò)程中的3個(gè)主要制備階段產(chǎn)物的XRD圖譜如圖4所示,可以看出原始棉織物主要的特征峰在15.2°、16.7°和23.1°處,分別對(duì)應(yīng)棉的(101),(102),(002)晶面(cellulose I, JCPDS. No. 03-0226)。PC/PDMS對(duì)應(yīng)的特征峰與CF大致相同,說(shuō)明聚合物涂層并未破壞纖維結(jié)構(gòu)。而在噴涂SiC NPs后,在35.6°、41.5°、60.0°、71.8°處新出現(xiàn)了4個(gè)衍射峰,對(duì)應(yīng)于SiC的(111),(200),(220),(311)晶面(JCPDS no. 22-1319)[25],進(jìn)一步證實(shí)SiC NPs已負(fù)載在棉纖維上且結(jié)晶度良好。

2.2 復(fù)合織物的熱管理性能

將CF、PC/PDMS、S1PPC/PDMS、S3PPC/PDMS和S5PPC/PDMS放置在同一熱臺(tái)上,通過(guò)紅外熱相機(jī)記錄加熱過(guò)程,比較它們的傳熱能力(見(jiàn)圖5(a))。樣品在熱臺(tái)上加熱60 s的表面瞬態(tài)溫度如圖5(b)所示,在加熱過(guò)程中,噴涂SiC NPs的樣品表現(xiàn)出比普通織物更高的傳熱速率,這得益于SiC NPs極高的導(dǎo)熱系數(shù)(見(jiàn)圖5(c)),所以它們能產(chǎn)生快速的熱響應(yīng)。然而,并不是SiC NPs負(fù)載量越高就越好;可以看出,隨SiC NPs負(fù)載量增加反而會(huì)阻礙織物的熱傳導(dǎo)過(guò)程,S5PPC/PDMS的升溫速率就比S3PPC/PDMS慢(見(jiàn)圖5(b))。這是由于SiC NPs負(fù)載量增加,推測(cè)有部分堵塞棉纖維間的孔隙,進(jìn)而影響到了熱量的發(fā)散。將各織物置于同一加熱階段進(jìn)行熱傳導(dǎo)性能的比較。分別在30、40 ℃和50 ℃的平衡溫度下記錄相應(yīng)的紅外熱圖像(見(jiàn)圖5(d))。結(jié)果表明,與其他織物相比,S3PPC/PDMS的顯色率最低,其溫度與熱臺(tái)的平衡溫度最接近,這說(shuō)明它具備最佳的散熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 W/(m·K)),能將人體產(chǎn)生的熱量快速傳遞至外界,達(dá)到冷卻的目的。

圖5 不同織物的熱傳遞性能Fig.5 Heat transfer performances of different fabrics

2.3 復(fù)合織物的定向水傳輸性能

為了研究SiC NPs和PVA涂層對(duì)棉織物潤(rùn)濕性能的影響,測(cè)量了CF、PC、S1PPC、S3PPC和S5PPC的靜態(tài)水接觸角(WCA)(見(jiàn)圖6(a)―(b))。可以看出,液滴的形態(tài)隨時(shí)間的變化可以證明樣品間存在潤(rùn)濕性差異。在涂覆PVA后,織物顯示較原織物更良好的親水性。而當(dāng)在PC表面沉積SiC NPs后,SiC NPs質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%時(shí),SxPPC的WCA減小到0°所需要的時(shí)間逐漸增大。推測(cè)這是因?yàn)樯逃肧iC NPs因其制備工藝限制,具有表面疏水性,因此隨著負(fù)載濃度的升高,疏水性逐漸增加而導(dǎo)致水傳輸性能變差。但SiC NPs濃度太小又會(huì)影響SxPPC/PDMS復(fù)合織物的傳熱性能。所以最終選擇S3PPC/PDMS作為最佳SiC負(fù)載量進(jìn)行后續(xù)的定向水傳輸性能分析。

如圖7所示,分別從Janus復(fù)合織物S3PPC/PDMS的兩側(cè)分別滴加50 μL的墨水,并從頂部和側(cè)面觀察其單向輸水的過(guò)程。當(dāng)將墨逐滴滴在親水性S3PPC表面后,其潤(rùn)濕面積隨時(shí)間的流逝逐漸增大,直至墨滴在表面完全擴(kuò)散,不再向下滲透(見(jiàn)圖7(a))。S3PPC表面的深藍(lán)色擴(kuò)散區(qū)域表明墨水在親水表面完全擴(kuò)散。然而,將墨滴逐滴滴在疏水性PDMS表面后,液滴首先維持球形狀態(tài),逐漸坍塌,之后液滴迅速穿過(guò)織物并滲透至親水性S3PPC側(cè)擴(kuò)散(見(jiàn)圖7(b)的黑灰色區(qū)域),只在PDMS側(cè)的擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)明顯的“暗斑”(淺色斑痕代表墨水在反向親水面的鋪展),說(shuō)明墨滴從PDMS側(cè)轉(zhuǎn)移到S3PPC一側(cè),并被S3PPC側(cè)吸收。該現(xiàn)象證明復(fù)合織物兩側(cè)具有明顯的浸潤(rùn)性差異,可用于定向水傳輸。

圖7 通過(guò)滴墨(50 μL)研究了Janus S3PPC/PDMS上的單向水傳輸過(guò)程Fig.7 Investigation of the unidirectional water transport process on Janus S3PPC/PDMS by dripping ink droplets (50 μL)

圖8(a)―(b)直觀地顯示了不同體積的水滴分別滴加到S3PPC/PDMS兩側(cè)時(shí)擴(kuò)散直徑與時(shí)間之間的關(guān)系。當(dāng)?shù)嗡w積為25、50、100 μL和200 μL時(shí),親水性S3PPC側(cè)的水?dāng)U散直徑分別為1.4、2.3、3.8 cm和5.7 cm;PDMS側(cè)的擴(kuò)散直徑分別為0.4、0.9、1.3 cm和1.7 cm。顯然,無(wú)論水體積大小如何變化,與疏水性PDMS側(cè)相比,親水性S3PPC側(cè)具有更大的水?dāng)U散直徑,這也表明S3PPC/PDMS具有Janus浸潤(rùn)性差異。

此外,通過(guò)水分管理測(cè)試儀(MMT)對(duì)S3PPC/PDMS的定向水傳輸性能做了進(jìn)一步的定量分析。圖8(c)―(d)分別為往S3PPC/PDMS上表面(PDMS側(cè))和下表面(S3PPC側(cè))注水時(shí)的含水量變化圖。在往疏水性PDMS側(cè)(上表面)注水的過(guò)程中,上下表面含水量同時(shí)增加,在100 s內(nèi)達(dá)到最大值。停止注水后,上表面的含水量值顯著下降。這是因?yàn)樯厦媸杷甈DMS側(cè)與下面親水S3PPC側(cè)的浸潤(rùn)性差異導(dǎo)致水就會(huì)被定向輸送至下表面親水面。在 200 s 后,下表面的含水量保持在100%左右,說(shuō)明水已經(jīng)全部轉(zhuǎn)移至親水S3PPC一側(cè)。相反,當(dāng)親水S3PPC作為上表面,在往S3PPC側(cè)注水時(shí),疏水PDMS側(cè)的含水量始終保持為0。MMT還計(jì)算了S3PPC/PDMS織物的單向輸水能力(R=920%),表明復(fù)合棉織物擁有出色的單向水傳輸性能。因此,將復(fù)合織物的PDMS面作為服裝內(nèi)層接觸皮膚,可將其表面汗液定向傳輸至外界并帶走熱量。

綜合考慮到S3PPC/PDMS的熱傳導(dǎo)和定向排出汗液兩個(gè)功能協(xié)同為人體降溫。在戶外場(chǎng)景下分別拍攝了裸露皮膚、穿上CF和S3PPC/PDMS的紅外熱照片(見(jiàn)圖9)?？梢悦黠@地觀察到,穿上CF對(duì)體表溫度基本沒(méi)有任何改善,而復(fù)合織物S3PPC/PDMS在無(wú)需任何外部能源輸入的情況下,為人體降溫約2～3 ℃。

圖9 戶外場(chǎng)景下裸露皮膚、穿上CF和S3PPC/PDMS的紅外熱照片F(xiàn)ig.9 Infrared images of bare skin, wearing CF and S3PPC/PDMS in outdoors

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)結(jié)合噴涂法在棉織物的兩面分別負(fù)載了親水PVA/SiC NPs涂層和疏水PDMS層,制備了一種具有導(dǎo)熱性能和Janus浸潤(rùn)性差異的復(fù)合棉織物。用熱臺(tái)模擬體表皮膚,測(cè)試了系列樣品的熱傳遞性能,其中Janus復(fù)合棉織物S3PPC/PDMS的性能最佳。通過(guò)滴水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)證明其具有優(yōu)異的定向?qū)芰?。在戶外?shí)際場(chǎng)景測(cè)試了樣品的實(shí)際降溫效果,對(duì)比商用棉織物表現(xiàn)出2～3 ℃的降溫效果,這也與模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。這種Janus復(fù)合棉織物能快速傳遞體表產(chǎn)生的熱量,散發(fā)到外界,同時(shí)主動(dòng)排出皮膚表面分泌的汗液使其蒸發(fā)帶走熱量,兩者協(xié)同作用,共同為人體降溫。該復(fù)合織物在戶外服裝領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。