【摘要】：防水透濕服裝是一種兼具耐水滲透性和濕氣透過性的功能性服裝,它可以在雨雪、濕熱等惡劣天氣條件下或一些有毒有害的特殊工作環(huán)境中為人們提供有效的防護(hù)性和良好的舒適性。目前,用于制造防水透濕服裝的面料通常包括三種類型:高密織物、涂層織物和層壓復(fù)合面料。其中,高密織物的耐水滲透性能較差但透濕性能優(yōu)異,涂層織物的耐水滲透性能優(yōu)異但透濕性能較差,只有層壓復(fù)合面料可以同時表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水滲透性能和透濕性能。因此,層壓復(fù)合面料已經(jīng)成為目前市場中防水透濕服裝使用的主流面料。層壓復(fù)合面料是通過復(fù)合技術(shù)制造的具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的功能性面料,其核心層是兼具耐水滲透性和透濕性的功能膜材料。1962年,美國人Gore開發(fā)出了具有微孔結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯防水透濕膜,并用層壓復(fù)合方法將其與傳統(tǒng)紡織面料結(jié)合,首次制備了具有良好防水透濕功能的服裝面料,并于1976年以商品名Gore-Tex推向市場。隨后,科研人員便開始了防水透濕膜研究的新時代。目前商品化的防水透濕膜主要分為兩大類:即親水型無孔膜和疏水型微孔膜。其中,親水型無孔膜本身具有良好的連續(xù)性,因此,耐水滲透壓力普遍較高,但存在透濕通量低、易粘附到人體上的缺陷;疏水型微孔膜內(nèi)部具有大量連通的孔道結(jié)構(gòu),能夠有效的傳遞水蒸氣,因此,透濕性能優(yōu)異,而通過表面疏水改性和孔道結(jié)構(gòu)調(diào)控可以使其獲得良好的耐水滲透性能。因此,目前防水透濕膜的研究主要集中于疏水性微孔膜。靜電紡絲是近年來興起的一種利用高壓靜電場制備聚合物納米纖維的新技術(shù),通過靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜具有纖維直徑小、孔徑小、孔隙率高、孔道連通性好等特點,適合于制造具有優(yōu)異防水透濕性能的微孔膜。因此,已經(jīng)有大量研究人員投入到利用靜電紡絲技術(shù)制備纖維基防水透濕膜的研究中。然而,現(xiàn)有的纖維基防水透濕膜依然存在一些不足,例如:可用于靜電紡絲加工的疏水性聚合物種類少、纖維膜內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)與其耐水滲透性和透濕性之間的關(guān)系不明確、纖維間易滑移導(dǎo)致纖維膜的機(jī)械性能普遍較差、纖維基防水透濕膜的綜合性能依然有待提高等。為此,本論文以“靜電紡絲加工參數(shù)——纖維膜結(jié)構(gòu)變化規(guī)律——纖維膜結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系”為研究思路,首先合成了一種線型雙封端氟化聚氨酯疏水添加劑,用以改善紡絲聚合物的疏水性;隨后通過調(diào)整靜電紡絲加工參數(shù),實現(xiàn)了對纖維膜內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)、纖維間互粘結(jié)構(gòu)和膜內(nèi)孔道結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控,并研究了纖維膜表界面潤濕性、孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)和纖維間互粘結(jié)構(gòu)對纖維基防水透濕膜的耐水滲透性、透濕性和機(jī)械性能的影響規(guī)律,獲得了具有優(yōu)異綜合性能的纖維基防水透濕膜所應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)特征。具體的研究工作如下:(1)線型雙封端氟化聚氨酯疏水劑的合成及疏水性能研究采用4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯作為硬段、聚四氫呋喃醚二醇作為軟段、三縮四乙二醇作為擴(kuò)鏈劑、全氟辛基乙基醇為氟化封端劑,通過“四步法”合成了一種全新的線型雙封端氟化聚氨酯(FPU),利用紅外光譜、核磁共振波譜、凝膠滲透液相色譜等手段證實了通過“四步法”合成的FPU具有良好的線型分子結(jié)構(gòu),氟碳鏈段全部位于分子鏈的端基;隨后,將該FPU與商品化聚氨酯(PU)進(jìn)行共混紡絲,通過接觸角測試證實FPU可以有效提高纖維膜的疏水性。(2)纖維基氟化聚氨酯防水透濕膜的耐水滲透機(jī)理研究采用第二章制備的FPU和商品化PU為原料,利用靜電紡絲技術(shù)制備了一系列氟化聚氨酯(FPU/PU)纖維膜,在靜電紡絲過程中通過調(diào)節(jié)環(huán)境相對濕度實現(xiàn)了對膜中纖維結(jié)構(gòu)與孔道結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控,利用DMF-FPU/PU-水三元體系相圖分析了環(huán)境相對濕度對FPU/PU纖維膜結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)相對濕度使聚合物溶液射流受到非溶劑相分離和電荷耗散的協(xié)同作用:過低的相對濕度會導(dǎo)致射流過度拉伸形成珠粒結(jié)構(gòu)以及大量的纖維間粘連結(jié)構(gòu),而過高的相對濕度會使纖維膜中纖維直徑增加、纖維間粘連結(jié)構(gòu)消失。隨后,深入研究了液態(tài)水在FPU/PU纖維膜內(nèi)部孔道中的滲透機(jī)理,獲得了纖維膜的孔道結(jié)構(gòu)與表面潤濕性對其耐水滲透性能的影響規(guī)律:纖維膜的耐水滲透壓力與其最大孔徑、以及FPU/PU平滑膜的前進(jìn)接觸角之間的關(guān)系符合楊-拉普拉斯方程,該發(fā)現(xiàn)可指導(dǎo)FPU/PU纖維膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。(3)纖維基氟化聚氨酯防水透濕膜的濕熱傳遞規(guī)律研究通過調(diào)節(jié)靜電紡絲過程中的環(huán)境相對濕度和聚合物溶液濃度,制備了一系列孔徑相似、但孔隙率差異較大的FPU/PU纖維膜,并深入分析了水蒸氣在纖維膜內(nèi)部孔道中傳遞的原理:水蒸氣在FPU/PU纖維膜內(nèi)部孔道中的傳遞主要依靠菲克擴(kuò)散。同時,本研究還發(fā)現(xiàn)FPU/PU纖維膜的透濕通量主要受到孔隙率的影響,提高纖維膜的孔隙率可以有效改善FPU/PU纖維膜的透濕性能;當(dāng)纖維膜厚度增加時,透濕通量降低;當(dāng)環(huán)境溫度升高時,透濕通量提高。此外,本研究還證實了FPU/PU纖維膜具有極低的濕阻,即水蒸氣在其內(nèi)部傳遞受到的阻力極小,說明FPU/PU纖維膜具有優(yōu)異的濕熱傳遞能力。(4)纖維基氟化聚氨酯防水透濕膜的機(jī)械性能研究制備了一系列具有不同纖維結(jié)構(gòu)和纖維間粘連結(jié)構(gòu)的FPU/PU纖維膜,并通過拉伸實驗分析了FPU/PU纖維膜的“拉伸-斷裂”機(jī)理,發(fā)現(xiàn)FPU/PU纖維膜的“拉伸-斷裂”過程符合“兩步斷裂”機(jī)理,其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率主要受到纖維形態(tài)、直徑、纖維間粘連結(jié)構(gòu)和纖維內(nèi)部聚合物分子鏈的取向程度影響,通過改善纖維膜的纖維結(jié)構(gòu)可以大幅度提高其斷裂強(qiáng)度和伸長率。同時,FPU/PU纖維膜在受到外力拉伸時,顯示出符合“馬林斯效應(yīng)”的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,說明FPU/PU纖維膜在其斷裂伸長范圍內(nèi)具有類似于橡膠的高彈性特點。此外,本研究在伸長率為100%的條件下對FPU/PU纖維膜進(jìn)行了1000次定伸長循環(huán)“拉伸-回復(fù)”實驗,證實FPU/PU纖維膜在長期循環(huán)的較大形變下具有優(yōu)異的耐疲勞性。(5)氟化聚氨酯/碳納米管復(fù)合防水透濕膜的制備及性能研究在上述研究基礎(chǔ)上,以質(zhì)量比為1/1的DMF/THF作為混合溶劑,以CNTs作為主要添加物,設(shè)計并制備了FPU/PU/CNTs纖維膜。研究發(fā)現(xiàn),DMF/THF混合溶劑可以調(diào)節(jié)靜電紡絲過程中聚合物溶液射流的相分離程度從而控制紡絲射流固化速度;同時,在聚合物溶液中加入CNTs可以提高溶液電導(dǎo)率并能對纖維膜起到增強(qiáng)作用。在相對濕度為50%的條件下,聚合物溶液的總濃度為1.5wt%、FPU/PU比例為1/8、CNTs相對于聚合物的含量為0.75%時,制備的FPU/PU/CNTs纖維膜的耐水滲透壓力達(dá)到108kPa、透濕通量達(dá)到9.2kg m~(-2) d~(-1)、拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到12.5MPa、頂破強(qiáng)度達(dá)到47.6kPa,其綜合性能較現(xiàn)有商品化防水透濕膜有顯著的提高,在未來具有較大的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TS941.731
【圖文】：

第一章 緒論引言膚是人體最大的器官之一，它覆蓋于人體全身表面并直接與外界環(huán)調(diào)節(jié)人體體溫、感知外界刺激、抵御外來傷害、呼吸、吸收以及新作用[1, 2]�，F(xiàn)有的研究表明，皮膚主要通過呼吸作用分泌汗液或產(chǎn)節(jié)人體體溫。當(dāng)人體溫度過高時，分泌的汗液蒸發(fā)后可以帶走大量人體舒適，同時，皮膚表面的角質(zhì)層可以抵擋一定的外界刺激而起如圖 1-1 所示[3-5]。然而，人體的皮膚非常脆弱，外界的壓力、輻射質(zhì)甚至空氣中的塵埃微粒等均會損害皮膚，進(jìn)而對人造成傷害；同雖然具有良好的調(diào)節(jié)功能，但對寒冷、高溫、濕熱等外界環(huán)境因素在上述環(huán)境中，皮膚的調(diào)節(jié)功能難以維持人體舒適[6, 7]。因此，需阻擋外界刺激并維持皮膚表面“微環(huán)境”的穩(wěn)定，從而保護(hù)人體健康

博士學(xué)位論文 第料帶來的則是行動不變、舒適性極差、人體生理負(fù)擔(dān)加重等問題有防水透濕功能的膜材料則可以有效改善服裝的防護(hù)性與舒適性透濕膜材料提高服裝舒適性的是美軍特種部隊的野戰(zhàn)軍服，20 世國 Gore 公司推出的 Gore-Tex 防水透濕面料首先被應(yīng)用于制造美服具有優(yōu)異的防水、防風(fēng)和排汗功能，極大的改善了美軍士兵在野適性[23]。隨后，具有防水透濕功能的服裝面料被推向各個領(lǐng)域，包行服、航天服等，如圖 1-2 所示[24,25]。與此同時，由于防水透濕膜化學(xué)品、有毒物質(zhì)起到高效隔絕作用，可以有效保證穿著者的生命康，還被用于制造防毒防化服、防酸堿服等[26]。

濕膜為核心層的 Gore-Tex“三合一”防水透濕面料的結(jié)構(gòu)以能示意圖[29]。cture and the mechanism of waterproof and moisture permthe Gore-Tex fabric.護(hù)用品可以通過手術(shù)的方式對多種疾病進(jìn)行治療，然而在施、胸腹腔打開、動脈切斷等），病人的體液、血液或和不可預(yù)料的方向噴濺而出。在此種情況下，醫(yī)護(hù)人的手術(shù)服難以阻擋具有一定壓力的體液噴濺，容易導(dǎo)的身體而產(chǎn)生健康威脅。例如，1984 年，世界上首次患者進(jìn)行手術(shù)時，由于與患者血液接觸而被感染艾如果穿著多層防護(hù)服進(jìn)行長時間的手術(shù)，將導(dǎo)致大不僅損害醫(yī)護(hù)人員的健康，也會影響手術(shù)質(zhì)量。此外要長期臥床恢復(fù)，傳統(tǒng)的醫(yī)院用床單、病號服等均為親水性好、排濕性差，易導(dǎo)致細(xì)菌、病毒等在床單和

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本文編號：2769431