聚酯纖維TPU塗層織物界麵性能研究進展

聚酯纖維／TPU塗層織物界麵性能研究進展 聚酯纖維／TPU塗層織物界麵性能研究進展聚酯纖維／TPU塗層織物是以聚酯纖維為布基，TPU(熱塑性聚氨酯)為塗層的複合材料，因其輕質、高強、衛生、環保等係列優點，在運動服、雨衣、皮劃艇、帳篷、軟體貯水、貯油容器等領域有著廣泛的應用[1~3]。‘聚酯纖維是產量大、性能優良的合成纖維，具有高強度、高模量、優異的熱穩定性和耐老化性，以及良好的耐有機溶劑、氧化劑及耐腐蝕性[4．51。但是，由於聚酯的分子結構對稱，結晶度較高，結構中缺乏高極性基團，因此其親水性很差，回潮率隻有．4％，給聚酯纖維的塗層(複膜)帶來困難。界麵改性是改善聚酯纖維塗層性能，提高塗層織物界麵複合牢度的有效措施。由於其塗層材料TPU含有一定的極性基團[1】，因此聚酯纖維表麵改性成為該塗層織物界麵改性研究的重點。本文在分析聚酯纖維／TPU塗層織物界麵影響因素的基礎上，綜述了當前聚酯纖維表麵改性處理及塗層織物界麵研究方法，並淺析了其優缺點。1塗層織物界麵影響因素分析從聚酯纖維／TPU塗層織物界麵形成過程來看，影響塗層織物界麵的因素主要包括塗層織物質、聚酯纖維紡織印染，以及塗層製備過程，其中塗層織物基質是影響其界麵結合的根本因素。1．1塗層織物基質聚酯纖維／TPU塗層織物的基質組成主要包括聚酯纖維和TPU兩部分。聚酯纖維是以精對苯二甲酸(m～)或對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)為原料經酯化或酯交換和縮聚反應而製得的成纖高聚物聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，經紡絲、後處理製成的纖維，其分子式為[一OC—C6H。—COOCH：CH：o一]。。由於聚酯的分子結構對稱，結晶度較高，且組成結構中缺乏高極性基團，因此聚酯纖維作為塗層織物基布很難獲得良好的界麵結合。其塗層材料TPU，分子通式為[-R，NHCOOR2一]。，由於其分子結構中存在_NH一、—C00-活性基團，給塗層織物的良好界麵結合提供了可能。綜上，聚酯纖維／TPU塗層織物的基質組成中聚酯纖維的惰性表麵是製約該塗層織物界麵結合的瓶頸，因此聚酯纖維表麵活化改性是改善該塗層織物界麵結合的關鍵。聚酯纖維紡織、印染聚酯纖維經紡織、印染過程終成為塗層織物基布，紡織、印染過程不可避免地會伴隨漿紗、油汙，而漿料及油汙的去除不淨會降低織物的浸潤性和滲透性，直接影響塗層織物界麵結合，因此聚酯纖維織物印染後的清洗就顯得尤為重要。此外，聚酯纖維在生產過程中會伴隨有低聚物副產物的產生，其中環形低聚物水溶性低，會給染色加工及塗層製備過程帶來問題。研究表明嘲，當溫度高於130"(2時聚酯長分子鏈的活動性加劇，環狀低聚物積聚在纖維表麵。因此，控製印染及相關工藝溫度在100"C左右對於獲得界麵結合良好的塗層織物也很重要。1．3塗層製備工藝過程 塗層製備工藝過程是形成纖維／塗層界麵的基礎。因此，在纖維、塗層既定的情況下，塗層製備過程的工藝控製是聚酯纖維／TPU塗層織物界麵形成、獲得良好界麵結合的關鍵。塗層厚度是塗層織物的重要性能之一，直接影響塗層織物的界麵結合強度及使用性能。作為骨架材料的基布，布紋的存在導致其實際表麵凹凸不平，當塗層太薄時，不足以填平布紋的溝槽，使得塗層不連續，易出現滲漏現象；塗層過厚，不僅會增加塗層織物的克重，同時會增加產品成本。因此，塗層的實際厚度應根據其實際應用場合予以合理控製，以保證在滿足使用性能的同時，盡可能做到“質優價廉”。塗層製備溫度也是影響塗層織物界麵結合一個重要因素。研究表明[7|，隨著塗層製備溫度升高，塗層織物的布膜複合牢度明顯提高。這是因為升高塗層製備溫度，一方麵加速了塗層材料與基布的熔合，提高了塗層織物界麵機械結合；另一方麵，溫度升高有助於聚合物分子在塗層織物界麵間的擴散，形成強而持久的化學鍵結合。但是，塗層製備溫度也不宜過高，否則將造成工藝控製難度增大，增加工藝成本，同時也會造成聚酯纖維的強力損失。2聚酯纖維表麵改性通過改變基布的表麵狀態來提高塗層織物的剝離強度，是一種非常實用而且行之有效的技術措施。目前，用於聚酯纖維／n)U塗層織物界麵處理的方法主要有堿液處理、電暈放電及等離子體處理、浸膠處理等。 2．1堿液處理將聚酯纖維用堿性溶液處理，如Na0H溶液、氨水、聚乙烯亞胺等，堿液刻蝕聚酯纖維表麵，通過增加塗層織物的界麵機械結合來提高塗層織物界麵結合。程貞娟[8]采用傳統堿處理方法，在滲透劑和促進劑的共同作用下對聚酯纖維進行堿處理，獲得的聚酯纖維具有真絲般的感覺。白秀娥[9]采用NaOH的乙醇溶液對聚酯纖維進行堿處理，在獲得與水相堿處理相同效果的同時，大大縮短了處理時間。MatthewD等[10]首先用堿處理聚酯纖維，然後通過接枝牛血清蛋白來改善聚酯纖維與蛋白質的親和性。采用堿液處理聚酯纖維，雖然在一定程度上可以改善聚酯纖維的表麵活性，但堿液對聚酯纖維的表麵刻蝕造成聚酯纖維損傷，機械強度降低，使得該方法推廣應用受限。堿液與胺、乙醇等協同作用處理聚酯纖維可以較好地控製堿液對聚酯纖維的表麵刻蝕，在改善聚酯纖維表麵活性的同時減少纖維力學性能損失。2．2電暈放電及等離子體處理電暈放電及等離子體處理是通過電極放電刻蝕聚酯纖維，並在纖維表麵引入遊離基團，從而改善聚酯纖維的表麵活性。由於電暈放電及等離子體處理隻在纖維表麵一百多納米的淺層發生作用，對纖維本身的損傷很有限，在聚酯纖維染色及表麵活化方麵研究頗多。馬丕波等[11,12]分析了電暈處理後聚酯纖維表麵結構和化學組成的變化，考察了電壓和放電時間對聚酯纖維表麵及上漿性能的影響，研究結果表明聚酯纖維經電暈處理後，漿紗耐磨性提高、毛羽降低，綜合性能明顯改善。唐曉亮、MarcelSimora等[13,14]采用常壓等離子體方法對聚酯纖維進行了表麵改性，處理後聚酯纖維的染色、表麵潤濕和抗靜電性能都得到了改善。采用電暈放電及等離子體處理聚酯纖維，其核心是利用等離子體的高能離子轟擊聚酯纖維，將聚酯纖維表麵層的高分子鍵打開，並在斷鍵處形成活化中心，這種活化中心的壽命一般很短，並隨著轟擊後停放時間延長而衰弱，因此聚酯纖維經電暈放電及等離子體處理後需及時進行後續工藝。盡管如此，單一的采用電暈放電及等離子體處理對聚酯纖維的活化效果有限，其應用領域多局限於聚酯纖維印花、染色等方麵。浸膠處理聚酯纖維的浸膠處理，不僅可以在纖維表麵引入極性基團，提高聚酯纖維的表麵活性，同時浸膠液以其低粘度可以很好的浸潤、滲透聚酯纖維，在纖維和塗層之間起到“橋梁”作用，從而改善塗層織物的界麵結合。2．3．1浸膠液配方 有關聚酯纖維浸膠活化的研究早期主要基於簾子布的浸膠活化處理，其中以美國Dupont公司發明的I)-417預浸膠液配方為典型[15I，如表1所示，其中黃耆樹脂作為潤濕劑提高預浸膠液對聚酯纖維的浸潤性。聚酯纖維浸漬D-417預浸膠液後，在240"C熱處理1min，從而獲得活化的聚酯纖維表麵，後續進行塗層複膜工序。隨著汽車工業的發展及聚酯纖維／TPU塗層織物的推廣應用，聚酯纖維的浸膠處理研究也越來越多。LangerHeimojcl6]采用環氧樹脂和含有胺化亞酰胺、N_-毗咯烷基基團的碳一碳鏈聚合物作為浸膠液活化聚酯纖維，ZaviszaCl7]采用苯酚封閉苯二異氰酸酯和表氯醇一甘油縮聚的環氧化合物溶液浸漬處理聚酯纖維，Solomon[伯]采用己內酰胺封閉異氰酸酯和環氧樹脂浸膠處理聚酯纖維，均獲得了較好的活化效果。遼寧邦迪撚織有限公司[19]在引進德國ZELL公司浸膠設備及技術的基礎上，發明了新型浸膠液配方，其主要組分為二異氰酸鹽(60"--80)、環氧樹脂(18"--35)、聚乙烯醇／甲基纖維素(0．5～2．5)。]用水溶性的環氧樹脂和鄰苯二甲酸酐或氯化亞錫作為浸膠液，粘合力提高約15％，研究表明環氧樹脂作為媒介與聚酯簾線發生了化學反應。過浸漬改性環氧樹脂(sJR_2)和預縮合間苯二酚一甲醛樹脂(sJR_1)的水溶液，實現了滌綸織物的表麵粘合活化。22,23]采用國產封閉異氰酸酯、環氧樹脂、黃耆樹脂為主要原料，製備出性能質量達到進口水平的聚酯纖維浸膠液。2浸膠液作用機理浸膠液的作用是在聚酯纖維表麵引入活性基團，進而提高塗層織物的界麵粘接強度。對塗層織物而言，聚酯纖維與塗層的粘接作用主要有機械互鎖力、範德華作用力及化學鍵力。浸膠液滲透進纖維或織物內，在纖維和塗層之間產生機械的咬合，從而產生機械互鎖力。一般浸膠液的滲透作用越強，形成的機械作用力越大；織物表麵平整度越差，塗層和織物之間的機械互鎖力也越大。由於聚酯纖維表麵惰性，親水性較差，僅在聚酯分子鏈末端存在少量羧基、羥基，因此範德華作用力的貢獻不大。通過浸膠液與聚酯纖維的反應，在聚酯纖維表麵引入羥基等活性基團，在織物與塗層之間形成化學鍵，所產生的化學鍵力對塗層織物的界麵粘接影響大。以D-417浸膠液配方為例，浸膠液與聚酯纖維的反應機理為環氧樹脂的環氧基團與聚酯的端羧基之間發生反應引入活性的一OH，封閉異氰酸酯在高溫下解封產生活性很強的一NCO基團，一NCC嶼聚酯中的一OH起反應或再酯化直接反應。在高溫下，還存在異氰酸酯與聚酯中的極性酯起反應，以及異氰酸酯與環氧樹脂的交聯固化反應，通過反應在聚酯分子中引入活性較強的一OH和一NH，並在聚酯纖維表麵形成樹脂狀的塗層，使聚酯的極性增強，使得聚酯與塗層材料的化學鍵合增強。界麵研究方法界麵研究一直是複合材料研究領域的重點與難點，對於塗層織物，由於纖維表麵的不規則及纖維本身缺乏剛性，加之織物表麵的多孔結構，導致一些傳統界麵表征手段的應用受到限製，其界麵研究的方法更加困難。界麵研究方法主要分為以下四個方麵：織物浸潤性表征、織物表麵形貌表征、界麵反應動態過程表征、界麵結合力表征。 3．1織物浸潤性表征織物的浸潤性表征主要有表麵張力、接觸角、潤濕時間等。采用表麵張力儀表征處理前後織物的表麵張力變化，從而對處理效果有個定性的判斷。潤濕時間也是表征織物浸潤性一個很好的參量，其原理是將去離子水測試液滴分別滴到織物表麵，觀察液滴在不同時間點的狀態，並測試其在織物表麵完全鋪展所需的時問。纖維的靜態接觸角測試困難，一般采用CahnBalance法測量液體在纖維表麵的動態接觸角，其測試原理為將伸直的纖維豎直地懸掛在電子平衡器一端的鉤子上，同時將一個裝有液體的燒杯放置在一個可升降的平台上，當液體上升時，懸掛著的纖維以恒定速度接觸液體，纖維被液體潤濕；當液體下降時，纖維被去濕。纖維在潤濕和去濕時所受的力是不同的，據此可以測定液體對纖維的動態接觸角，如式(1)所示叫]。cos0=F／()，·7r·d)(1)式中口為液體在纖維表麵的接觸角，F為纖維在潤濕或去濕過程所受的力，y為液體的表麵能，d為纖維的直徑。3．2織物表麵形貌表征雖然堿處理、電暈放電及等離子體處理和浸膠處理對聚酯纖維表麵形貌影響較小，但借助先進的儀器分析手段，仍可以觀測到處理前後纖維表麵形貌的變化，特別是粗糙度的變化。掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)是比較常見的無極非金屬材料微觀形貌分析手段，SEM電鏡的分辨率可達3納米，AFM顯微鏡的分辨率達300納米，剛好與等離子體處理的作用範圍基本相當，可以很好地再現處理前後纖維表麵形貌及粗糙度的變化3．3界麵反應動態過程表征為了獲得定量的處理前後聚酯纖維表麵化學成分信息，可以采用X光電子能譜、掃描電化學顯微鏡等先進分析測試手段對聚酯纖維表麵原子的結合成分和結合狀態進行定量分析，進而推斷處理過程對聚酯纖維表麵元素、成分的化學作用及反應過程。3．4界麵結合力表征判斷塗層織物界麵處理效果好壞的直接而有效的方法是測試塗層織物的界麵結合力，如用於輪胎簾子線界麵結合力表征的H抽出力值、塗層織物的剝離強度等。結論本文在研究塗層織物界麵影響因素的基礎上，分析得出聚酯纖維表麵惰性是影響塗層織物形成良好界麵結合的瓶頸，聚酯纖維表麵改性是塗層織物獲得良好界麵結合的有效措施。堿液處理和電暈放電及等離子體處理對聚酯纖維表麵活化效果有限，主要應用側重於聚酯纖維印染方麵；浸膠處理是聚酯纖維表麵活化、塗層織物界麵結合改善的重要技術措施，針對普遍采用的浸膠液配方，淺析了浸膠處理活化聚酯纖維的作用機理。在塗層織物研究中，界麵研究方法深度與廣度的不足是塗層織物研究進展緩慢的主要原因，隨著X光電子能譜、掃描電化學顯微鏡等先進儀器的應用及動態接觸角測量儀等動態檢測儀器的出現，必將極大地推動塗層織物的界麵研究。同時，纖維增強金屬基、樹脂基、陶瓷基複合材料的研究，對於塗層織物界麵研究及界麵結合改善有一定的借鑒意義。sdafwfetghe