超細(xì)纖維合成革復(fù)合材料的影響探討論文
摘要：超細(xì)纖維合成革是代替天然皮革的最理想材料。介紹了近年來提高超細(xì)纖維合成革復(fù)合材料的研究進(jìn)展, 包括改善合成革復(fù)合材料衛(wèi)生性能、染色性能以及對環(huán)境影響的研究, 最后展望了超細(xì)纖維合成未來的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：超細(xì)纖維合成革; 復(fù)合材料; 性能;
超細(xì)纖維合成革 (超纖革) 是以天然皮革的組織及結(jié)構(gòu)為目標(biāo), 采用超細(xì)纖維制備具有三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基布, 再浸漬具有微孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯形成的復(fù)合材料。天然皮革性能優(yōu)異, 但資源有限, 到目前為止, 超纖革復(fù)合材料是代替天然皮革的最理想材料[1]。
隨著超纖革復(fù)合材料的發(fā)展, 其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大, 但與天然皮革相比, 衛(wèi)生性能、染色性能仍然存在很大差距。天然皮革的透水汽量為800mg/ (10cm2·24h) , 超纖革的透水汽量僅為400mg/ (10cm2·24h) 。超纖革復(fù)合材料主要由聚酰胺和聚氨酯 (PU) 組成, 單一染料難以同時(shí)滿足兩種組分的染色要求, 而且纖維細(xì)、比表面積大, 因此染色性能差[2-3]。
筆者主要介紹了改善超纖革復(fù)合材料衛(wèi)生性能和染色性能的方法, 以及其對環(huán)境影響的研究進(jìn)展。
1 改善超纖革復(fù)合材料衛(wèi)生性能的研究
影響超纖革復(fù)合材料衛(wèi)生性能的因素有很多, 從分子結(jié)構(gòu)上是因?yàn)槔w維大分子鏈上活性基團(tuán)少, 聚酰胺纖維大分子是直鏈, 中間是酰胺鍵和碳鍵, 只有大分子鏈兩端有少量的氨基和羧基, 水分子很難在纖維與基布間轉(zhuǎn)移和吸收[4];內(nèi)部結(jié)構(gòu)上, Ma等[5]探究了不定島超纖革基布結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)超細(xì)纖維與PU填充體間的分離程度、超細(xì)纖維的分散程度以及PU的孔隙率是影響超纖革透濕性、吸濕性、滲透率等性能的主要因素。
1.1 改善超纖革復(fù)合材料的透濕透氣性能
應(yīng)用物理方法通過激光打孔增加PU表面孔徑的大小及數(shù)量來改善超纖革復(fù)合材料的透濕透氣性能。Wu等[6]為了提高合成革的透濕性, 采用3種不同類型的激光 (波長1064、532、355nm) 作用于PU合成革, 在合成革表面形成微孔。結(jié)果表明:3種激光的最佳脈沖能量分別為0.8、1.1和0.26mJ。在最佳脈沖能量作用下, 微孔的直徑分別為20、15和10μm, 微孔的深度分別為21、60和69μm。與未處理的樣品對比, 透濕性分別提高了38.4%、46.8%和53.5%, 抗撕裂性能分別提高38.4%、46.8%和53.5%。分析激光對合成革的作用機(jī)制, 波長355nm的激光起光化學(xué)和光熱作用, 而波長1064和532nm的激光僅有光熱作用。
與真皮相比, 超纖革的吸濕導(dǎo)濕性較差。為提高超纖革基布的吸濕導(dǎo)濕能力, Wang等[7]將膠原蛋白-鉻單寧酸 (C-CrT) 接枝到聚酰胺6 (PA6) 纖維上。結(jié)果表明, 在硫酸用量為15% (wt, 質(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同) 、CrT用量為5%、浴比為1500%、反應(yīng)溫度60℃、CrT作用3h的條件下, 超纖革基布的透濕率為986g/m2, 導(dǎo)濕率為1.323mm/s。與未處理基布相比, 透濕率與導(dǎo)濕率分別提高了90.35%和344%。
超纖革復(fù)合材料的活性基團(tuán)較少, 通過接枝改性增加活性基團(tuán)數(shù)量。Ren等[8]通過“兩步法”改善超纖革的衛(wèi)生性能。第一步首先采用N, N-亞甲基雙丙烯酰胺 (MBA) 和二乙烯三胺 (DETA) 為原料合成端氨基超支化聚合物 (NH2-HBP) , 以戊二醛為交聯(lián)劑將DETA交聯(lián)到經(jīng)甲酸預(yù)處理的超纖革基布上。然后將明膠交聯(lián)到第一步處理的基布上。結(jié)果表明:戊二醛的用量為基布中伯氨基含量的1.1倍時(shí), 改性效果最明顯。此時(shí)透濕率、吸濕率、抗張強(qiáng)度及撕裂強(qiáng)度分別為0.7691g/ (10cm2·24h) 、3.357mL/ (g·24h) 、18.79N/mm2及103.18N/mm, 比未處理基布分別提高了86.7%、48.8%、19.8%及2.69%。當(dāng)NH2-HBP用量為基布伯氨基含量3倍時(shí), 改性效果最明顯。此時(shí)基布透濕率、吸濕率、抗張強(qiáng)度及撕裂強(qiáng)度分別為0.5761g/ (10cm2·24h) 、3.274mL/ (g·24h) 、18.79N/mm2及103.4825N/mm。
Wang等[9]首先用硫酸對超纖革基布進(jìn)行預(yù)處理, 以戊二醛為交聯(lián)劑, 通過膠原蛋白改性, 測試經(jīng)硫酸處理前后及膠原蛋白改性前后樣品的性能。膠原蛋白改性后的樣品與經(jīng)硫酸預(yù)處理的樣品、未經(jīng)硫酸處理的`樣品相比:吸濕性分別提高了26.34%、42.6%;氨基含量分別提高了1.61倍、8.15倍;超細(xì)纖維表面的相對粗糙度減小, 也影響樣品的熱性能;透水氣性分別提高了28.58%、53.43%。膠原蛋白與超纖革基布表面主要是通過共價(jià)鍵結(jié)合的[10]。實(shí)驗(yàn)表明, 通過膠原蛋白改性提高超纖革的衛(wèi)生性能是有效的。
Mourou等[11]探究了水性聚氨酯 (WPU) 浸漬量對超纖革衛(wèi)生性能的影響。結(jié)果表明, WPU浸漬量是影響超纖革透濕透氣性能的主要因素。與填充溶劑型PU相比, 填充WPU的超纖革力學(xué)性能較弱, 但衛(wèi)生性能良好。
1.2 改善超纖革復(fù)合材料的疏水性能
Kan等[12]通過使用離子體、四甲基硅烷 (TMS) 對聚酯合成革表面改性, 提高其表面性能。離子體沉積是一種高效、簡單且無污染的方式。經(jīng)離子體作用, 有機(jī)硅烷穩(wěn)定地附著在合成革表面。改性后, 合成革表面靜態(tài)接觸角達(dá)138°, 并且疏水作用是穩(wěn)定的, 30d以內(nèi)不會減弱疏水作用。
Kayaoglu等[13]為提高合成革的疏水性, 用等離子體接枝的方法將疏水性薄膜接枝到PU上。疏水性薄膜成分為六甲基硅醚 (HMDSO) 、甲苯和惰性氣體Ar。最佳條件為等離子體處理30s, 功率40W。在最佳條件下, 三種不同成分比制得的薄膜 (100%HMDSO、HMDSO∶甲苯=3∶1、HMDSO∶甲苯=1∶1) 對合成革疏水性都有提高, 由73°提高到大約100°。原因是薄膜在合成革表面形成一層物理薄膜, 對水滴起到了阻隔作用。
Kwong等[14]利用等離子體技術(shù)來改善合成革的疏水性。以四氟甲烷 (CF4) 為聚合單體通過等離子體技術(shù)作用于合成革表面。在最佳條件下, 合成革的水接觸角為130°, 而未處理的樣品為0°。
1.3 改善超纖革復(fù)合材料的抗菌性能
Chen等[15]為增加PU合成革的抗菌性, 將納米SiO2通過濕法移膜的方法在PU合成革表面形成薄膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 涂層的抗菌性隨納米SiO2濃度的增加而增加。當(dāng)SiO2濃度低于0.5%時(shí), 抗菌活性很低, 當(dāng)濃度為0.75%及1%時(shí), 抗菌活性分別為82%和93%。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)說明, 涂層是無毒的、對皮膚無害。這種濕法成膜技術(shù)以后很有可能在合成革工業(yè)上得到大規(guī)模的應(yīng)用。
2 改善超纖革復(fù)合材料的染色性能
Hussain等[16]基于偶氮染料通過亞硝化作用合成一種新型染料 (4-氨基-1-苯基-5-吡唑啉酮) 。染料在堿性培養(yǎng)基中合成, 并添加過渡金屬 (鐵、銅、鉻) 。利用光譜技術(shù)和分析數(shù)據(jù)來確定合成復(fù)合物染料的結(jié)構(gòu)。合成的染料應(yīng)用于皮革, 提高了皮革的性能, 其耐光性、耐洗牢度以及耐摩擦牢度分別達(dá)到5—6、4—5和4—5。
Ren等[17]研究了以MBA和DETA為原料, 合成NH2-HBP以及聚合物在超纖革染色領(lǐng)域中的應(yīng)用。結(jié)果表明:反應(yīng)最佳條件為MBA與DETA的摩爾比為1∶1.1, 反應(yīng)溫度70℃, 反應(yīng)時(shí)間24h。在最佳條件下, 氨基含量為2.83mmol/g。NH2-HBP作為活性物質(zhì)與有機(jī)磷作為交聯(lián)劑接枝到超纖革上。NH2-HBP用量為5.5%時(shí), 超纖革的上染率由56.89%提高到94.85%, 顏色加深, 耐干摩擦牢度由3.0提高到4.5, 濕摩擦牢度由2.5提高到3.5。
Wang等[18]通過水解膠原蛋白改善超纖革的染色性能。先用硫酸預(yù)處理超纖革基布, 以鞣劑 (F-90) 為交聯(lián)劑將水解膠原蛋白接枝到處理過的基布上。結(jié)果表明:F-90用量為8%、水解膠原蛋白用量為15%, 基布的染色性能最佳。與預(yù)先處理的基布相比, 羧基含量增加了186.26%, 氨基含量增加了126.21%, 上染率提高了37.74%, 表面色度加深, 耐干、濕摩擦牢度增加;衛(wèi)生性能也提高:透濕性提高64.53%, 吸濕性提高50.89%;機(jī)械性能也有提高�；几男院蠼Y(jié)構(gòu)變松散, 親水性能提高。
超纖革染色難度大, 很難保持產(chǎn)品的均一性及與真皮類似的外觀。為改善染色性能, Liu等[19]合成了一種新型PU (甲基二乙醇胺) , 其中的陽離子基團(tuán)能夠與酸性染料密切結(jié)合, 從而減少染料的滲透阻力, 而且兩者是通過離子鍵結(jié)合而不是氫鍵、范德華力。與使用普通的PU填充超纖革相比, 其填充的超纖革所產(chǎn)生的廢水對環(huán)境是友好型的, 并且具有上染速度快、染色率高、色牢度好的優(yōu)點(diǎn)。因此, 使用這種新型PU填充生產(chǎn)的超纖革具有很大潛力, 能夠提高超纖革的均勻性及逼真的外觀。
3 改善超纖革復(fù)合材料對環(huán)境影響的研究
3.1 使用新型綠色環(huán)保原料
劉巧賓等[20]以異氟爾酮二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯、聚四氫呋喃二醇和聚己內(nèi)酯二醇等為主要原料, 以2, 2-二羥甲基丁酸 (DMBA) 和N-60胺基磺酸鹽作為親水性擴(kuò)鏈劑, 合成了一系列高固含量WPU乳液。結(jié)果表明:WPU乳液固含量高、黏度低、穩(wěn)定性好、綜合性能優(yōu)異, 適合制備生態(tài)合成革。
趙寶寶等[21]以聚酯-聚酰胺6 (PET-PA6) 中空桔瓣型超細(xì)纖維非織造布為基布, 以WPU膜為聚合物涂層, 經(jīng)干法移膜技術(shù)得到了PET-PA6/WPU合成革, 實(shí)現(xiàn)了超纖革的綠色化制備。中空橘瓣型超細(xì)纖維非織造布是經(jīng)水刺開纖的, WPU以水為分散介質(zhì)無毒無害, 實(shí)現(xiàn)了超纖革的綠色制備。
Priya等[22]針對皮革工業(yè)染色污染環(huán)境, 使用綠色熒光蛋白 (GFP) 開發(fā)了一種新型清潔綠色的皮革染料。
3.2 制革工業(yè)后期處理
合成革生產(chǎn)工業(yè)中會消耗大量的水和物質(zhì), 因此也會產(chǎn)生大量的廢水, 廢水中含有高濃度的化學(xué)物質(zhì)和有機(jī)物。其中廢水中最主要的污染物是鞣酸, 對環(huán)境造成重大污染。Romero-Dondiz等[23]使用兩種超細(xì)過濾高分子膜 (OT050和GR60PP) 來處理廢水中的鞣酸。分析了過濾膜的膜通量、防垢性及污染指數(shù)。經(jīng)超濾膜處理的廢水中鞣酸含量為83%, 用水清洗后GR60PP膜水通量恢復(fù)為41%~45%。但是使用超高分子膜去除鞣酸的研究很少。
Senthil等[24]從廢棄合成革制品中提取出天然纖維與化學(xué)纖維, 使用這些纖維加工成混紡紗線、織物。研究發(fā)現(xiàn), 紗線織物結(jié)構(gòu)性能良好, 在紡織領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前途, 不僅高效節(jié)能, 而且是環(huán)保的。
4 結(jié)語
在過去的十年中, 超纖革復(fù)合材料得到了長足發(fā)展。由于天然皮革資源有限, 具有優(yōu)良性能的仿真超纖革是作為產(chǎn)業(yè)用紡織品重點(diǎn)發(fā)展方向的特殊裝飾用紡織品的重要組成部分, 但與天然皮革相比, 其在衛(wèi)生性能和染色性能等方面的缺陷依然存在。縱觀超纖革復(fù)合材料近幾年的研究進(jìn)展, 在當(dāng)前的形勢下, 筆者認(rèn)為以下幾個方面可以作為超纖革復(fù)合材料的研究重點(diǎn): (1) 優(yōu)化超細(xì)纖維原料類別、配比、纖度以及加工方式, 賦予超纖革優(yōu)異的透濕透氣、抗菌等功能; (2) 我國超纖革行業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注推進(jìn)生態(tài)化進(jìn)程, 推廣清潔生產(chǎn)和節(jié)能、減排工作; (3) 不斷改進(jìn)超纖革復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝以及提高從業(yè)人員的技術(shù)水平, 使其向性能更優(yōu)的超纖革復(fù)合材料方向發(fā)展。筆者相信未來圍繞超纖革復(fù)合材料的研究將會向著原料適應(yīng)更廣、設(shè)備不斷改進(jìn)、工藝持續(xù)優(yōu)化以及更便捷的微觀結(jié)構(gòu)控制等方向多元化滲透, 相信隨著相關(guān)科研工作者的深入研究, 超纖革復(fù)合材料可控化制備、性能調(diào)控及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等技術(shù)難題將會取得實(shí)質(zhì)性突破。
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