顧明廣，蘇 芳

（燕京理工學(xué)院，河北廊坊 065000）

可用于制造非織造布的原料種類(lèi)較多，其中聚丙烯因具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕和成本低等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為近年來(lái)生產(chǎn)非織造布的主要原料［1-2］。但聚丙烯纖維分子結(jié)晶度高且不含親水性基團(tuán)，表面透氣性和親水性差［3-5］，因此需要對(duì)聚丙烯非織造布進(jìn)行功能改性來(lái)提高其服用性能。

非織造布的功能改性主要分為在紡絲過(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行改性和對(duì)非織造布進(jìn)行后整理2 種方法［6］。相比而言，后整理法操作簡(jiǎn)單、效率高且投資成本低，已成為非織造布功能改性的研究熱點(diǎn)。李淑芳等［7］利用空氣等離子體處理丙綸無(wú)紡布，顯著增強(qiáng)其吸濕性，但維持時(shí)間較短。劉嫻等［8］將高分子表面活性劑和陰離子表面活性劑組合制備親水整理劑，在優(yōu)化工藝參數(shù)下測(cè)得靜態(tài)水接觸角接近0°，透水時(shí)間、抗靜電性和柔軟性明顯改善，對(duì)白度、機(jī)械強(qiáng)度未產(chǎn)生負(fù)面影響。盛杰偵等［9］用表面活性劑對(duì)聚丙烯非織造布進(jìn)行親水整理，獲得了具有優(yōu)良親水性的樣品。但表面活性劑的親水時(shí)間短、泡沫大，且部分報(bào)道中的表面活性劑合成工藝復(fù)雜，制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生危害人體健康的刺激性氣味，不適合廣泛使用。故開(kāi)發(fā)低污染、制備簡(jiǎn)單的新型整理劑具有現(xiàn)實(shí)意義。絲素蛋白提取自蠶絲，是一種具有良好透氣性和可降解性的天然高分子材料，對(duì)人體有很好的親和性，被廣泛用于織物整理領(lǐng)域［10-11］，利用正硅酸乙酯與絲素蛋白在酸性條件下進(jìn)行縮聚反應(yīng)，可制備出兼具有機(jī)和無(wú)機(jī)材料特性的絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠，將其用于整理聚丙烯非織造布，可大幅改善非織造布的服用性能，提高其應(yīng)用性能。

本文以制備的絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠為整理劑，對(duì)聚丙烯非織造布進(jìn)行功能改性，通過(guò)測(cè)定整理后聚丙烯非織造布的接觸角，優(yōu)化整理工藝參數(shù)，對(duì)比整理前后聚丙烯非織造布的表面形貌、透氣性、透濕性和力學(xué)性能，為制備具有良好服用性能的聚丙烯非織造布提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：絲素蛋白（蘇州絲美特生物技術(shù)有限公司），聚丙烯非織造布（62 g/m2，杭州臨安天福無(wú)紡布制品廠），正硅酸乙酯、丙醇、無(wú)水乙醇、鹽酸［分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑（上海）有限公司］，去離子水（自制）。儀器：MH552 型軋車(chē)（江陰市江南紡印機(jī)械有限公司），HG-9055A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司），XG-CAMB1 型接觸角測(cè)量?jī)x（上海軒準(zhǔn)儀器有限公司），ULTRA 55 型掃描電子顯微鏡（德國(guó)ZEISS 公司），INSTRON 3342 型系列電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)［圓派科學(xué)儀器（上海）有限公司］，KES-F7 型精密瞬間熱物性測(cè)試儀（日本加多技術(shù)有限公司），LLY-01 型硬挺度儀（萊州市電子儀器有限公司）。

1.2 整理劑的制備

將不同質(zhì)量比的絲素蛋白與正硅酸乙酯溶于去離子水，攪拌均勻后滴加鹽酸至pH 為4.0。在酸性條件下正硅酸乙酯發(fā)生縮聚反應(yīng)生成SiO2納米粒子，隨后與絲素蛋白分子以化學(xué)鍵或氫鍵方式結(jié)合，形成絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠。

1.3 非織造布功能改性

將聚丙烯非織造布剪成25 cm×25 cm 大小，室溫下浸入絲素蛋白/SiO2納米溶膠中整理（改性），取出后壓軋，然后置于烘箱中進(jìn)行干燥處理。

1.4 測(cè)試

1.4.1 掃描電鏡

將改性整理后的聚丙烯非織造布（3 mm×3 mm）粘貼在導(dǎo)電膠上，對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金處理，隨后用掃描電子顯微鏡觀察。

1.4.2 接觸角

將5 μL 去離子水滴在聚丙烯非織造布表面，利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試。

1.4.3 涼感性

通常使用最大熱流失量（Qmax值）評(píng)價(jià)織物的瞬間涼感性能，Qmax值越大，織物帶走的熱量越多，涼感效果就越好。將聚丙烯非織造布樣品放在冷板上，待熱板溫度達(dá)到35 ℃后迅速將其放置在樣品上，記錄熱板通過(guò)樣品向冷板傳遞的Qmax值，平行測(cè)量10 次，取平均值。

1.4.4 透氣性

參考GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定，每塊樣品平行測(cè)量10次，取平均值。

1.4.5 透濕性

采用水正杯法進(jìn)行測(cè)定。將待測(cè)樣品固定在杯子圓周，杯中裝有一定量的水，設(shè)置實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為38 ℃，相對(duì)濕度為80%，氣體流速為0.5 m/s，樣品透濕量=m/St，式中，m為樣品測(cè)量前后質(zhì)量差值，S為樣品表面積，t為兩次測(cè)量時(shí)間差值。

1.4.6 親水耐久性

取經(jīng)過(guò)親水整理的聚丙烯非織造布，分別在60 ℃去離子水以及無(wú)水乙醇中進(jìn)行浸泡處理，測(cè)量接觸角。如果較長(zhǎng)時(shí)間后接觸角仍然保持較低值，則表明親水耐久性較好。

1.4.7 斷裂強(qiáng)力

設(shè)置拉伸速度為150 mm/min，夾持距離為300 mm，對(duì)比整理前后聚丙烯非織造布樣品的拉伸性能，每組樣品平行測(cè)量6次，取平均值。

1.4.8 硬挺度

參考GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定第1 部分：斜面法》進(jìn)行測(cè)試，樣品越柔軟，彎曲長(zhǎng)度越小。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

固定其他工藝參數(shù)不變，考察絲素蛋白與正硅酸乙酯質(zhì)量比、浸漬時(shí)間、熱處理溫度和熱處理時(shí)間對(duì)聚丙烯非織造布功能改性效果的影響，確定整理的優(yōu)化工藝參數(shù)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 聚丙烯非織造布整理的正交實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

由表1 可以看出，第9 號(hào)非織造布樣品的接觸角最?。?.96°），此時(shí)樣品的整理工藝參數(shù)為：m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=7∶3，浸漬時(shí)間0.5 h，熱處理溫度60 ℃，熱處理時(shí)間20 min。進(jìn)一步分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D對(duì)樣品接觸角的影響最大，然后依次為B、C、A；各影響因素的均值取最小值時(shí)分別對(duì)應(yīng)m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=5∶5，浸漬時(shí)間0.5 h，熱處理溫度20 ℃，熱處理時(shí)間5 min，此條件即為優(yōu)化整理工藝參數(shù)，按照此條件改性的樣品接觸角為0.31°，進(jìn)一步說(shuō)明此條件為優(yōu)化工藝參數(shù)。

2.2 表征

由圖1 可以看出，未整理的聚丙烯非織造布纖維非常光滑，而經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理之后的樣品會(huì)在表面形成一層薄膜，尤其在聚丙烯非織造布纖維交接處分布更致密。這是因?yàn)閷悠方n于整理劑溶液中時(shí)，絲素蛋白/SiO2納米材料會(huì)均勻地附著到聚丙烯纖維表面，而在烘干過(guò)程中，隨著溶液中水分減少，絲素蛋白/SiO2納米材料濃度越來(lái)越高，分子間作用力逐漸增強(qiáng)，最終與纖維結(jié)合，在其表面形成一層絲素蛋白/SiO2膜。

2.3 改性后聚丙烯非織造布的性能

2.3.1 涼感性

非織造布樣品經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理后，Qmax值顯著增大，由0.105 W/cm2增加到0.608 W/cm2，表明樣品實(shí)現(xiàn)了良好的涼感效應(yīng)，其服用性能得到顯著改善。

2.3.2 透氣性

提高聚丙烯非織造布的透氣性可以提升其穿著時(shí)的舒適度，尤其作為醫(yī)療用品時(shí)必須具備較好的透氣性。由圖2 可以看出，經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理后的無(wú)紡布透氣性較未整理略有提升，可從1 793 mm/s 增加到最高1 920 mm/s，并且隨著絲素蛋白/SiO2溶液總用量的增加，樣品透氣性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

紡織品透氣性主要受編織結(jié)構(gòu)和厚度影響，經(jīng)過(guò)改性整理后，空氣既可以從聚丙烯纖維空隙間流通，還能從絲素蛋白/SiO2膜中流通，因此改性后樣品的透氣性提升，但絲素蛋白/SiO2溶液總用量過(guò)高，絲素蛋白/SiO2膜厚度增加，導(dǎo)致樣品透氣性下降。

2.3.3 透濕性

紡織品的透濕性越好，排出皮膚水分和熱量的效果也越好。由圖3 可以看出，經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理后的無(wú)紡布透濕性較未整理有所提升，可從7 950 g/（m2·d）增加到最高8 608 g/（m2·d）。這是因?yàn)檎砗蟮姆强椩觳纪笟庑蕴岣?，相?yīng)地水蒸氣流通性也會(huì)提高，而且絲素蛋白/SiO2納米膜含有大量親水性基團(tuán)，能夠提升非織造布對(duì)水分子的吸附量，并促使其向濕度較低的另一側(cè)擴(kuò)散，因而樣品的透濕性提高。但絲素蛋白/SiO2溶液總用量過(guò)大（超過(guò)3%）時(shí)，絲素蛋白/SiO2膜厚度增加，導(dǎo)致水分子向樣品另一側(cè)擴(kuò)散的阻力增大，透濕性降低。

2.3.4 親水耐久性

經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理后的聚丙烯非織造布親水性大幅提升，但其耐久性也值得關(guān)注。由表2 可以看出，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的親水性均逐漸下降，且在無(wú)水乙醇中的下降速率大于在去離子水中，3 h 后在無(wú)水乙醇中的接觸角僅有19.48°，表明此時(shí)樣品仍具有良好的親水性，進(jìn)而證明本整理方法獲得的樣品具有較好的親水耐久性。

表2 不同時(shí)間處理前后聚丙烯非織造布在不同溶劑下的接觸角

2.3.5 力學(xué)性能

由表3 可知，經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理后的聚丙烯非織造布斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)和延伸率均略有增加。這是因?yàn)槭褂媒z素蛋白/SiO2納米材料對(duì)非織造布進(jìn)行改性后，會(huì)在聚丙烯纖維表面增加一層雜化膜，提高樣品的粘合力，但因?yàn)槟ず穸群苄?，?duì)聚丙烯非織造布的力學(xué)性能影響也較小。樣品整理前后的彎曲長(zhǎng)度值變化很小，表明經(jīng)過(guò)整理后非織造布仍具有較好的柔軟性，服用性能不受影響。

表3 聚丙烯非織造布親水整理前后的力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）在m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=5∶5、浸漬時(shí)間0.5 h、熱處理溫度20 ℃、熱處理時(shí)間5 min 條件下改性的聚丙烯非織造布接觸角為0.31°，熱處理時(shí)間對(duì)樣品接觸角影響最大，之后依次為浸漬時(shí)間、熱處理溫度和m（絲素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）。

（2）經(jīng)過(guò)絲素蛋白/SiO2納米復(fù)合溶膠整理后的聚丙烯非織造布表面會(huì)形成一層絲素蛋白/SiO2薄膜，樣品的Qmax值提高了5.79 倍，增強(qiáng)了樣品的透氣性和透濕性，并使樣品具有良好的親水耐久性。整理后的非織造布斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)、拉伸應(yīng)變以及彎曲長(zhǎng)度均略有增加，但是變化幅度很小，不會(huì)影響非織造布的服用性能。