聚酯纖維／TPU涂層織物界面性能研究進展
聚酯纖維／TPU涂層織物界面性能研究進展
聚酯纖維／TPU涂層織物是以聚酯纖維為布基，TPU(熱塑性聚氨酯)為涂層的復(fù)合材料，因其輕質(zhì)、高強、衛(wèi)生、環(huán)保等系列優(yōu)點，在運動服、雨衣、皮劃艇、帳篷、軟體貯水、貯油容器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1~3]?！埘ダw維是產(chǎn)量大、性能優(yōu)良的合成纖維，具有高強度、高模量、優(yōu)異的熱穩(wěn)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，由于聚酯的分子結(jié)構(gòu)對稱，結(jié)晶度較高，結(jié)構(gòu)中缺乏高極性基團，因此其親水性很差，回潮率只有．4％，給聚酯纖維的涂層(復(fù)膜)帶來困難。界面改性是改善聚酯纖維涂層性能，提高涂層織物界面復(fù)合牢度的有效措施。由于其涂層材料TPU含有一定的極性基團[1】，因此聚酯纖維表面改性成為該涂層織物界面改性研究的重點。本文在分析聚酯纖維／TPU涂層織物界面影響因素的基礎(chǔ)上，綜述了當前聚酯纖維表面改性處理及涂層織物界面研究方法，并淺析了其優(yōu)缺點。1涂層織物界面影響因素分析從聚酯纖維／TPU涂層織物界面形成過程來看，影響涂層織物界面的因素主要包括涂層織物質(zhì)、聚酯纖維紡織印染，以及涂層制備過程，其中涂層織物基質(zhì)是影響其界面結(jié)合的根本因素。
1．1涂層織物基質(zhì)
聚酯纖維／TPU涂層織物的基質(zhì)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?qū)Ρ蕉姿岫柞?DMT)和乙二醇(EG)為原料經(jīng)酯化或酯交換和縮聚反應(yīng)而制得的成纖高聚物聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，經(jīng)紡絲、后處理制成的纖維，其分子式為[一OC—C6H?！狢OOCH：CH：o一]。。由于聚酯的分子結(jié)構(gòu)對稱，結(jié)晶度較高，且組成結(jié)構(gòu)中缺乏高極性基團，因此聚酯纖維作為涂層織物基布很難獲得良好的界面結(jié)合。其涂層材料TPU，分子通式為[-R，NHCOOR2一]。，由于其分子結(jié)構(gòu)中存在_NH一、—C00-活性基團，給涂層織物的良好界面結(jié)合提供了可能。綜上，聚酯纖維／TPU涂層織物的基質(zhì)組成中聚酯纖維的惰性表面是制約該涂層織物界面結(jié)合的瓶頸，因此聚酯纖維表面活化改性是改善該涂層織物界面結(jié)合的關(guān)鍵。聚酯纖維紡織、印染聚酯纖維經(jīng)紡織、印染過程終成為涂層織物基布，紡織、印染過程不可避免地會伴隨漿紗、油污，而漿料及油污的去除不凈會降低織物的浸潤性和滲透性，直接影響涂層織物界面結(jié)合，因此聚酯纖維織物印染后的清洗就顯得尤為重要。此外，聚酯纖維在生產(chǎn)過程中會伴隨有低聚物副產(chǎn)物的產(chǎn)生，其中環(huán)形低聚物水溶性低，會給染色加工及涂層制備過程帶來問題。研究表明嘲，當溫度高于130"(2時聚酯長分子鏈的活動性加劇，環(huán)狀低聚物積聚在纖維表面。因此，控制印染及相關(guān)工藝溫度在100"C左右對于獲得界面結(jié)合良好的涂層織物也很重要。
1．3涂層制備工藝過程
涂層制備工藝過程是形成纖維／涂層界面的基礎(chǔ)。因此，在纖維、涂層既定的情況下，涂層制備過程的工藝控制是聚酯纖維／TPU涂層織物界面形成、獲得良好界面結(jié)合的關(guān)鍵。涂層厚度是涂層織物的重要性能之一，直接影響涂層織物的界面結(jié)合強度及使用性能。作為骨架材料的基布，布紋的存在導(dǎo)致其實際表面凹凸不平，當涂層太薄時，不足以填平布紋的溝槽，使得涂層不連續(xù)，易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；涂層過厚，不僅會增加涂層織物的克重，同時會增加產(chǎn)品成本。因此，涂層的實際厚度應(yīng)根據(jù)其實際應(yīng)用場合予以合理控制，以保證在滿足使用性能的同時，盡可能做到“質(zhì)優(yōu)價廉”。涂層制備溫度也是影響涂層織物界面結(jié)合一個重要因素。研究表明[7|，隨著涂層制備溫度升高，涂層織物的布膜復(fù)合牢度明顯提高。這是因為升高涂層制備溫度，一方面加速了涂層材料與基布的熔合，提高了涂層織物界面機械結(jié)合；另一方面，溫度升高有助于聚合物分子在涂層織物界面間的擴散，形成強而持久的化學(xué)鍵結(jié)合。但是，涂層制備溫度也不宜過高，否則將造成工藝控制難度增大，增加工藝成本，同時也會造成聚酯纖維的強力損失。2聚酯纖維表面改性通過改變基布的表面狀態(tài)來提高涂層織物的剝離強度，是一種非常實用而且行之有效的技術(shù)措施。目前，用于聚酯纖維／n)U涂層織物界面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面，通過增加涂層織物的界面機械結(jié)合來提高涂層織物界面結(jié)合。程貞娟[8]采用傳統(tǒng)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，然后通過接枝牛血清蛋白來改善聚酯纖維與蛋白質(zhì)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面活性，但堿液對聚酯纖維的表面刻蝕造成聚酯纖維損傷，機械強度降低，使得該方法推廣應(yīng)用受限。堿液與胺、乙醇等協(xié)同作用處理聚酯纖維可以較好地控制堿液對聚酯纖維的表面刻蝕，在改善聚酯纖維表面活性的同時減少纖維力學(xué)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，并在纖維表面引入游離基團，從而改善聚酯纖維的表面活性。由于電暈放電及等離子體處理只在纖維表面一百多納米的淺層發(fā)生作用，對纖維本身的損傷很有限，在聚酯纖維染色及表面活化方面研究頗多。馬丕波等[11,12]分析了電暈處理后聚酯纖維表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的變化，考察了電壓和放電時間對聚酯纖維表面及上漿性能的影響，研究結(jié)果表明聚酯纖維經(jīng)電暈處理后，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面改性，處理后聚酯纖維的染色、表面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，將聚酯纖維表面層的高分子鍵打開，并在斷鍵處形成活化中心，這種活化中心的壽命一般很短，并隨著轟擊后停放時間延長而衰弱，因此聚酯纖維經(jīng)電暈放電及等離子體處理后需及時進行后續(xù)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(yīng)用領(lǐng)域多局限于聚酯纖維印花、染色等方面。浸膠處理聚酯纖維的浸膠處理，不僅可以在纖維表面引入極性基團，提高聚酯纖維的表面活性，同時浸膠液以其低粘度可以很好的浸潤、滲透聚酯纖維，在纖維和涂層之間起到“橋梁”作用，從而改善涂層織物的界面結(jié)合。
2．3．1浸膠液配方
有關(guān)聚酯纖維浸膠活化的研究早期主要基于簾子布的浸膠活化處理，其中以美國Dupont公司發(fā)明的I)-417預(yù)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(yù)浸膠液對聚酯纖維的浸潤性。聚酯纖維浸漬D-417預(yù)浸膠液后，在240"C熱處理1min，從而獲得活化的聚酯纖維表面，后續(xù)進行涂層復(fù)膜工序。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及聚酯纖維／TPU涂層織物的推廣應(yīng)用，聚酯纖維的浸膠處理研究也越來越多。LangerHeimojcl6]采用環(huán)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(huán)氧化合物溶液浸漬處理聚酯纖維，Solomon[伯]采用己內(nèi)酰胺封閉異氰酸酯和環(huán)氧樹脂浸膠處理聚酯纖維，均獲得了較好的活化效果。遼寧邦迪捻織有限公司[19]在引進德國ZELL公司浸膠設(shè)備及技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了新型浸膠液配方，其主要組分為二異氰酸鹽(60"--80)、環(huán)氧樹脂(18"--35)、聚乙烯醇／甲基纖維素(0．5～2．5)。]用水溶性的環(huán)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(huán)氧樹脂作為媒介與聚酯簾線發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。過浸漬改性環(huán)氧樹脂(sJR_2)和預(yù)縮合間苯二酚一甲醛樹脂(sJR_1)的水溶液，實現(xiàn)了滌綸織物的表面粘合活化。22,23]采用國產(chǎn)封閉異氰酸酯、環(huán)氧樹脂、黃耆樹脂為主要原料，制備出性能質(zhì)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面引入活性基團，進而提高涂層織物的界面粘接強度。對涂層織物而言，聚酯纖維與涂層的粘接作用主要有機械互鎖力、范德華作用力及化學(xué)鍵力。浸膠液滲透進纖維或織物內(nèi)，在纖維和涂層之間產(chǎn)生機械的咬合，從而產(chǎn)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；織物表面平整度越差，涂層和織物之間的機械互鎖力也越大。由于聚酯纖維表面惰性，親水性較差，僅在聚酯分子鏈末端存在少量羧基、羥基，因此范德華作用力的貢獻不大。通過浸膠液與聚酯纖維的反應(yīng)，在聚酯纖維表面引入羥基等活性基團，在織物與涂層之間形成化學(xué)鍵，所產(chǎn)生的化學(xué)鍵力對涂層織物的界面粘接影響大。以D-417浸膠液配方為例，浸膠液與聚酯纖維的反應(yīng)機理為環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團與聚酯的端羧基之間發(fā)生反應(yīng)引入活性的一OH，封閉異氰酸酯在高溫下解封產(chǎn)生活性很強的一NCO基團，一NCC嶼聚酯中的一OH起反應(yīng)或再酯化直接反應(yīng)。在高溫下，還存在異氰酸酯與聚酯中的極性酯起反應(yīng)，以及異氰酸酯與環(huán)氧樹脂的交聯(lián)固化反應(yīng)，通過反應(yīng)在聚酯分子中引入活性較強的一OH和一NH，并在聚酯纖維表面形成樹脂狀的涂層，使聚酯的極性增強，使得聚酯與涂層材料的化學(xué)鍵合增強。界面研究方法界面研究一直是復(fù)合材料研究領(lǐng)域的重點與難點，對于涂層織物，由于纖維表面的不規(guī)則及纖維本身缺乏剛性，加之織物表面的多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一些傳統(tǒng)界面表征手段的應(yīng)用受到限制，其界面研究的方法更加困難。界面研究方法主要分為以下四個方面：織物浸潤性表征、織物表面形貌表征、界面反應(yīng)動態(tài)過程表征、界面結(jié)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面張力、接觸角、潤濕時間等。采用表面張力儀表征處理前后織物的表面張力變化，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面，觀察液滴在不同時間點的狀態(tài)，并測試其在織物表面完全鋪展所需的時問。纖維的靜態(tài)接觸角測試困難，一般采用CahnBalance法測量液體在纖維表面的動態(tài)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臺上，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(jù)此可以測定液體對纖維的動態(tài)接觸角，如式(1)所示叫]。cos0=F／()，·7r·d)(1)式中口為液體在纖維表面的接觸角，F(xiàn)為纖維在潤濕或去濕過程所受的力，y為液體的表面能，d為纖維的直徑。
3．2織物表面形貌表征
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面形貌影響較小，但借助先進的儀器分析手段，仍可以觀測到處理前后纖維表面形貌的變化，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范圍基本相當，可以很好地再現(xiàn)處理前后纖維表面形貌及粗糙度的變化
3．3界面反應(yīng)動態(tài)過程表征
為了獲得定量的處理前后聚酯纖維表面化學(xué)成分信息，可以采用X光電子能譜、掃描電化學(xué)顯微鏡等先進分析測試手段對聚酯纖維表面原子的結(jié)合成分和結(jié)合狀態(tài)進行定量分析，進而推斷處理過程對聚酯纖維表面元素、成分的化學(xué)作用及反應(yīng)過程。
3．4界面結(jié)合力表征
判斷涂層織物界面處理效果好壞的直接而有效的方法是測試涂層織物的界面結(jié)合力，如用于輪胎簾子線界面結(jié)合力表征的H抽出力值、涂層織物的剝離強度等。
結(jié)論
本文在研究涂層織物界面影響因素的基礎(chǔ)上，分析得出聚酯纖維表面惰性是影響涂層織物形成良好界面結(jié)合的瓶頸，聚酯纖維表面改性是涂層織物獲得良好界面結(jié)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面活化效果有限，主要應(yīng)用側(cè)重于聚酯纖維印染方面；浸膠處理是聚酯纖維表面活化、涂層織物界面結(jié)合改善的重要技術(shù)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。在涂層織物研究中，界面研究方法深度與廣度的不足是涂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(xué)顯微鏡等先進儀器的應(yīng)用及動態(tài)接觸角測量儀等動態(tài)檢測儀器的出現(xiàn)，必將極大地推動涂層織物的界面研究。同時，纖維增強金屬基、樹脂基、陶瓷基復(fù)合材料的研究，對于涂層織物界面研究及界面結(jié)合改善有一定的借鑒意義。sdafwfetghe
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