聚氨酯涂層對聚乳酸非織造布水解性能的影響*

1. 南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通226019；2. 江蘇省安全與防護用紡織品工程實驗室，江蘇 南通226019；3. 杭州市質量技術監督檢測院，浙江 杭州310019

聚乳酸纖維是一種可降解、可循環的綠色材料，在自然條件下能被微生物分解成水和二氧化碳，不會對環境造成污染[1-2]。此外，聚乳酸纖維還有許多優異性能，比如有極好的吸濕性、透氣性和懸垂性及良好的抗紫外線輻射功能，成型加工性也好，并富有光澤和彈性等[3-4]。隨著這類新纖維材料的不斷開發, 其在非織造布中的應用也日漸增多。

非織造布是用途廣泛的材料，具有透濕、透氣、柔韌、質輕、價格低廉等優點。但是與傳統機織布和針織布相比，非織造布具有強度和耐久性較差及不宜水洗等缺點。另外，外界環境對聚乳酸非織造布的使用影響也很大，特別是聚乳酸非織造布遇強堿容易水解[1]。

本文利用聚氨酯對聚乳酸非織造布進行涂層整理，在非織造布上形成聚氨酯膜，它是一種具有較好透濕性的防護材料，在保持聚乳酸非織造布的吸濕透氣和懸垂等性能的同時，可以阻止其他外界物質進入，并起到有效防護外部環境不良影響的作用。但是，聚乳酸纖維在特定環境中易發生水解，那么聚氨酯涂層對聚乳酸非織造布的水解性能有何影響？本文將對此進行探究。

1 試驗部分

1.1 主要材料與設備

1.1.1 主要材料

聚乳酸非織造布，面密度為75 g/m2，深圳盛德福投資發展有限公司生產；聚氨酯樹脂，上海匯得科技股份有限公司生產；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，上海潤捷化學試劑有限公司生產；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，西隴化工股份有限公司生產。

1.1.2 主要設備

DSC 214 Polyma差示掃描量熱儀，德國耐馳儀器制造有限公司生產；YG065型電子織物強力試驗儀，山東萊州市電子儀器有限公司生產；HHS21-4電熱恒溫水浴鍋，上海華聯環境試驗設備公司恒昌儀器廠生產；Y802A型八籃恒溫烘箱，江蘇常州紡織儀器廠生產；JSM-6390A型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本電子株式會社生產；DT500B型電子天平，常熟市佳衡天平儀器有限公司生產。

1.2 試驗過程

1.2.1 試樣的制備

將聚乳酸非織造布裁剪成25 cm×5 cm的試樣，即未經涂層整理的試樣，記作試樣A。

1.2.2 涂層整理劑的制備

將聚氨酯與DMF按1∶5的質量比混合，充分攪拌，待聚氨酯完全溶解并靜置至無氣泡后使用。

1.2.3 涂層整理試驗

涂層整理工藝流程：

按照以上工藝流程對試樣A進行涂層整理，得到涂層整理試樣，記作試樣B。

1.2.4 水解試驗

聚乳酸纖維在酸堿性不同的溶液中易發生水解的程度，由大到小的順序為堿性>酸性>中性[5]。因此，配置1 mol/L NaOH溶液，其pH值為14，置于37 ℃恒溫水浴鍋中，對試樣進行快速水解試驗。將試樣A和試樣B放入上述強堿溶液中，于水解時間為1、2、3、4、5 h時分別取出，然后用去離子水清洗，再置于50 ℃烘箱中烘干，待測試。

1.3 測試

1.3.1 質量保持率的測定

取一定質量(記作m)的試樣，放置在pH值為14的NaOH溶液中水解，于1、2、3、4、5 h時分別取出水解后試樣，用吸水紙吸干后放置于干燥皿中48 h，然后用DT500B型電子天平稱取其質量(記作m′)。每組試樣測定5組數據，結果取平均值。

質量保持率計算式：

式中：m為水解前試樣質量(g)；m′為水解后試樣質量。(g)

1.3.3 拉伸性能測試

拉伸性能測試按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行，拉伸速度為10 cm/min，試樣夾持長度為20 cm，每個試樣測定5組數據，結果取平均值。

斷裂強力保持率計算式：

其中：P為水解前試樣斷裂強力(N)；P′為水解后試樣斷裂強力(N)。

斷裂伸長保持率計算式：

其中：L為水解前試樣斷裂伸長(mm)；L′為水解后試樣斷裂伸長(mm)。

1.3.2 SEM觀測

采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察試樣微觀形貌，電壓為5 kV，放大500倍。

1.3.4 DSC分析

升溫范圍0～200 ℃，升溫速率10 ℃/min，氮氣保護。

2 結果與討論

2.1 聚氨酯涂層對試樣質量保持率的影響

圖1所示為測得的試樣質量保持率及水解3 h時試樣A和試樣B的實物照片。

圖1 試樣質量保持率

由圖1可以看出，聚乳酸非織造布在強堿溶液中水解速度很快，特別是未經過聚氨酯涂層整理的試樣A，水解3 h時其質量保持率只有13.32%，試樣已經不成形，4 h時試樣基本完全水解。經過聚氨酯涂層整理的試樣B，水解2 h時其質量保持率為79.19%，5 h時其質量保持率才下降到57.42%。由此可見，在一定的時間內，聚氨酯涂層對聚乳酸非織造布在強堿溶液中的水解有抑制作用，這是因為在聚乳酸非織造布表面形成了一層聚氨酯薄膜，其一方面阻止了大部分強堿溶液向非織造布表面擴散，減少了聚乳酸纖維與強堿溶液接觸的機會；另一方面阻止了聚乳酸纖維的水解產物向外擴散，維持非織造布內部的pH值低于14，延緩了水解反應。

2.2 聚氨酯涂層對試樣拉伸性能的影響

表1、表2分別列出了測得的試樣斷裂強力保持率和斷裂伸長保持率。

表1 試樣斷裂強力保持率

由表1可以看出，未經過聚氨酯涂層整理的試樣A，經過1 h的水解，其強度基本損失殆盡；而經過聚氨酯涂層整理的試樣B，水解1 h，其斷裂強力保持率為63.53%。同樣地，從表2中可以看出，經過聚氨酯涂層整理的試樣B，水解5 h，其斷裂伸長保持率才下降為0.00%；而未經過聚氨酯涂層整理的試樣A，經過2 h的水解，就無法測出其斷裂伸長了。由此可見，經過聚氨酯涂層整理后，聚乳酸非織造布在強堿溶液中其斷裂強力和斷裂伸長雖然有所損失，但是其力學性能保持率都高于未經過聚氨酯涂層整理的試樣，這說明聚氨酯涂層整理對聚乳酸非織造布的水解起到了一定的延緩作用，提高了聚乳酸非織造布的耐用性和抗水解性。

2.3 試樣微觀形貌

試樣微觀形貌的SEM觀測結果如圖2所示。

(a) 試樣A

(b) 水解3 h的試樣A

(c) 試樣B

(d) 水解3 h的試樣B

從圖2(a)和(c)可以看出，經聚氨酯涂層整理后，聚乳酸非織造布表面覆蓋了一層薄膜，其有效地阻止了強堿溶液向聚乳酸非織造布內部擴散，抑制了聚乳酸纖維的水解。圖2(b)所示為水解3 h時試樣A的表面形貌，與水解前的試樣A對比，可以看到前者的纖維表面腐蝕嚴重、纖維明顯變細、纖維斷裂多等現象，這很好地印證了試樣力學性能的下降。圖2(d)所示為水解3 h時試樣B的表面形貌，還可以看到其表面有薄膜覆蓋，這對緩解聚乳酸纖維的水解有一定效果。

2.4 試樣DSC分析

結合本文2.1節和2.2節的測試結果，未經過聚氨酯涂層整理的試樣A在水解4 h時已基本水解完，因此只針對經過聚氨酯涂層整理的試樣B進行DSC分析。圖3所示為測得的試樣B的DSC曲線。

圖3 試樣B的DSC曲線

從圖3可以看出，試樣B的DSC曲線上，69 ℃和161 ℃附近有吸熱峰，這是聚乳酸纖維特有的玻璃化轉變峰和熔融峰。當聚乳酸纖維發生降解時，其熔融峰會向低溫方向移動[6]。但是圖3中，經過不同時間水解的各試樣的熔融峰位置相差不多，說明試樣結晶區的降解程度差異不大。聚乳酸纖維水解先發生在非晶區，再發展到結晶區。

3 結論

經過聚氨酯涂層整理的聚乳酸非織造布，其表面形成了一層聚氨酯薄膜，其在不損害聚乳酸非織造布透氣透濕性能的前提下，可以有效地阻止外界對聚乳酸纖維性能產生不良影響。在水解試驗中，水解4 h時，經過聚氨酯涂層整理的試樣質量保持率為62.70%，而未經過聚氨酯涂層整理的試樣質量保持率僅為1.39%，前者在力學性能等方面也明顯優于后者，因此聚氨酯涂層可以賦予聚乳酸非織造布良好的抗水解性。

[1] 楊斌．綠色塑料聚乳酸[M]．北京: 化學工業出版社， 2007： 315-320.

[2] 張玉霞, 劉偉．聚乳酸的性能及其加工技術[J]．塑料包裝, 2010, 20(1): 53-60.

[3] 熊葳．聚乳酸纖維的結構與性能[J]．現代絲綢科學與技術, 2010, 25(3): 36-40；

[4] 肖云超，劉淑強，吳改紅，等. 聚乳酸纖維吸濕排汗運動面料的制備與性能研究[J]. 絲綢, 2015, 52(5): 6-10.

[5] 葉偉. 聚乳酸纖維(材料)抗水解性能的研究[D]．杭州: 浙江理工大學, 2010.

[6] TSUJI H, IKADA Y. Properties and morphology of poly(L-lactide) 4. Effects of structural parameters on long-term hydrolysis of poly(L-lactide) in phosphate-buffered solution[J]. Polymer Degradation and Stability, 2000, 67(1): 179-189.