聚偏氟乙烯制備超疏水紡織品的研究進展

王 萌,王敏蓮

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣東 廣州510000)

在紡織品上構建超疏水表面,以便將其用于篷布、露天帳篷、雨傘等用品和工業(yè)產品中,逐漸受到人們的關注。要實現超疏水功能,通常先采用溶膠-凝膠法、刻蝕法、表面沉積法等幾種方法在紡織品表面形成粗糙結構,然后在粗糙結構上修飾低表面能組分。雖然以上方法可以制得超疏水表面,但在廣泛應用中還存在一些問題,如需要特定的設備和苛刻的條件,通過多步工藝,操作比較復雜,成本相對較高,且制備的超疏水表面耐摩擦性差。而聚偏氟乙烯PVDF作為超疏水助劑,不僅具有突出的耐酸堿、耐腐蝕特性,還能一步法即可實現粗糙結構并降低紡織品表面能,大大簡化工藝,提高生產效率。本文就PVDF制備超疏水紡織品的相分離原理、PVDF制備超疏水紡織品的重要技術作了歸納,同時對PVDF超疏水紡織品研究方向進行了展望。

1 超疏水表面簡介

超疏水表面通常指水滴在固體表面的靜態(tài)接觸角大于150°而滾動角小于10°的表面。超疏水表面是基于“荷葉效應”,荷葉等植物的表面具有微結構的乳突,乳突上覆蓋有疏水性蠟質晶體,在這種微納米的粗糙結構和低表面能的共同作用下,滴在荷葉表面的水珠極易滾落,水滴滾動時會帶走表面的污染物或塵埃,從而實現超疏水自清潔。目前,制備超疏水紡織品的途徑主要有2種：(1)在低表面能物質上構筑粗糙結構；(2)在粗糙表面修飾含氟、硅基團的低表面能物質。

2 PVDF制備超疏水紡織品的相分離原理

采用PVDF制備超疏水紡織品,是通過相分離的原理實現的。該技術主要是將PVDF溶解于溶劑中制得PVDF溶液,用于紡織品處理,然后將處理后的紡織品放入PVDF的非溶劑中凝固,非溶劑會向紡織品表面的PVDF溶液內擴散,PVDF溶液中的溶劑會向凝固浴中的非溶劑擴散,從而產生相分離。相分離過程中,形成多級微納復合粗糙結構,加上PVDF的疏水性,在兩者共同作用下制得超疏水紡織品；采用PVDF制備疏水紡織品可以同步實現粗糙結構的構建和低表面能聚合物的引入,簡化了工藝條件,節(jié)能減排,有利于提高生產效率。

3 PVDF制備超疏水紡織品的重要技術

3.1 單獨使用PVDF成形

單獨使用PVDF一步法制備超疏水紡織品,是利用PVDF相分離時,同時形成粗糙結構并降低織物表面能,無需添加其他納米顆粒。例如,陜西科技大學的薛朝華等[1]采用一步法制備了一種耐磨超疏水紡織品,其采用PVDF的N,N二甲基乙酰胺和鄰苯二甲酸二辛酯混合溶劑處理液,浸透紡織品,然后于乙醇溶液中浸漬,最后取出干燥,制得的超疏水紡織品經過2 000次摩擦、24 h酸/堿溶液浸漬、100 h紫外輻射后,水滴接觸角仍大于150°,具有優(yōu)異的超疏水穩(wěn)定性。該方法制備的超疏水紡織品雖然耐磨性好,但是整個工藝中大量采用有機溶劑,污染比較大。而天津工業(yè)大學的李先鋒等[2]采用的是水進行凝固,促進相分離,而不添加乙醇,從而降低了有機溶劑用量,節(jié)省了成本,降低了污染,且該工藝不需要特殊設備,有利于進行規(guī)模化生產。

3.2 PVDF與其他聚合物共混

僅采用PVDF一步法雖然能制得超疏水表面,但是PVDF的鏈段結構為-CH2-CF2-,沒有可與紡織品反應的活性基團,因此PVDF與紡織品的結合牢度不理想,且超疏水表面在紡織品上僅是一層膜結構,在使用過程中該膜受損,則超疏水性能被破壞。為此,一些研究人員在PVDF的處理液中,進一步添加其他化合物,利用其疏水性或交聯性,可進一步改善紡織品的超疏水和PVDF在紡織品上的固著性。例如,李幸等[3]在PVDF的DMF/T HF處理液中進一步添加了聚二甲基硅氧烷PDMS,采用PVDF和PDMS作為處理液主要成分整理滌綸織物,PDMS的使用能進一步提高織物的疏水性,該方法最終制得的超疏水紡織品耐酸堿、耐摩擦,且接觸角可達到164.4°、滾動角小于4°。王建華等[4]采用PVDF、活性聚二甲基硅氧烷、分相聚合物、孔徑調節(jié)劑的混合液處理無紡布,于凝固浴中固化成型后,浸入交聯劑水溶液,取出加熱促進交聯反應,最后再進行真空熱處理。該方法使用交聯劑,能促進PVDF和其他成分在紡織品表面的固著,從而強化膜的疏水穩(wěn)定性和耐久性。

3.3 復合膜結構

為了提高PVDF疏水表面的耐久性,避免該表面在使用中受損,另一種方法是采用PVDF和其他聚合物處理紡織品,形成PVDF膜和其他聚合物膜,利用多層膜結構改善紡織品的疏水性,或者賦予紡織品疏水性之外的其他性能。例如,江潤生等[5]先將PP無紡布采用PVDF溶液處理,然后進行相分離,再采用氟碳聚合物疏水改性劑的水溶液進行疏水改性。該方法在無紡布上先后形成了PVDF膜和氟碳聚合物膜,兩層膜的結構改善了紡織品的超疏水性。丁曉斌等[6]研究了一種超疏水紡織品,具有一層控制復合膜孔徑大小的多孔支撐層,然后采用聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP通過相分離制得超疏水層,其在紡織品表面形成了微孔膜和疏水膜的復合膜結構,該復合膜性能穩(wěn)定、機械強度高,能用于液體脫氣、除泡、膜蒸餾等行業(yè)。

4 展望

目前,雖然PVDF制備超疏水紡織品的研究報道逐漸出現,但因PVDF是基于相分離原理制備超疏水表面的,采用大量的有機溶劑是不能避免的,研究不同有機溶劑和非溶劑的配合作用,在保證超疏水性的前提下,選擇對人體危害小的有機溶劑和非溶劑,是急需解決的問題。另外,因PVDF對紡織品的黏附性較弱,形成的超疏水表面的耐久性比較差,限制了實際運用,因此研究PVDF與交聯劑的配合使用或對PVDF接枝改性,提高其對紡織品的結合牢度,也是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。