热处理对静电纺聚四氟乙烯纤维膜防水透湿性能的影响

陈腾飞 丁郎 李想

摘要：新冠疫情爆发，医用防护服的需求急剧上升，由静电纺丝制得的聚四氟乙烯复合膜为主要面料的医用防护服满足了隔离病菌、阻隔颗粒物及防液体渗透等功能，但其舒适性有待提高。本文主要采用控制温度和压力条件的方法，找到其与静电纺丝纳米纤维膜形貌和结晶行为的关系，为提高静电纺丝纳米纤维膜力学性能的同时改善其防水透气性能做进一步研究。

关键词：静电纺丝;纳米纤维膜;防水透湿

1. 引言

2019年12月新型冠状病毒暴发，在极短的时间里，病毒形成了气溶胶、粪口、尿液、结膜、母婴等多种传播途径[1]。主要面料为聚丙烯纺粘无纺布、多微孔聚乙烯薄膜、聚四氟乙烯复合膜等的医用防护服广泛应用，但其防水透湿透气有待改善。医护人员长时间穿着一般防护服进行高强度工作，发现大多数医护人员出现许多皮肤问题。对此如何保持纤维膜对病毒及微生物隔绝性同时提高其防水透湿透气性成为一个十分重要的基础科学问题。

2. 静电纺丝技术

静电纺丝技术是一种独特的非织造技术，用这种技术制作出的纺织品孔隙体积比其在正常状态下总体积的百分比高，且孔隙之间有着相互贯通的空间结构[2]。静电纺丝技术作为一种通用、且便捷的方式在近年也逐渐受到人们的关注。与传统的非织造技术相比，静电纺丝技术受原材料条件影响较小，通过运用静电纺丝技术可以更加快速地获得多孔膜，在制作时改变相关条件可以做到对织物孔隙结构的控制。

3. 静电纺丝纳米纤维膜

由静电纺丝技术制作而成的聚四氟乙烯纳米纤维膜，是一类具有良好防水透湿透气的复合纤维膜，在抵抗液态水渗透膜结构的同时，可以使得膜结构向外透出多余的水蒸气[3]。聚四氟乙烯纳米纤维膜具有较好的相互贯通的多孔结构和高孔隙率等，已经运用到组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应用、生物芯片和催化剂负载等，该材料已应用在登山服、冲锋衣等大多数具有特殊功能的服装上。但这一类纤维膜还存在着一定力学性能强度的欠缺，限制其在实际运用中较为突出的表现，需要通过表面改性，聚合物共混，热处理等方式改进，在一定程度上提高纤维膜的耐磨性、拉伸性等力学性能。

4. 实验方法及分析

在一定温度和压力的协同作用下，裁剪纤维的形貌，利用热压机制备不同温度纤维膜样品作为测试试样，再采用扫描电子显微镜（SME）拍摄25℃（常温）及150℃纤维膜样品的表面形貌。

通过对纤维膜表面形貌的观察，发现当温度超过其形变温度时，纤维明显变形为扁平状，并出现纤维与纤维间的粘接现象。通过采用泡压法滤膜孔径分析仪测试各部位纤维膜样品的孔径分布及平均孔径。25℃（常温）纤维膜的孔隙率达到88.77%，平均孔径为4..48 μm。当控制温度不变，压力上升，纤维开始发生形变，但纤维与纤维间的接触部分并未发生熔融现象。设置温度150℃（介于变形温度与熔融温度之间），适当提高压力时，其孔隙率为82.57%，平均孔径为4.16μm，保持着较大的孔径和孔隙率。同时热压处理过程中，当纤维的熔融温度高于所给温度时，在压力和温度的共同作用下加快低温稳定相和高温稳定相之间的结构转变。

纤维之间的粘接现象直接增加纤维膜的拉伸能力，热压后的静电纺聚四氟乙烯纤维膜的断裂强度增加一倍，这是因为热压处理过程中将原本的疏松的三维结构转变成新的粘连结构。

静水压和透湿量是体现纤维膜防水透湿性能的两个重要测试指标。采用透水测试仪测定织物在静水压下抗水渗透的性能，再采用电脑式织物透湿性测试仪测得水蒸气透湿量。通过实验发现，热压处理后的纤维膜静水压值达到102 kPa，增加了近一倍，而透湿量维持在11.05 kg m-2 d-1，表现出良好的防水透湿机能。

5. 结语

通过对静电纺丝纳米纤维膜的形貌和结晶行为进行研究，在实验中采用热处理的方式提高静电纺丝纳米纤维膜的力学性能使其防水透湿性能得以改善。在温度和压力的共同作用下可以有效地改善纖维膜的形貌和结晶行为。通过适当控制温度和压力条件，热处理使得纤维膜之间出现粘连结构，优化了纤维膜的孔径和良好的润湿性显著地提高了纤维膜的防水性，而较高的孔隙率维持其较好的透湿性。具有较为优异的防水透气性能的静电纺丝纤维膜对防护服的舒适性能研究一定的实践意义，同时为开发良好舒适性的医用防护服提供一定的理论指导。在对纳米纤维膜防水透湿性的研究中，实现了有效的性能调控，也为科研以及企业人员提供一定的理论基础。

参考文献

[1]陈楠楠，王进美，陶丽珍.抗病毒防护纺织品[J].合成纤维，2020，49（09）：32-35.

[2]Angelomé，multiscale： integrative synthesis of complex macroporous and mesoporous thin films with spatial separation of porosity and function. Advanced Materials. 2006，18，2397-2402.

[3] Xiang Li，Improving waterproof/breathable performance of electrospun poly（vinylidene fluoride） fibrous membranes by thermo‐pressing[J]. Journal of Polymer Science Part B： Polymer Physics，2018，56（1）：

基金项目：本文由2020年绍兴文理学院元培学院大学生科技创新项目资助。