聚氨酯涂层对聚乳酸非织造布水解性能的影响*

1. 南通大学纺织服装学院，江苏 南通226019；2. 江苏省安全与防护用纺织品工程实验室，江苏 南通226019；3. 杭州市质量技术监督检测院，浙江 杭州310019

聚乳酸纤维是一种可降解、可循环的绿色材料，在自然条件下能被微生物分解成水和二氧化碳，不会对环境造成污染[1-2]。此外，聚乳酸纤维还有许多优异性能，比如有极好的吸湿性、透气性和悬垂性及良好的抗紫外线辐射功能，成型加工性也好，并富有光泽和弹性等[3-4]。随着这类新纤维材料的不断开发, 其在非织造布中的应用也日渐增多。

非织造布是用途广泛的材料，具有透湿、透气、柔韧、质轻、价格低廉等优点。但是与传统机织布和针织布相比，非织造布具有强度和耐久性较差及不宜水洗等缺点。另外，外界环境对聚乳酸非织造布的使用影响也很大，特别是聚乳酸非织造布遇强碱容易水解[1]。

本文利用聚氨酯对聚乳酸非织造布进行涂层整理，在非织造布上形成聚氨酯膜，它是一种具有较好透湿性的防护材料，在保持聚乳酸非织造布的吸湿透气和悬垂等性能的同时，可以阻止其他外界物质进入，并起到有效防护外部环境不良影响的作用。但是，聚乳酸纤维在特定环境中易发生水解，那么聚氨酯涂层对聚乳酸非织造布的水解性能有何影响？本文将对此进行探究。

1 试验部分

1.1 主要材料与设备

1.1.1 主要材料

聚乳酸非织造布，面密度为75 g/m2，深圳盛德福投资发展有限公司生产；聚氨酯树脂，上海汇得科技股份有限公司生产；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，上海润捷化学试剂有限公司生产；氢氧化钠(NaOH)，分析纯，西陇化工股份有限公司生产。

1.1.2 主要设备

DSC 214 Polyma差示扫描量热仪，德国耐驰仪器制造有限公司生产；YG065型电子织物强力试验仪，山东莱州市电子仪器有限公司生产；HHS21-4电热恒温水浴锅，上海华联环境试验设备公司恒昌仪器厂生产；Y802A型八篮恒温烘箱，江苏常州纺织仪器厂生产；JSM-6390A型扫描电子显微镜(SEM)，日本电子株式会社生产；DT500B型电子天平，常熟市佳衡天平仪器有限公司生产。

1.2 试验过程

1.2.1 试样的制备

将聚乳酸非织造布裁剪成25 cm×5 cm的试样，即未经涂层整理的试样，记作试样A。

1.2.2 涂层整理剂的制备

将聚氨酯与DMF按1∶5的质量比混合，充分搅拌，待聚氨酯完全溶解并静置至无气泡后使用。

1.2.3 涂层整理试验

涂层整理工艺流程：

按照以上工艺流程对试样A进行涂层整理，得到涂层整理试样，记作试样B。

1.2.4 水解试验

聚乳酸纤维在酸碱性不同的溶液中易发生水解的程度，由大到小的顺序为碱性>酸性>中性[5]。因此，配置1 mol/L NaOH溶液，其pH值为14，置于37 ℃恒温水浴锅中，对试样进行快速水解试验。将试样A和试样B放入上述强碱溶液中，于水解时间为1、2、3、4、5 h时分别取出，然后用去离子水清洗，再置于50 ℃烘箱中烘干，待测试。

1.3 测试

1.3.1 质量保持率的测定

取一定质量(记作m)的试样，放置在pH值为14的NaOH溶液中水解，于1、2、3、4、5 h时分别取出水解后试样，用吸水纸吸干后放置于干燥皿中48 h，然后用DT500B型电子天平称取其质量(记作m′)。每组试样测定5组数据，结果取平均值。

质量保持率计算式：

式中：m为水解前试样质量(g)；m′为水解后试样质量。(g)

1.3.3 拉伸性能测试

拉伸性能测试按照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》进行，拉伸速度为10 cm/min，试样夹持长度为20 cm，每个试样测定5组数据，结果取平均值。

断裂强力保持率计算式：

其中：P为水解前试样断裂强力(N)；P′为水解后试样断裂强力(N)。

断裂伸长保持率计算式：

其中：L为水解前试样断裂伸长(mm)；L′为水解后试样断裂伸长(mm)。

1.3.2 SEM观测

采用JSM-6390A型扫描电子显微镜观察试样微观形貌，电压为5 kV，放大500倍。

1.3.4 DSC分析

升温范围0～200 ℃，升温速率10 ℃/min，氮气保护。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯涂层对试样质量保持率的影响

图1所示为测得的试样质量保持率及水解3 h时试样A和试样B的实物照片。

图1 试样质量保持率

由图1可以看出，聚乳酸非织造布在强碱溶液中水解速度很快，特别是未经过聚氨酯涂层整理的试样A，水解3 h时其质量保持率只有13.32%，试样已经不成形，4 h时试样基本完全水解。经过聚氨酯涂层整理的试样B，水解2 h时其质量保持率为79.19%，5 h时其质量保持率才下降到57.42%。由此可见，在一定的时间内，聚氨酯涂层对聚乳酸非织造布在强碱溶液中的水解有抑制作用，这是因为在聚乳酸非织造布表面形成了一层聚氨酯薄膜，其一方面阻止了大部分强碱溶液向非织造布表面扩散，减少了聚乳酸纤维与强碱溶液接触的机会；另一方面阻止了聚乳酸纤维的水解产物向外扩散，维持非织造布内部的pH值低于14，延缓了水解反应。

2.2 聚氨酯涂层对试样拉伸性能的影响

表1、表2分别列出了测得的试样断裂强力保持率和断裂伸长保持率。

表1 试样断裂强力保持率

由表1可以看出，未经过聚氨酯涂层整理的试样A，经过1 h的水解，其强度基本损失殆尽；而经过聚氨酯涂层整理的试样B，水解1 h，其断裂强力保持率为63.53%。同样地，从表2中可以看出，经过聚氨酯涂层整理的试样B，水解5 h，其断裂伸长保持率才下降为0.00%；而未经过聚氨酯涂层整理的试样A，经过2 h的水解，就无法测出其断裂伸长了。由此可见，经过聚氨酯涂层整理后，聚乳酸非织造布在强碱溶液中其断裂强力和断裂伸长虽然有所损失，但是其力学性能保持率都高于未经过聚氨酯涂层整理的试样，这说明聚氨酯涂层整理对聚乳酸非织造布的水解起到了一定的延缓作用，提高了聚乳酸非织造布的耐用性和抗水解性。

2.3 试样微观形貌

试样微观形貌的SEM观测结果如图2所示。

(a) 试样A

(b) 水解3 h的试样A

(c) 试样B

(d) 水解3 h的试样B

从图2(a)和(c)可以看出，经聚氨酯涂层整理后，聚乳酸非织造布表面覆盖了一层薄膜，其有效地阻止了强碱溶液向聚乳酸非织造布内部扩散，抑制了聚乳酸纤维的水解。图2(b)所示为水解3 h时试样A的表面形貌，与水解前的试样A对比，可以看到前者的纤维表面腐蚀严重、纤维明显变细、纤维断裂多等现象，这很好地印证了试样力学性能的下降。图2(d)所示为水解3 h时试样B的表面形貌，还可以看到其表面有薄膜覆盖，这对缓解聚乳酸纤维的水解有一定效果。

2.4 试样DSC分析

结合本文2.1节和2.2节的测试结果，未经过聚氨酯涂层整理的试样A在水解4 h时已基本水解完，因此只针对经过聚氨酯涂层整理的试样B进行DSC分析。图3所示为测得的试样B的DSC曲线。

图3 试样B的DSC曲线

从图3可以看出，试样B的DSC曲线上，69 ℃和161 ℃附近有吸热峰，这是聚乳酸纤维特有的玻璃化转变峰和熔融峰。当聚乳酸纤维发生降解时，其熔融峰会向低温方向移动[6]。但是图3中，经过不同时间水解的各试样的熔融峰位置相差不多，说明试样结晶区的降解程度差异不大。聚乳酸纤维水解先发生在非晶区，再发展到结晶区。

3 结论

经过聚氨酯涂层整理的聚乳酸非织造布，其表面形成了一层聚氨酯薄膜，其在不损害聚乳酸非织造布透气透湿性能的前提下，可以有效地阻止外界对聚乳酸纤维性能产生不良影响。在水解试验中，水解4 h时，经过聚氨酯涂层整理的试样质量保持率为62.70%，而未经过聚氨酯涂层整理的试样质量保持率仅为1.39%，前者在力学性能等方面也明显优于后者，因此聚氨酯涂层可以赋予聚乳酸非织造布良好的抗水解性。

[1] 杨斌．绿色塑料聚乳酸[M]．北京: 化学工业出版社， 2007： 315-320.

[2] 张玉霞, 刘伟．聚乳酸的性能及其加工技术[J]．塑料包装, 2010, 20(1): 53-60.

[3] 熊葳．聚乳酸纤维的结构与性能[J]．现代丝绸科学与技术, 2010, 25(3): 36-40；

[4] 肖云超，刘淑强，吴改红，等. 聚乳酸纤维吸湿排汗运动面料的制备与性能研究[J]. 丝绸, 2015, 52(5): 6-10.

[5] 叶伟. 聚乳酸纤维(材料)抗水解性能的研究[D]．杭州: 浙江理工大学, 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.