丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶对聚丙烯非织造布的改性

顾明广，苏 芳

（燕京理工学院，河北廊坊 065000）

可用于制造非织造布的原料种类较多，其中聚丙烯因具有密度小、强度高、耐腐蚀和成本低等优势，逐渐成为近年来生产非织造布的主要原料［1-2］。但聚丙烯纤维分子结晶度高且不含亲水性基团，表面透气性和亲水性差［3-5］，因此需要对聚丙烯非织造布进行功能改性来提高其服用性能。

非织造布的功能改性主要分为在纺丝过程中对纤维进行改性和对非织造布进行后整理2 种方法［6］。相比而言，后整理法操作简单、效率高且投资成本低，已成为非织造布功能改性的研究热点。李淑芳等［7］利用空气等离子体处理丙纶无纺布，显著增强其吸湿性，但维持时间较短。刘娴等［8］将高分子表面活性剂和阴离子表面活性剂组合制备亲水整理剂，在优化工艺参数下测得静态水接触角接近0°，透水时间、抗静电性和柔软性明显改善，对白度、机械强度未产生负面影响。盛杰侦等［9］用表面活性剂对聚丙烯非织造布进行亲水整理，获得了具有优良亲水性的样品。但表面活性剂的亲水时间短、泡沫大，且部分报道中的表面活性剂合成工艺复杂，制备过程中会产生危害人体健康的刺激性气味，不适合广泛使用。故开发低污染、制备简单的新型整理剂具有现实意义。丝素蛋白提取自蚕丝，是一种具有良好透气性和可降解性的天然高分子材料，对人体有很好的亲和性，被广泛用于织物整理领域［10-11］，利用正硅酸乙酯与丝素蛋白在酸性条件下进行缩聚反应，可制备出兼具有机和无机材料特性的丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶，将其用于整理聚丙烯非织造布，可大幅改善非织造布的服用性能，提高其应用性能。

本文以制备的丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶为整理剂，对聚丙烯非织造布进行功能改性，通过测定整理后聚丙烯非织造布的接触角，优化整理工艺参数，对比整理前后聚丙烯非织造布的表面形貌、透气性、透湿性和力学性能，为制备具有良好服用性能的聚丙烯非织造布提供实验依据。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：丝素蛋白（苏州丝美特生物技术有限公司），聚丙烯非织造布（62 g/m2，杭州临安天福无纺布制品厂），正硅酸乙酯、丙醇、无水乙醇、盐酸［分析纯，国药集团化学试剂（上海）有限公司］，去离子水（自制）。仪器：MH552 型轧车（江阴市江南纺印机械有限公司），HG-9055A 型电热鼓风干燥箱（北京亚泰科隆仪器技术有限公司），XG-CAMB1 型接触角测量仪（上海轩准仪器有限公司），ULTRA 55 型扫描电子显微镜（德国ZEISS 公司），INSTRON 3342 型系列电子万能材料试验机［圆派科学仪器（上海）有限公司］，KES-F7 型精密瞬间热物性测试仪（日本加多技术有限公司），LLY-01 型硬挺度仪（莱州市电子仪器有限公司）。

1.2 整理剂的制备

将不同质量比的丝素蛋白与正硅酸乙酯溶于去离子水，搅拌均匀后滴加盐酸至pH 为4.0。在酸性条件下正硅酸乙酯发生缩聚反应生成SiO2纳米粒子，随后与丝素蛋白分子以化学键或氢键方式结合，形成丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶。

1.3 非织造布功能改性

将聚丙烯非织造布剪成25 cm×25 cm 大小，室温下浸入丝素蛋白/SiO2纳米溶胶中整理（改性），取出后压轧，然后置于烘箱中进行干燥处理。

1.4 测试

1.4.1 扫描电镜

将改性整理后的聚丙烯非织造布（3 mm×3 mm）粘贴在导电胶上，对样品表面进行喷金处理，随后用扫描电子显微镜观察。

1.4.2 接触角

将5 μL 去离子水滴在聚丙烯非织造布表面，利用接触角测量仪测试。

1.4.3 凉感性

通常使用最大热流失量（Qmax值）评价织物的瞬间凉感性能，Qmax值越大，织物带走的热量越多，凉感效果就越好。将聚丙烯非织造布样品放在冷板上，待热板温度达到35 ℃后迅速将其放置在样品上，记录热板通过样品向冷板传递的Qmax值，平行测量10 次，取平均值。

1.4.4 透气性

参考GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》进行测定，每块样品平行测量10次，取平均值。

1.4.5 透湿性

采用水正杯法进行测定。将待测样品固定在杯子圆周，杯中装有一定量的水，设置实验室内温度为38 ℃，相对湿度为80%，气体流速为0.5 m/s，样品透湿量=m/St，式中，m为样品测量前后质量差值，S为样品表面积，t为两次测量时间差值。

1.4.6 亲水耐久性

取经过亲水整理的聚丙烯非织造布，分别在60 ℃去离子水以及无水乙醇中进行浸泡处理，测量接触角。如果较长时间后接触角仍然保持较低值，则表明亲水耐久性较好。

1.4.7 断裂强力

设置拉伸速度为150 mm/min，夹持距离为300 mm，对比整理前后聚丙烯非织造布样品的拉伸性能，每组样品平行测量6次，取平均值。

1.4.8 硬挺度

参考GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定第1 部分：斜面法》进行测试，样品越柔软，弯曲长度越小。

2 结果与讨论

2.1 正交实验

固定其他工艺参数不变，考察丝素蛋白与正硅酸乙酯质量比、浸渍时间、热处理温度和热处理时间对聚丙烯非织造布功能改性效果的影响，确定整理的优化工艺参数，正交实验结果如表1所示。

表1 聚丙烯非织造布整理的正交实验条件及结果

由表1 可以看出，第9 号非织造布样品的接触角最小（0.96°），此时样品的整理工艺参数为：m（丝素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=7∶3，浸渍时间0.5 h，热处理温度60 ℃，热处理时间20 min。进一步分析正交实验结果发现，D对样品接触角的影响最大，然后依次为B、C、A；各影响因素的均值取最小值时分别对应m（丝素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=5∶5，浸渍时间0.5 h，热处理温度20 ℃，热处理时间5 min，此条件即为优化整理工艺参数，按照此条件改性的样品接触角为0.31°，进一步说明此条件为优化工艺参数。

2.2 表征

由图1 可以看出，未整理的聚丙烯非织造布纤维非常光滑，而经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理之后的样品会在表面形成一层薄膜，尤其在聚丙烯非织造布纤维交接处分布更致密。这是因为将样品浸渍于整理剂溶液中时，丝素蛋白/SiO2纳米材料会均匀地附着到聚丙烯纤维表面，而在烘干过程中，随着溶液中水分减少，丝素蛋白/SiO2纳米材料浓度越来越高，分子间作用力逐渐增强，最终与纤维结合，在其表面形成一层丝素蛋白/SiO2膜。

2.3 改性后聚丙烯非织造布的性能

2.3.1 凉感性

非织造布样品经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理后，Qmax值显著增大，由0.105 W/cm2增加到0.608 W/cm2，表明样品实现了良好的凉感效应，其服用性能得到显著改善。

2.3.2 透气性

提高聚丙烯非织造布的透气性可以提升其穿着时的舒适度，尤其作为医疗用品时必须具备较好的透气性。由图2 可以看出，经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理后的无纺布透气性较未整理略有提升，可从1 793 mm/s 增加到最高1 920 mm/s，并且随着丝素蛋白/SiO2溶液总用量的增加，样品透气性呈现先增加后降低的趋势。

纺织品透气性主要受编织结构和厚度影响，经过改性整理后，空气既可以从聚丙烯纤维空隙间流通，还能从丝素蛋白/SiO2膜中流通，因此改性后样品的透气性提升，但丝素蛋白/SiO2溶液总用量过高，丝素蛋白/SiO2膜厚度增加，导致样品透气性下降。

2.3.3 透湿性

纺织品的透湿性越好，排出皮肤水分和热量的效果也越好。由图3 可以看出，经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理后的无纺布透湿性较未整理有所提升，可从7 950 g/（m2·d）增加到最高8 608 g/（m2·d）。这是因为整理后的非织造布透气性提高，相应地水蒸气流通性也会提高，而且丝素蛋白/SiO2纳米膜含有大量亲水性基团，能够提升非织造布对水分子的吸附量，并促使其向湿度较低的另一侧扩散，因而样品的透湿性提高。但丝素蛋白/SiO2溶液总用量过大（超过3%）时，丝素蛋白/SiO2膜厚度增加，导致水分子向样品另一侧扩散的阻力增大，透湿性降低。

2.3.4 亲水耐久性

经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理后的聚丙烯非织造布亲水性大幅提升，但其耐久性也值得关注。由表2 可以看出，随着处理时间的延长，样品的亲水性均逐渐下降，且在无水乙醇中的下降速率大于在去离子水中，3 h 后在无水乙醇中的接触角仅有19.48°，表明此时样品仍具有良好的亲水性，进而证明本整理方法获得的样品具有较好的亲水耐久性。

表2 不同时间处理前后聚丙烯非织造布在不同溶剂下的接触角

2.3.5 力学性能

由表3 可知，经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理后的聚丙烯非织造布断裂强力、断裂伸长和延伸率均略有增加。这是因为使用丝素蛋白/SiO2纳米材料对非织造布进行改性后，会在聚丙烯纤维表面增加一层杂化膜，提高样品的粘合力，但因为膜厚度很小，对聚丙烯非织造布的力学性能影响也较小。样品整理前后的弯曲长度值变化很小，表明经过整理后非织造布仍具有较好的柔软性，服用性能不受影响。

表3 聚丙烯非织造布亲水整理前后的力学性能

3 结论

（1）在m（丝素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）=5∶5、浸渍时间0.5 h、热处理温度20 ℃、热处理时间5 min 条件下改性的聚丙烯非织造布接触角为0.31°，热处理时间对样品接触角影响最大，之后依次为浸渍时间、热处理温度和m（丝素蛋白）∶m（正硅酸乙酯）。

（2）经过丝素蛋白/SiO2纳米复合溶胶整理后的聚丙烯非织造布表面会形成一层丝素蛋白/SiO2薄膜，样品的Qmax值提高了5.79 倍，增强了样品的透气性和透湿性，并使样品具有良好的亲水耐久性。整理后的非织造布断裂强力、断裂伸长、拉伸应变以及弯曲长度均略有增加，但是变化幅度很小，不会影响非织造布的服用性能。