水凝胶在服装美学设计中的应用研究

2023-07-04臧文宁李静

粘接 2023年4期

臧文宁李静

摘要：以SiO2作为交联剂生产水凝胶服装，并分别从力学角度和微观性能研究水凝胶在服装美学设计中的应用潜力。结果表明，AAM-SiO2水凝胶水溶液可以主动扩散到服装纺织品结构中，便于线条及图案在服装上的应用。由于PAAM-SiO2纳米复合水凝胶被填充到服装纺织品中，在界面上形成了半穿透结构，服装界面韧性达到272 J/m2。化学交联剂（PEGDA）和物理交联剂（SiO2）的存在限制了水凝胶的体积膨胀。

关键词：水凝胶；服装美学设计；SiO2；力学性能；

中图分类号：TQ427.2+6

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0014-04

Research on the application of hydrogels in the aesthetic design of clothing

ZANG Wenning，LI Jing

（North University of China，Taiyuan 030000，China）

Abstract：Using SiO2 as a crosslinking agent to produce hydrogel garments，the potential of hydrogels in the aesthetic design of garments is investigated from the perspective of mechanical and microscopic properties respectively.The results show that the aqueous solution of AAM-SiO2 hydrogel can actively diffuse into the structure of garment textiles，facilitating the application of lines and patterns on garments.As the PAAM-SiO2 nanocomposite hydrogel is filled into the garment textile，a semi-penetrating structure can be formed at the interface，resulting in a garment interfacial toughness of 272 J/m2.The presence of a chemical crosslinking agent （PEGDA） and a physical cross-linking agent （SiO2） limits the volume expansion of the hydrogel.

Key words：hydrogel;aesthetic design of clothing;SiO2;mechanical properties.

气凝胶的独特性能在化工、材料等方面得到了大量应用研究，其主要特点为具有高比表面积、高孔隙率、低密度和极低的导热系数。这些特性归功于气凝胶的三维结构，其由具有间隙介孔的纳米颗粒固体网络组成。气凝胶还具有许多其他特性，如较好的力学和低介电常数，这些特性可用于服装美学设计中。但目前针对气凝胶在服装美学中的应用研究较少［1］。且单纯的使用气凝胶在服装中，可能无法达到较好的效果［2］。

为了克服这些缺点，需要用无機纳米-微米颗粒作为交联剂制备复合水凝胶服装。除了利用有机-无机混合水凝胶提高材料的力学性能，无机颗粒也可以用作典型的阻燃剂。由于其高比热容、高熔点和烧结后的阻隔性，在耐火材料如纤维和塑料中显示出广泛的应用［3］。且由亲水性多糖和SiO2微粒组成的商用水凝胶系列材料，由于其固有的粘胶性，能够使服装美学中的图案和线条更好的应用在服装中。基于此，本研究以SiO2作为交联剂生产水凝胶服装（FR-GT），从微观特性和力学角度评判水凝胶及SiO2作为交联剂在服装美学中的应用。

1 材料和方法

1.1 试验材料

聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，Mn=700）、聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA，Mw= 360）和N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）均购自埃克森美孚公司；丙烯酰胺（AAM）和过硫酸钾（KPS）由国药集团提供；直径约为1 μm的SiO2颗粒和黏土由浙江通达伟鹏电气有限公司公司提供；粘胶无纺布为金旭环保产品；超纯水由净水系统自制。

1.2 水凝胶服装设计

将丙烯酰胺（AAM）和SiO2添加到黏土水分散体中（通过磁力仪，黏土可在水中剥离而获得）。在剧烈的10 min振动动下（15 000 r/min），获得均匀的AAM-SiO2-黏土分散体。通过高速搅拌（15 000 r/min）将聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）混合10 min，直到得到水凝胶溶液。在水凝胶溶液中加入质量分数5%的过硫酸钾和N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）后，立即将该溶液转移到底部有粘胶无纺布的模具中。在温度30 ℃条件下聚合1 h后［4］，可以成功获得水凝胶服装复合材料（FR-GT）。由于粘胶无纺布的参数是恒定的，水凝胶纺织物复合材料表示为FR-GTX，其中X是水凝胶溶液中SiO2的质量百分比。作为对照组，还制作了没有无纺布层的纯水凝胶（FR-G），进行形态、拉伸性能、膨胀行为、隔热和热重测试。纯水凝胶被称为FR-GX（GX），其中X是预凝胶溶液中SiO2的质量百分比；表1为样品成分。

1.3 试验方法

用环境扫描电子显微镜（ESEM，Quanta-250，FEI）观察FR-G和FR-GT的形态。在观察之前，样品被冻干并在表面喷上金。通过能量色散光谱（EDS，AZtec X-Max）分析了分别属于SiO2、黏土和PAAM的Si、Mg和N的元素分布。

用万用试验机测定了该水凝胶的抗张特性。在室温20 ℃的情况下进行试验。在回复试验中，伸展速度为4 cm/min，恢复速度为2 cm/min。对各试件分别进行了4个循环的试验。

水凝胶服装的界面粘合性能是通过将水凝胶从无纺布上180°剥离来实现。在这个测量中，水凝胶层用氰基丙烯酸酯粘合剂粘在聚对苯二甲酸乙二醇酯的背板上，以防止在测试中伸长［5］。用于剥离测量的水凝胶层的宽度为1 cm，厚度为1 mm；测量长度和剥离速度分别为5 mm和0.5 mm/s。

水凝胶服装的热稳定性是通过热重分析进行评估。用于TG分析的样品的质量约为5～8 mg。在空气条件下，测量温度从30～310 ℃，热速率为10 K/min。

用质量分数大于95%酒精作为燃料的喷灯火源来评估水凝胶服装的耐火性能。火焰温度约为1 000 ℃。耐火性实验的样品大小为4 cm×4 cm×5 mm，夹在喷灯上方5 cm处。试验进行了5 min，并在1、3和5 min后用照相机记录了样品的数字图像。

2 结果和讨论

2.1 SEM微观分析

用SEM对不同SiO2含量的水凝胶服装进行了微观分析，无SiO2填充的水凝胶具有典型的孔隙特征，且多孔结构易导致服装美学设计时，产生较差的服装质量；含有SiO2颗粒的水凝胶服装表现出紧密的包裹结构。此外，即使SiO2颗粒的质量分数达到61%（FR-G61），SiO2仍均匀地分散在水凝胶服装中。凝胶网络中SiO2的低含量（FR-G15和FR-G26）有利于提高水凝胶服装力学性能。随着SiO2含量的进一步增加，相邻SiO2颗粒的空隙被聚合物填满，形成一个紧密的结构［6-8］。这种紧密的结构使得刚性微粒子能够起到良好的填充作用，这有助于提高水凝胶织物的力学刚度，以及对促进服装美学设计过程中较高的服装质量至关重要。

同时利用能谱分析技术验证SiO2在水凝胶服装中的分布。PAAM和黏土的N和Mg分别在FR-G0和FR-G61中分布良好。因此，无论SiO2含量如何，聚合物和黏土都能很好地分散在水凝胶服装中，有利于在服装形成更优美的线条。同时可观察到，与FR-G0相比，FR-G61中来自黏土和SiO2的Si含量更高。Si的密集分布以及N和Mg的零星分布意味着SiO2在水凝胶中的均匀分散，有助于FR-G61的致密结构的形成［9］。与FR-G0相比，FR-G61中的Si元素含量从8.9%增到43.1%，而Mg和N的含量分别从5.7%减到0.8%和从9.3%减到1.3%。

2.2 水凝胶服装复合材料膨胀性能

由于水凝胶在其服装美学设计应用过程中具有散热作用，且水凝胶中的膨胀性能对于服装美学设计中的应用不可缺少，若水凝胶膨胀性能过大，易导致服装产生褶皱，从而影响服装美学设计。因此本节讨论了水凝胶服装复合材料的膨胀行为，结果如图1所示。

从图1（a）可以看出，随着SiO2含量的增加，膨胀率都在下降;对于FR-G0，膨胀率达到（529.9±14）%。相反，FR-G61表现出较差的膨胀性能，膨胀率仅达到（103.0±20）%［10］。这是因为SiO2含量的提高，使其成为了水凝胶中的一个“交联”的节点，并充分地充满了它的多孔结构，抑制了水凝胶在膨胀时的延伸。因此，在服装美学设计中可以防止水凝胶服装复合材料在制作过程中产生褶皱，平衡溶胀比（DSR）在水凝胶服装设计过程中也很重要。在水凝胶层发生了大量的体积变化，产生了表面张力，从而在微观上影响到了水凝胶涂层复合材料的形态，进而破坏服装设计本身的线性。

从图1（b）可以看出，FR-G61的平衡溶胀比随着PEGDA含量的增加而降低［11］，这主要是因为以聚乙二醇 DA为基体，其化学交联结构得到了强化。与对应的原始样品相比，这种水凝胶表现出较低的DSR。相反，它们的平衡溶胀比随着SiO2含量的增加表现出“递减-递增-递减”的趋势。在第1个下降阶段（G0～G26），SiO2填充到水凝胶的孔隙中，并作为物理交联点限制了水凝胶服装膨胀时的体积膨胀。当进一步增加SiO2的含量（G26～G34）时，阻止了PEGDA和其他单体之间的交联作用，导致水凝胶服装膨胀时体积膨胀的增加［12］。且可观察到超过质量分数34%的SiO2（G34～G61），由于水凝胶填补了SiO2间的空隙，促成水凝胶服装体积膨胀行为，该现象会进一步破坏原先服装美学设计中的线条和图案。

2.3 力学性能

服装美学设计的基础是服装具有较好的强度，从而保证在服装设计时，服装不因其他机械设备影响而发生服装破坏现象。通过反复拉伸和挤压实验，对水凝胶布料的力学性质进行了检验。如图2（a）、（b）所示，水凝胶的拉伸性能随着SiO2的增加而增强［13］。不含SiO2的水凝胶（FR-G0）的拉伸强度和断裂伸长率分别为（80.6±4.7）kPa和（129.7±9.2）%。相比之下，高SiO2含量的水凝胶（FR-G51）表现出更好的拉伸强度和伸长率，分别为（135.3±10.0）kPa和（402.7±23.6）%，比FR-G0分别高出2.9、3.9倍。原因可能是由于纳米复合水凝胶中的纳米颗粒强化机制所致。然而，对于FR-G61，当SiO2的含量增加时，其抗拉强度和断裂伸长率都会降低，这是由于在聚合物基质中过量的SiO2会造成应力缺陷点的产生。在服装美学设计中，常使用各种机械对服装中的图案及装饰品进行加工，而较低的拉伸强度和断裂伸长率易导致服装在设计过程中，发生服装扯断的现象，极大阻碍服装制作。

2.4 水凝胶服装界面力

服装美学设计中界面力对于实现水凝胶和服装纺织品的組成至关重要，且出现在衣服上的线条、图案、颜色通常需要设备进行二次加工，需要较好的界面力满足服装线条、图案的设计。本文进行了水凝胶与粘胶无纺布的180° 剥离测试，以评价水凝胶服装的界面粘接性能。SiO2含量对界面韧性的影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，SiO2增强了界面韧性，FR-G0为（56.0 ± 7.2） J/m2，FR-G61为（320.0 ± 50.7） J/m2［14］。结果显示，SiO2粒子的确能改善胶体与非织造织物的结合强度。另外，将水凝胶膜脱去后，纤维膜的表层为粗大的水凝胶膜。类似地，在水凝胶的表层也有残留的纤维。这说明，在水凝胶与纺织品的交界面上，会出现一种纤维加强的构造，从而使水凝胶衣服的交界部粘着力得到了更大的加强，易使图案和颜色轻易与服装融合，可为服装美学设计提供更好的应用基础。且水凝胶服装的剥离过程导致2种类型的断裂［15］，包括水凝胶与织物的分离和水凝胶的自我断裂。对于FR-GT，水凝胶通过非共价交联粘附在纺织品上，形成一个半穿透结构。所以，FR-GT的表面增韧作用，很大程度上是由于大分子链段的破坏所引起的无弹性的能量耗散所致。

2.5 水凝胶服装耐燃性能

通过对水凝胶的表面温度及对应的近红外成像来评价其保温性能，水凝胶服装耐燃性能结果如图4所示。纯净的纺织品在25 s内达到了约135 ℃的平衡温度，这表明纯净纺织品的热绝缘性很差。然而，水凝胶由于含有大量的水，具有较高的比热容和蒸发量，在热绝缘方面有明显的改善。这种含有SiO2的水凝胶的表面温度在15 s内达到约50 ℃，然后在100 s内缓慢上升到约90 ℃的平衡温度。另外，SiO2加入量越大，其受热速度越慢，受热状态越稳定。该效应在FR-G51纤维上得到了显著的体现，其在75 ℃左右的平衡点只有纯纺纤维的50%左右。可以发现，SiO2的高质量含量有利于水凝胶的绝热特性，且在受热时会产生一致密且厚度很大的残余膜。但隨着SiO2含量达到61%，FR-G61的隔热特性将发生翻天覆地的变化。研究表明，SiO2膜对于隔热是必不可少的，但其高的SiO2的高质量和高水分的有机组分相比，提高了材料的导热性。结果表明，FR-G51是最佳的阻燃剂。

3 结语

本文建立了一种简单而有效的设计方法，用于制造水凝胶服装材料，以SiO2填充的水凝胶作为基体。由于水凝胶界面上的半穿透性聚合物网络和纤维加固，水凝胶服装具有良好的界面粘合性，方便服装美学设计中图案及装饰品附着在服装上。同时，物理交联剂SiO2和化学交联的聚乙烯醇（PEGDA）能够有效抑制其体积膨化，避免了衣服膨化而降低了造型效果。同时，SiO2还可以作为物理交联剂和无机填充材料，从而提高了水凝胶织物的机械强度和界面结合能力。且作为涂层，水凝胶改善了无纺布的隔热性能，进一步提高了服装美学设计的应用范围。且作为涂层，水凝胶改善了无纺布的隔热性能，进一步提高了服装美学设计的应用范围。

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