一种快速导湿排汗纤维材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速导湿排汗纤维材料及其制备方法，属于纺织品技术领域。

背景技术

随着时代的发展，人民生活条件的提升，人们对于服装的要求不再仅仅满足于保暖、蔽体和美观等功能，而且要求服装具有更多的附加功能，如抗菌防臭、抗紫外线、拒水拒油、医用保健等。面料在运动过程的舒适性是消费者的重要考量内容，由于市场需求的增长，现有运动面料的不足逐渐突出，新一代热湿舒适运动面料亟需开发。

人体运动时通过皮肤汗腺分泌汗液蒸发快速散热，但是由于服装往往不能有效将汗水排出人体造成湿粘感。针对运动过程中的吸湿排汗问题，人们通过大量研究，开发了具有吸湿排汗、蒸发散热等功能的运动面料，有效解决了运动过程中的热湿舒适问题。然而，排汗速率低和汗液滞留多的问题仍然存在，一旦吸收层达到饱和，导湿速率将会大大降低。

单向导湿面料利用材料层间孔隙，润湿性差异构建内外层吸湿差异，实现汗液从织物皮肤侧向外侧传输，从而保证皮肤干燥。然而，由于疏水层对水的排斥作用，汗液需要突破疏水壁垒才能穿过疏水层到达亲水层，从而影响汗液传输速率。因此，具有润湿性梯度的多层材料比Janus润湿性材料具有更快的水分传输速率，然而多层材料仍然具有层间阶梯式润湿性差异，在一定程度上限制了汗液传输，此外，多层材料工艺复杂，厚度增加还会影响穿着舒适性。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种无级润湿性梯度驱动快速吸湿排汗纤维材料及其制备方法，其面料是以静电纺聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜作为基材，通过酸性条件下与甲醛气相交联解决PVA纳米纤维膜的水溶性问题，得到亲水聚乙烯醇缩甲醛PVF纳米纤维膜；利用反应液在重力和表面张力作用下，在亲水PVF纳米纤维膜内自然下渗并与聚乙烯醇发生缩醛反应，通过控制涂覆厚度、反应液粘度、反应温度和时间制备在厚度方向具有无级润湿性梯度的单向导湿PVF纳米纤维材料，从而实现快速吸湿排汗。

具有无级润湿性梯度的纤维材料具有更强的汗液驱动力，并且对材料皮肤侧的疏水性要求降低，能够实现更快速汗液传输，并减少汗液滞留，可避免造成吸收层饱和降低传输速率的问题。

聚乙烯醇具有丰富的极性羟基，通过静电纺丝制成聚乙烯醇纳米纤维膜具有优良的亲水性，但是其水溶性限制了其实际应用。本发明将聚乙烯醇在酸性条件下用甲醛进行部分缩醛化可以得到不同缩醛程度的聚乙烯醇缩甲醛，随着醛化程度越高，其亲水性越差，这也为材料润湿性能的调控提供了可行基础。

本发明的第一个目的是提供一种无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：制备PVA纳米纤维膜：

将聚乙烯醇分散在去离子水中，加热溶解，得到聚乙烯醇纺丝液；将聚乙烯醇纺丝液通过静电纺丝、烘干制成PVA纳米纤维膜；

第二步：制备气相交联亲水PVF纳米纤维膜：

将第一步制备的PVA纳米纤维膜悬挂于容器内，在PVA纳米纤维膜的下端悬挂变色硅胶，随后在容器底部注入甲醛溶液和盐酸，密封容器，置于烘箱内进行气相交联，结束后将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡、冲洗，去除残余的甲醛和盐酸，烘干，制得亲水聚乙烯醇缩甲醛纳米纤维膜，简称亲水PVF纳米纤维膜；

第三步：缩醛反应涂料的制备：

将增稠剂与甲醛溶液混合，密封搅拌混匀，超声后静置，得到缩醛反应涂料；

第四步：制备无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维膜：

将第二步制备的亲水PVF纳米纤维膜置于铝箔上，在亲水PVF纳米纤维膜上均匀涂覆第三步制备的反应涂料；再将涂覆后的亲水PVF纳米纤维膜置于容器中，在容器边缘滴加盐酸溶液，然后将容器密封置于烘箱中反应，将反应后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡、冲洗，去除残余的甲醛和盐酸，烘干，制得无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料。

在本发明的一种实施方式中，一种无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料的制备方法，具体包括如下步骤：

第一步：制备PVA纳米纤维膜：

将聚乙烯醇粉末倒入装有去离子水的蓝盖瓶中，将蓝盖瓶置于油浴锅中90℃加热搅拌至溶解，将得到的溶液静置一段时间去除气泡得到聚乙烯醇纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝、烘干制成聚乙烯醇纳米纤维膜，即PVA纳米纤维膜；

第二步：制备气相交联亲水PVF纳米纤维膜：

将第一步制备的PVA纳米纤维膜悬挂于烧杯内，在PVA纳米纤维膜的下端悬挂适量变色硅胶，随后在烧杯底部注入甲醛溶液和盐酸，密封烧杯，置于烘箱内进行气相交联，随后将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡、冲洗，去除残余的甲醛和盐酸，烘干后制成亲水聚乙烯醇缩甲醛纳米纤维膜，即亲水PVF纳米纤维膜；

第三步：缩醛反应涂料的制备：

称取增稠剂加入烧杯中，再加入甲醛溶液，密封搅拌至均匀后，超声后静置一段时间制成缩醛反应涂料；

第四步：制备无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维膜：

将第二步制备的亲水PVF纳米纤维膜置于铝箔上，在纤维膜上涂覆少量第三步制备的反应涂料，利用刮刀将其均匀涂覆在PVF纳米纤维膜上，制成不同厚度反应涂层的PVF纳米纤维膜；再将纤维膜置于培养皿中心，在培养皿边缘滴加少量盐酸溶液，然后将培养皿密封置于烘箱中反应，将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡、冲洗，去除残余的甲醛和盐酸，烘干后制得无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料。

进一步的，所述第一步中，所述聚乙烯醇纺丝液的浓度为10-14wt％。

进一步的，所述第一步中，所述静电纺丝的电压为15-20kV，接收距离为12-18cm，注射速度为0.4-1mL/h。

进一步的，所述第二步中，所述PVA纳米纤维膜厚度为0.2-1.6mm，纤维膜平均孔径为0.1-1.2μm，纤维平均直径为60nm-4μm。

进一步的，所述第二步中，所述的甲醛溶液的浓度为37wt％。

进一步的，所述第二步中，所述的盐酸溶液(HCl)的浓度为38wt％。

进一步的，所述第二步中，所述甲醛溶液与盐酸溶液的体积比为4-5:1。

进一步的，所述第二步中，甲醛溶液相对PVA纳米纤维膜的用量为(10-20)mL/(40-50)cm

进一步的，所述第二步中，变色硅胶相对PVA纳米纤维膜的用量为(8-15)g/(40-50)cm

进一步的，所述第二步中，PVA纳米纤维膜裁剪为7×7cm大小，使用的甲醛溶液的加入量为10-20mL，盐酸溶液的加入量为2-5mL。

进一步的，所述第二步中，所述反应的温度为25-35℃，时间为3-12h。

进一步的，所述第二步中，所述的去离子水浸泡时间优选为2-5h，冲洗次数2-4次。所述烘干温度优选60℃，烘干时间优选6-12h。

进一步的，所述第三步中，所述的增稠剂为聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮等增稠剂中任意一种或两种以上。

进一步的，所述第三步中，所述的增稠剂占缩醛反应涂料的质量分数为10％-20％。

进一步的，所述第三步中，搅拌时间优选3-6h，超声时间优选30-60min，静置时间优选1-2h。

进一步的，所述第四步中，所述反应涂料的涂覆厚度为0.2-2mm；进一步为0.3-1.0mm；更优选0.6-1mm。

进一步的，所述第四步中，所述盐酸溶液的浓度为38wt％。

进一步的，所述第四步中，盐酸溶液相对缩醛反应涂料的用量为2-4mL/10g。

进一步的，所述第四步中，所述的反应的温度为30-50℃，时间为1-8h。

进一步的，所述第四步中，所述的去离子水浸泡时间优选为2-5h，冲洗次数2-4次。所述烘干温度优选60℃，烘干时间优选6-12h。

本发明的第二个目的是提供上述制备方法制备得到的无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料。

本发明的第三个目的是提供包含上述无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料的面料产品。

本发明的第四个目的是提供上述无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料在纺织品技术领域的应用。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果：

(1)本发明中无级润湿性梯度驱动快速吸湿排汗纤维材料的制备中，通过静电纺丝的方法制备聚乙烯醇纳米纤维膜，方法简单，纤维膜厚度、孔隙度、直径等参数可通过纺丝工艺有效调控，以适应不同制作工艺及使用环境要求；并利用甲醛对PVA纳米纤维膜进行气相交联，有效解决PVA纳米纤维膜水溶问题，提高了PVA纳米纤维膜的实际应用。

(2)本发明中利用将一定量增稠后的甲醛反应液均匀涂覆在亲水PVF纳米纤维膜上，利用反应液在重力和表面张力作用下，在亲水PVF纳米纤维膜内自然下渗并与聚乙烯醇发生缩醛反应，通过控制涂覆厚度、反应液粘度、反应温度和时间制备在厚度方向具有无级润湿性梯度的单向导湿PVF纳米纤维材料，能够有效提高面料的单向输水速率，从而减少汗液滞留。

附图说明

图1为实施例1所制备的无级润湿性梯度驱动快速吸湿排汗纤维材料的各层润湿性能图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

第一步：制备PVA纳米纤维膜：

将4.2g聚乙烯醇粉末倒入装有25.8g去离子水的蓝盖瓶中，将蓝盖瓶置于油浴锅中90℃加热搅拌至溶解，将得到的溶液静置4h去除气泡得到质量分数为14％的聚乙烯醇纺丝液，通过静电纺丝、60℃烘干12h制成膜厚为1.2mm的PVA纳米纤维膜。纺丝工艺参数为：纺丝电压18kV、注射速率0.6mL/h、纺丝距离15cm。

第二步：制备气相交联亲水PVF纳米纤维膜：

将第一步制备的PVA纳米纤维膜裁剪为7×7cm大小并悬挂于烧杯内，在PVA纳米纤维膜的下端悬挂10g变色硅胶，随后在烧杯底部注入10mL 37％甲醛溶液和2mL 38％盐酸溶液，密封烧杯，置于30℃烘箱内气相交联4h，随后将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡3h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制成亲水PVF纳米纤维膜；

第三步：缩醛反应涂料的制备：

称取1g聚环氧乙烷加入烧杯中，再加入9g 37％甲醛溶液，密封搅拌6h至均匀后，超声60min后静置2h制成缩醛反应涂料(缩醛反应涂料中聚环氧乙烷的质量分数为10％)；

第四步：制备无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维膜：

将亲水PVF纳米纤维膜置于铝箔上，在纤维膜上用刮刀将缩醛反应液均匀涂覆在PVF纳米纤维膜上，反应涂层厚度为0.6mm。再将涂覆后的PVF纤维膜置于培养皿中心，在培养皿边缘滴加2mL盐酸溶液，然后将培养皿密封置于40℃烘箱中反应3h，将反应后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡6h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制得无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料。

实施例2

第一步：制备PVA纳米纤维膜：

将4.2g聚乙烯醇粉末倒入装有25.8g去离子水的蓝盖瓶中，将蓝盖瓶置于油浴锅中90℃加热搅拌至溶解，将得到的溶液静置4h去除气泡得到质量分数为14％的聚乙烯醇纺丝液，通过静电纺丝、60℃烘干12h制成膜厚为1.2mm的PVA纳米纤维膜。纺丝工艺参数为：纺丝电压18kV、注射速率0.6mL/h、纺丝距离15cm。

第二步：制备气相交联亲水PVF纳米纤维膜：

将第一步制备的PVA纳米纤维膜裁剪为7×7cm大小并悬挂于烧杯内，在PVA纳米纤维膜的下端悬挂10g变色硅胶，随后在烧杯底部注入10mL 37％甲醛溶液和2mL 38％盐酸溶液，密封烧杯，置于30℃烘箱内气相交联4h，随后将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡3h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制成亲水PVF纳米纤维膜；

第三步：缩醛反应涂料的制备：

称取2g聚环氧乙烷加入烧杯中，再加入8g 37％甲醛溶液，密封搅拌6h至均匀后，超声60min后静置2h制成缩醛反应涂料(缩醛反应涂料中聚环氧乙烷的质量份数为20％)；

第四步：制备无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维膜：

将亲水PVF纳米纤维膜置于铝箔上，在纤维膜上用刮刀将缩醛反应液均匀涂覆在PVF纳米纤维膜上，反应涂层厚度为1mm。再将涂覆后的PVF纤维膜置于培养皿中心，在培养皿边缘滴加2mL盐酸溶液，然后将培养皿密封置于40℃烘箱中反应5h，将反应后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡6h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制得无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料。

实施例3

第一步：制备PVA纳米纤维膜：

将4.2g聚乙烯醇粉末倒入装有25.8g去离子水的蓝盖瓶中，将蓝盖瓶置于油浴锅中90℃加热搅拌至溶解，将得到的溶液静置4h去除气泡得到质量分数为14％的聚乙烯醇纺丝液，通过静电纺丝、60℃烘干12h制成膜厚为1.2mm的PVA纳米纤维膜。纺丝工艺参数为：纺丝电压18kV、注射速率0.6mL/h、纺丝距离15cm。

第二步：制备气相交联亲水PVF纳米纤维膜：

将第一步制备的PVA纳米纤维膜裁剪为7×7cm大小并悬挂于烧杯内，在PVA纳米纤维膜的下端悬挂10g变色硅胶，随后在烧杯底部注入10mL 37％甲醛溶液和2mL 38％盐酸溶液，密封烧杯，置于30℃烘箱内气相交联4h，随后将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡3h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制成亲水PVF纳米纤维膜；

第三步：缩醛反应涂料的制备：

称取2g聚环氧乙烷加入烧杯中，再加入8g 37％甲醛溶液，密封搅拌6h至均匀后，超声60min后静置2h制成缩醛反应涂料(缩醛反应涂料中聚环氧乙烷的质量份数为20％)；

第四步：制备无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维膜：

将亲水PVF纳米纤维膜置于铝箔上，在纤维膜上用刮刀将缩醛反应液均匀涂覆在PVF纳米纤维膜上，反应涂层厚度为0.6mm。再将涂覆后的PVF纤维膜置于培养皿中心，在培养皿边缘滴加2mL盐酸溶液，然后将培养皿密封置于40℃烘箱中反应3h，将反应后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡6h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制得无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料。

对比例1

直接采用商用纯棉运动服装面料。

对比例2

直接采用商用涤纶吸湿快干面料。

对比例3

内外层润湿性不同的Janus PVF复合纤维材料：

第一步：制备PVA纳米纤维膜，同实施例1；

第二步：制备气相交联亲水性PVF纳米纤维膜和疏水性PVF纳米纤维膜：

将第一步制备的PVA纳米纤维膜分别悬挂于烧杯内，分别在PVA纳米纤维膜的下端悬挂10g变色硅胶，随后在烧杯底部注入10mL 37％甲醛溶液和2mL 38％盐酸溶液，密封烧杯，置于30℃烘箱内气相交联4h、8h，随后将交联后的纳米纤维膜置于去离子水中浸泡3h、冲洗3次，去除残余的甲醛和盐酸，60℃烘干12h后制成亲水PVF纳米纤维膜和疏水性PVF纳米纤维膜；

第三步：制备内外层润湿性不同的Janus PVF复合纤维膜：

将亲水PVF纳米纤维膜和疏水性PVF纳米纤维膜经过热压后制成Janus PVF复合纤维材料，膜厚为1.2mm。

测试方法：

将实施例1、2、3制备的无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料与对比例1纯棉运动服装面料、对比例2商用涤纶吸湿快干面料、对比例3内外层润湿性不同的JanusPVF复合纤维材料进行测试对比。

表面水接触角测试：采用接触角测试仪，测试纤维膜底层、中间层、表层与去离子水的接触角，测试各纤维膜层的三个不同位置，每次测试使用等体积的去离子水。

透气性测试：根据GB/T 5453-1997采用透气测试仪对纤维膜进行透气测试。

透湿性测试：根据GB/T 12704.2-2009采用正杯法对纤维膜进行透湿性测试，测试面积为28.3cm

单向导湿性能测试：

根据GB/T 21655.2-2009水分管理测试仪对纤维膜进行水分传输性能测试，在内层(疏水层)滴加0.15M的氯化钠水溶液，并利用传感器检测水分的传递，得到纤维膜的液态水单向传递指数。

由图1可以看出实施例1制备得到的无级润湿性梯度驱动单向导湿PVF纳米纤维材料每层的润湿性不同，最外层纤维膜接触角为44.1°，2秒可以完全润湿；内层纤维膜接触角为99.9°，9秒完全润湿。

表1为实施例1～3和对比例1～3制备得到的面料的性能测试数据。由表1可知：实施例1、2、3制备的面料相比于对比例1～2，透气性较差一些，这是由于棉、涤纶织物孔隙相对于静电纺纳米纤维较大；此外实施例1～3制备的面料相对于对比例3的Janus面料透气性好，这是由于Janus面料是双层纤维膜堆叠，并经过热压得到的，厚度较厚，且热压时一部分孔隙被堵塞，导致透气性降低。实施例1、2、3的材料疏水侧向亲水侧的液态水分单向传递指数都在700％-1000％，远高于对比例1～3中的涤、棉商用面料和Janus双层纤维膜面料。能够保证运动过程中的快速吸湿排汗性能。

表1实施例1～3和对比例1～3制备得到的面料的性能测试数据

实施例4探究缩醛反应涂层厚度的影响

参照实施例3，仅改变第四步中反应涂层的厚度，其他条件不变，获得相应的PVF纳米纤维材料。

测试所得PVF纳米纤维材料的性能，结果如表2所示。

表2不同反应涂层厚度制得的PVF纳米纤维材料的性能结果

由表2可知，改变反应涂层厚度会影响单向导湿PVF纤维材料的性能，当涂层厚度为0.3时，涂料没有完全渗透到最外层参与反应，形成一定厚度的相同润湿性的均质区，降低水分的单向传递；当厚度增大时，反应液完全渗透并在纤维膜内部一定区域达到饱和，同样会形成均质区，降低水分传递；此外，随着缩醛程度的提高，纤维间出现一定程度黏连，降低纤维膜的透气透湿性能。所以在0.6mm反应涂层厚度下最为合适。

实施例5探究缩醛反应涂料增稠剂浓度的影响

参照实施例3，仅改变第三步中缩醛反应涂料中聚环氧乙烷和甲醛溶液的比例来调整缩醛反应涂料中聚环氧乙烷的质量分数，其他不变，获得相应的PVF纳米纤维膜。

测试所得PVF纳米纤维材料的性能，结果如表3所示。

表3不同反应涂料增稠剂浓度制得的PVF纳米纤维材料的性能结果

由表3可知，随着聚环氧乙烷质量的变化，反应涂料的粘度发生变化，涂料向外层渗透速率不同，影响了单向导湿PVF纤维材料的性能。当聚环氧乙烷含量较低时，比如5％、10％，粘度过低，不能有效形成反应涂料的浓度梯度，单向导湿性能差；当聚环氧乙烷质量较高时，比如为40％、80％时，粘度过高，反应涂料不能有效下渗，形成大部分的均质区，单向导湿性能差。另外，粘度过高时，纤维黏连严重，透气性和透湿性严重降低。所以缩醛反应涂料中聚环氧乙烷的质量分数在20％时下最为合适。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。