集透氣、透濕、抗菌、抗紫外線、隔熱和機械強度等性能于一體的多功能超細纖維合成革具有極高的工程應用價值。然而，在合成革中實現所有這些功能一直頗具挑戰性。近日，在《有機涂料進展》雜志上發表的一篇文章，介紹了一種多功能水性聚氨酯超細纖維合成革的研發成果。
研究背景
水性聚氨酯超細纖維合成革是將海島纖維針刺成高密度、高表面積的無紡布，然后涂覆水性聚氨酯（WPU）涂層。它兼具水性聚氨酯的低揮發性有機化合物 (VOC) 排放、優異的機械性能、出色的耐化學性、可調節的成膜性、柔韌性和硬度控制，以及超細纖維合成革的天然皮革質感、優異的物理性能和高度的設計靈活性。這些特性使水性聚氨酯超細纖維合成革在汽車內飾、航空航天和運動器材的工程應用中極具前景。
盡管取得了顯著進展，但開發水性聚氨酯超細纖維合成革的一個關鍵挑戰是水性聚氨酯（WPU）涂層的致密化，這會限制水蒸氣透過，從而降低透氣性和透濕性，最終為細菌生長創造有利條件。出現這個問題是因為用作水性聚氨酯（WPU）溶劑的水具有較高的蒸發焓，在成膜過程中需要升高溫度，這增加了聚氨酯分子鏈的流動性，并導致更致密的膜結構。因此，提高透氣性和抗菌性能對于水性聚氨酯（WPU）涂層至關重要。為了提高透氣性，一種有前景的方法是采用納米材料摻雜來改善水性聚氨酯（WPU）涂層的性能，例如納米SiO2、TiO2和ZnO已被證明可以有效改性水性聚氨酯（WPU）涂層。納米材料具有較高的比表面積和獨特的界面效應，擴大了聚氨酯分子鏈間的空隙，增加了自由體積，提高了水蒸氣透過率。此外，為提高抗菌性能，可以使用殼聚糖、金屬（Ag、Cu）、金屬氧化物（TiO2、ZnO 和 Cu2O）和碳量子點等有機抗菌劑來改善水性聚氨酯（WPU）涂層的衛生性能。
然而，將納米材料引入水性聚氨酯（WPU）面臨著一些挑戰。首先，由于納米材料容易團聚，因此很難實現納米材料的均勻分散，這會導致材料性能不均勻，并影響產品質量。其次，引入納米材料以增加自由體積可以提高透氣性，但同時也會松散涂層結構，從而可能降低機械強度。雖然納米材料的表面改性可以增強其與水性聚氨酯 (WPU) 的相互作用，改善分散性并保持機械強度，但控制改性劑的精確用量卻非常復雜且耗時。第三，納米材料的引入也會降低其抗老化和抗紫外線性能，因為更松散的涂層結構會在分子鏈之間產生更大的間隙，使材料更容易受到光、熱和氧氣等外界因素的影響，從而進一步限制其長期穩定性。
制造水性聚氨酯超細纖維合成革的另一個問題是將海島纖維轉化為超細纖維，這需要根據海島纖維的類型使用各種溶劑來溶解海島纖維中的“?！背煞?。常見的海島纖維包括尼龍/聚酯（PA/PET）海島纖維、聚酯/聚酯（PET/PET）以及新興的聚乙烯醇/聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PVA/PET) 海島纖維。對于PA/PET纖維，通常使用苯酚或甲酸等有機溶劑；而PET/PET纖維則需要堿性溶液，這兩種溶劑都會削弱水性聚氨酯超細纖維合成革的功能性。因此，確保納米材料的化學穩定性，防止其在開纖過程中溶解或降解至關重要。新興的聚乙烯醇/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PVA/PET）海島纖維，其PVA成分可有效溶解于水或弱堿性溶液中，為超細纖維的生產提供了一種環保高效的替代方案。
多功能水性聚氨酯超細纖維合成革的制備原理
研究人員基于“硬納米填料+軟基材”多相材料協同增強和界面補強原理，創新性地制備了木質素雜化空心二氧化硅微球（LHHS），并將其摻入水性聚氨酯（WPU）涂料中應用于海島纖維皮革，開發出多功能水性聚氨酯超細纖維合成革。LHHS的空心結構與木質素雜化相結合，增強了透氣透濕性能，同時兼具紫外線吸收和抗菌性能。木質素中羥基與磺酸基之間的氫鍵作用以及水性聚氨酯中酰胺鍵的相互作用，改善了LHHS在水性聚氨酯基質中的相容性，在不影響機械強度的前提下提供了多功能性。
該多功能水性聚氨酯超細纖維合成革表現出優異的透氣性（193.39 mm/s，比不含LHHS的皮革（65.69 mm/s）提高了194.39%）、令人印象深刻的透濕率（4922.9 g/m2·24 h，提高了138.7%）、卓越的紫外線防護性能（UPF 1600，遠遠超過商業標準50）、高抗菌效果（對大腸桿菌的抗菌率為97.8%，對金黃色葡萄球菌的抗菌率為95.0%）和強大的機械強度（20 MPa）。這項研究為開發高性能多功能皮革提供了一種有效的策略。
滬公網安備 31011502005575號
