基于FAST织物风格仪的防水织物服用性能研究

宫简简，赵杰文，夏 鑫

(新疆大学 纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

随着生活水平的提高，人们在追求服装美观的同时，也开始注重其功能性。为满足户外运动服装防水透湿的要求，纳米静电纺防水透湿复合织物成了近年来的研究热点，静电纺丝技术可以连续生产纳米纤维，纳米膜具有比表面积大、孔隙率高、孔径小的特点，易于实现防水透湿的功能[1]。特别是静电纺含氟聚合物以其优异的表面性能、较小的内聚能密度及其广阔的应用前景吸引了众多研究者的注意。聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好疏水性、阻燃性和化学性质，周颖等[2]采用静电纺制备聚氨酯/聚偏氟乙烯(PU/PVDF)共混纳米膜，大大提高了膜的防水性能；在聚氨酯中引入氟基团不仅能够保持聚氨酯良好的力学性能和独特结构，而且氟基团在材料表面富集，极大地改善聚氨酯的表面性能，赋予聚氨酯优异的低表面能、拒水拒油性、润滑性能、耐沾污性能以及良好的生物相容性[3]，李智勇等[4]将含氟聚氨酯(PFU)疏水剂引入聚氨酯纺丝液，并在纺丝液中掺杂纳米颗粒，构建粗糙表面，获得良好的防水透湿性能；氟橡胶(FPM)因其耐热性、防水性和耐腐蚀性好，被广泛应用于汽车、航空航天和防水涂层等领域，氟橡胶与聚氨酯的共混纺丝，还有待探究。上述实验发现，聚氨酯的加入，对纤维原具备的性能具有双向影响，兼具含氟化合物的低表面能和聚氨酯良好的力学性能。

赵杰文等[5]对纳米防酸复合织物与市售传统防酸织物进行风格对比，发现纳米防酸复合织物表面毛羽显著减少，织物表面更加均匀。在对纳米静电纺织物防水透湿织物功能性要求不断提高的同时，对其服用性能的要求也随之提高。亟待开发出防水性能优异，服用性能良好的纳米复合织物。本文以具有高强度、高弹性和良好的透气性特点的聚氨酯PU为基材，作为力学性能的支撑，运用静电纺丝的方法制备聚氨酯/聚偏氟乙烯(PU/PVDF)、聚氨酯/含氟聚氨酯(PU/FPU)、聚氨酯/氟橡胶(PU/FPM)共3个系列的纳米复合防水织物，采用澳大利亚联邦科学院研制的FAST系统，选取上述3种系列共9种防水复合织物，采用FAST织物压缩仪、弯曲仪和拉伸仪测量各织物拉伸、剪切、弯曲、压缩等织物风格指标，并利用SPSS软件对测得的17项织物风格指标进行主成分分析，综合评价3种防水复合织物的织物风格和防水性能，并计算得分，为防水织物的选择和开发提供有益的参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚氨酯(PU，巴斯夫聚氨酯特种产品中国有限公司)；含氟聚氨酯(FPU，实验室自制)；聚偏氟乙烯(PVDF，相对分子质量6×105)；氟橡胶246(FPM,Chemours(上海)化学有限公司)；N，N—二甲基甲酰胺(DMF，分析纯,国药集团化学试剂有限公司)；四氢呋喃(THF，Aladdin试剂上海有限公司)；丙酮(分析纯,阿拉丁试剂有限公司)；3 M气溶胶(美国3 M公司)；涤/棉机织物(面密度170 g/m2)。

1.2 静电纺膜复合织物的制备

以DMF、丙酮和THF配置双溶剂制备PU/PVDF、PU/FPU和PU/FPM 3种共混纺丝溶液，将配置好的溶液在常温下磁力搅拌24 h至充分溶解。采用静电纺技术，以涤/棉机织物作为接收基材，并在其表面均匀喷一层3 M气溶胶(上胶量为25 g/m2)，以提高静电纺纤维膜与基材之间的黏附力，随后将制备好的混合纺丝液直接沉积于涤/棉机织物上。注射速度为0.6 mL/h，接收滚筒转速为1 200 r/min，接收距离和电压根据高聚物适纺参数进行调整，纺丝液注射量控制为4 mL，静电纺膜纺丝液参数如表1所示。将制得的防酸透湿复合织物在室温条件下放置24 h后，再进行各项性能测试。

表1 静电纺膜纺丝液参数

1.3 性能测试

1.3.1 FAST织物风格仪测试

测试每块织物的面密度(W)，进行标记。采用FAST-1织物厚度仪、FAST-2织物弯曲性能测试仪和FAST-3织物拉伸性能测试仪，分别测试复合织物在低负荷200 Pa(1.96 cN/cm2)、10 000 Pa(98 cN/cm2)下的厚度(T2、T100)以及表观厚度(ST)；经、纬向弯曲长度(C1、C2)及弯曲刚度(B1、B2); 织物在4.9、19.6、98.0 cN/cm拉伸力作用下的经向延伸率(E5、E20、E100)，纬向延绅率(E5′、E20′、E100′)以及斜向伸长率(EB)；根据计算得出经、纬向可成型性F1、F2和剪切刚度(G)。基于FAST的织物基本力学性能测试结果见表2。

1.3.2 接触角测试

实验根据GB/T 30447—2013《纳米薄膜接触角测量方法》，使用OCAl5EC 型光学接触角测量仪(德国Dataphysics)进行测试。

2 结果分析

2.1 FAST数据分析

2.1.1 主因子选取

运用SPSS数据分析软件中主成分分析法求得标准化指标的公共因子以及载荷矩阵。通常用方差贡献率来表征各个公共因子对原始数据的解释能力[6]。当累积贡献率达到 80%～90%时[7]，即可确定主因子成分。原始变量在各主因子中的贡献率如表3所示。前5个因子的贡献率分别为35.440%、27.066%、15.782%、7.928%和6.523%，累计贡献率达到92.738%，能够充分解释FAST测试中所得的各项性能指标所包含的信息，将这5个因子确定为主因子。

表2 基于 FAST的织物基本力学性能测试结果

表3 复合织物的主因子贡献率

2.1.2 主因子旋转和主因子命名

提取后的主因子与原始数据具有一定的相关性，不利于表达，旋转成分矩阵能够将结果更清晰地表达出来，旋转因子代表着变量间的相关性，取值范围在-1～1之间，值越接近1，做因子分析越有意义，通过因子间的比较人们可以决定每个变量归属于哪个因子[8]。旋转后的成分矩阵如表4所示。

根据表4得出主因子命名如下：

主因子1，复合织物在不同低负荷小外力作用下的经纬向延伸率(E)的载荷绝对值较大。延伸长度越大，拉伸性能越好，抗变形能力较差，织物容易变形且不易断裂，反映织物的柔顺度[9]。进一步观察发现，经向延伸率的载荷绝对值均大于纬向延伸率的载荷绝对值，因此将主因子1定义为拉伸因子。

主因子2，复合织物的纬向弯曲刚度(B2)、纬向弯曲长度(C2)、剪切刚度(G)和斜向延伸率(EB)的载荷绝对值较大。弯曲刚度和弯曲长度表示织物的刚柔性，弯曲刚度越大，弯曲长度越短，说明织物的硬挺度越好。因此将该因子定义为硬度因子。

主因子3，纬向延伸率(E20′)，复合织物的表面厚度(ST)和纬向成形因子(F2)的载荷绝对值较大。表观厚度表示复合织物的蓬松感，纬向拉伸性能较好，可成形性是用于评价织物成形的难易程度、出现褶皱的可能性以及严重程度的综合描述，因此将该因子定义为纬向成形因子。

主因子4，复合织物在低负荷压强10 000 Pa和200 Pa下的表面厚度和经向成形的载荷绝对值较大。表面厚度表示织物的厚实程度，也为织物的丰满程度，经向成型则是经向成型的难易程度，因此将该因子定义为丰满因子。

主因子5，复合织物的经向弯曲刚度B1和经向弯曲长度C2的载荷绝对值较大，因此将该因子定义为经向弯曲因子。

表4 旋转成分矩阵

根据表3的主因子贡献率可知，对复合织物风格影响最大的5个主因子按照主因子命名依次为拉伸因子、硬度因子、纬向成形因子、丰满因子和经向弯曲因子。

2.1.3 因子得分与排名

通过SPSS软件分析所得的各个主因子评分系数矩阵见表5。

根据表5，将拉伸因子、硬度因子、纬向成形因子、丰满因子和经向弯曲因子命名为f1、f2、f3、f4、f5，并建立5个评分的回归方程：

f1=-0.035×T2+0.028×T100-0.093×ST-

0.024×C1-0.064×B1-0.176×C2-

0.212×B2+0.078×E5+0.190×E20-

0.400×E100+0.189×E5′+0.125×E20′-

0.277×E100′+0.094×EB+0.117×F1-

0.094×F2-0.047×G

f2=-0.001×T2-0.069×T100+0.084×ST-

0.031×C1+0.025×B1+0.355×C2+

0.403×B2+0.071×E5+0.036×E20+

0.227×E100+0.022×E5′-0.062×E20′+

0.114×E100′+0.123×EB-0.090×F1-

0.006×F2-0.167×G

f3=0.025×T2-0.235×T100+0.330×ST-

0.059×C1+0.024×B1+0.062×C2+

0.179×B2+0.133×E5+0.078×E20+0.083×E100+0.081×E5′+0.256×E20′+0.139×

E100′-0.111×EB-0.113×F1+0.331×

F2+0.107×G

f4=0.322×T2+0.495×T100-0.069×ST+

0.067×C1+0.038×B1-0.064×C2-0.103×B2+0.046×E5-0.166×E20+0.096×E100-

0.005×E5′-0.100×E20′-0.109×E100′+

0.107×EB-0.252×F1-0.157×F2-0.110×G

f5=0.055×T2+0.014×T100+0.076×ST+

0.448×C1+0.439×B1-0.002×C2-

0.024×B2+0.089×E5-0.047×E20+

0.074×E100-0.188×E5′-0.163×E20′-

0.097×E100′+0.021×EB-0.076×F1-

0.011×F2-0.026×G

表5 主因子评分系数矩阵

根据表3，用主因子贡献率中的旋转平方和载入的方差百分比x作为权数，进行加权平均，得到的复合织物的综合得分f[10]如下。

式中：x1为22.466%；x2为22.136%；x3为19.266%；x4为15.236%；x5为13.634%。计算得到9种复合织物的公因子得分和排名，如表6所示。

表6 公因子得分及排名

根据表6得出：

①由PU/PVDF系复合织物1#～3#和PU/FPM系复合织物7#～9#的拉伸因子f1得分可知，随着混合纺丝液中聚氨酯含量的减少，织物的拉伸性能下降，可见聚氨酯的加入提升了复合织物的拉伸性能，织物在小负荷下抵抗拉伸应变的能力降低。

②由硬度因子f2可知，数值越大，抗剪切变形能力强，即在面料搬运、制衣以及服用过程中不易产生纬斜和弓斜[11]。保形性较好，抗皱性能较优越，易护理[12]。同 PU/PVDF系复合织物1#～3#和PU/FPU系复合织物4#～6#的硬挺度相差不大，但纺丝液浓度对硬度影响较大，纺丝时应注意纺丝液浓度的变化对电导率和黏度值的影响。观察是否会出现因电导率下降而减弱射流受电场的拉伸作用，或因纺丝液浓度的升高导致分子链缠结增加，导致纤维直径增加而出现织物硬度增大的现象[13]。

③由PU/PVDF系复合织物1#～3#和PU/FPU系织物4#～6#可知，纬向成形因子得分均是先增大后减小，即PU∶PVDF为7∶3、PU∶FPU为10∶2时为最佳适纺配比，此时，静电纺膜分布均匀，各向异性、力学性能良好，能够较好地成形，在平面内受力时变形倾向的量度小，不易起皱或起鼓。

④由PU/FPM系复合织物7#～9#可知，随着氟橡胶含量的增加，织物的丰满因子f4得分下降，这是因为氟橡胶有压缩易变形点，尺寸稳定性差的特点，PU含量的增加可以一定程度上降低纤维膜的收缩，从而保证了织物的丰满性。

⑤观察硬度因子f2和经向弯曲因子f5，二者的变化规律大致相同，因为硬度因子中包含纬向弯曲刚度和纬向弯曲长度2个指标，可知在复合织物中，纳米静电纺膜均匀分布，受力方向各向同性，提高了织物的弯曲性能。

2.2 疏水性能分析

混纺改性后的PU/PVDF系、PU/FPU系和PU/FPM系复合织物的静态水接触角见图1。

图1 高聚物不同质量比时复合织物的水接触角

由图1可以看出，织物接触角分别达到130.2°、135.6°、137.4°，132.5°、136.2°、137.3°和131.5°、135.6°、139.5°。通过混纺含氟高聚物，复合织物对水的接触角有了显著提高，表面能降低，纤维表面氟元素含量逐渐升高，表面能逐渐降低，表现出复合织物优异的疏水性能，其中氟橡胶的复合织物疏水性能相对最优。

根据表6和图1分析得出：随着聚氨酯含量的减少，复合织物的拉伸因子呈下降趋势，但接触角均有显著上升，说明氟基团具有极强的疏水性能，同时，氟基团使含氟高聚物化学键的自由旋转能大为增加，使氟碳弹性分子的刚性增强，柔性下降[14]。

3 结 论

①纳米防水透湿复合织物的服用性能与拉伸因子、硬度因子、纬向成形因子、丰满因子和经向弯曲因子这5个主因子密切相关。在纺丝参数基本相同的情况下，高聚物类型和纺丝液浓度对服用性能影响较大。氟橡胶/聚氨酯复合膜整体性能更为优异，适宜制备防水服装。

②复合静电纺纤维膜对织物力学性能有一定影响，同时静电纺纤维均匀分布，受力方向各向同性，复合织物经纬向受力差异变小。

③含氟基团的引入可以有效提升复合织物的疏水性能，接触角都在130°以上，可满足织物的功能性要求。