一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属静电喷射技术领域，涉及一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜及其制备方法，特别是涉及一种利用反向气流喷吹辅助成网的静电喷射乳液制备纳米蛛网防水透湿膜的加工技术。
【背景技术】
[0002]人们在户外环境中难免遭遇暴雨、严寒等恶劣天气，传统服装易被雨雪浸湿且存在汗液难以及时排出的缺陷，会产生粘湿、寒冷等不适感甚至引起冻伤等伤害，因此穿着兼具防水和透湿(排汗)功能的服装已成为抵御恶劣天气的重要途径之一。防水透湿微孔膜作为防水透湿功能服装的核心材料，要求其具有较小的孔径(以保证较好的防水性)和较高的空隙率(以保证较高的透湿)。静电纺纤维膜以其纤维直径小、孔径小、孔隙率高等结构优势，在高性能防水透湿微孔膜加工领域具有巨大的应用潜力。目前公开的静电纺纤维基防水透湿微孔膜的技术包括:一种透气不透水聚氨酯纳米纤维膜的制备方法(CN102517794A)、一种高效防水透湿面料及其制备方法(CN102632648A)、一种防水透湿多功能复合微/纳米面料及其制备方法(CN103388265A)、防水透湿织膜的制备方法、防水透湿织物及其制备方法(CN103437072A)、一种防水透湿复合膜及其制备方法(CN103963393A)等都是将聚合物溶液进行静电纺丝，其制备的纤维膜中孔径和孔隙率依然较低并且难以控制，导致防水透湿性能均较低(耐水压< 40kPa，透湿通量< 9000g/m2/d)，从而限制了静电纺纤维基防水透湿膜的应用性能。
[0003]而近期被发现的纳米蛛网是一种新颖的静电纺纤维结构，该结构通常存在于超细静电纺纤维支架之间，是具有类似于蜘蛛网、肥皂泡结构的二维网状纤维膜材料，网中纤维的平均直径为5?30nm，孔径在20?300nm之间。目前公开的静电纺纳米蛛网的技术包括:专利CN102704028A公开了 “一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法”，其通过配置间位芳纶电纺原料，并将间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，制得间位芳纶纳米蛛网纤维膜。专利CN101564914公开了一种“纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料的制备方法”，其通过配置一定浓度的高分子电纺溶液并进行静电纺丝，纺出的丝用一层基材接收后再覆盖一层顶材，热压得到纳米蛛网/纳米纤维多层复合型防护材料。这些专利都是将聚合物溶液进行静电纺丝，虽制备出直径小、孔径小的蛛网结构，但其制备的网状结构是以纤维为支架且间有纳米蛛网的复合材料，其孔隙率低、覆盖面积小，难以得到完全是蛛网结构的材料，无法满足防水透湿实际应用的需求。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜及其制备方法，特别是提供了一种利用反向气流喷吹为辅助手段的静电喷射乳液制备纳米蛛网防水透湿膜的加工技术，能够制备小孔径、高孔隙率、高覆盖面积(100% )、尺寸可控的具有稳定六边形网孔结构的纳米蛛网防水透湿膜。聚合物乳液在静电喷射的过程中，受到电场力、空气阻力、反向气流阻力、静电斥力和表面张力的综合作用。乳液液滴在高压电场力作用下变形，因表面张力的作用而收缩，受到空气阻力和反向气流阻力的作用而被挤压成薄的液膜，还受到静电斥力的作用而逐渐膨胀，液膜逐渐的变薄并快速的膨胀，最终经相分离分裂成网。通过本发明可以获得尺寸和结构精确可控的纳米蛛网防水透湿膜，从而提高了其在户外运动服装、野战军服等领域的应用能力。
[0005]本发明的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，是在静电喷射过程中，以反向气流在平行于聚合物乳液液滴的喷射方向对液滴进行喷吹，促使液滴在电场中飞行时受力变形形成液膜，进而相分离，在接收基材表面形成纳米蛛网防水透湿膜；所述纳米蛛网防水透湿膜为具有稳定六边形网孔结构的二维网状材料。所得纳米蛛网防水透湿膜的耐水压多120kPa，透湿通量多15000g/m2/d。
[0006]作为优选的技术方案:
[0007]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述反向气流的喷吹流速为I?100m/s。反向气流可由静电喷射箱体的进、出气系统之间的气压差产生。在静电喷射箱体靠近基材的一面有一个进气系统，可作为反向气流喷吹装置(与乳液喷射方向相反)，靠近喷射喷管的一面有一个出气系统。通过调节进、出气系统之间的气压差，可提供具有一定速度(I?100m/s)的反向气流。反向气流的作用是:聚合物乳液在静电场的作用下，会产生大量带电液滴，带电液滴在高电场力的作用下飞向接收极板，静电喷射单元中的进、出气系统之间的气压差所导致的反向气流会对带电液滴产生一个反作用力，使其受到挤压逐渐的由液滴变成液膜，有利于与其他受力一起作用促使液膜分裂成网。
[0008]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述聚合物乳液的性质:质量浓度为2?40%，表面张力范围为10?50mN/m，电导率范围为0.05?1mS/cm。因其乳液性质不同，在喷射过程中乳液液滴所受的作用力也有所不同，因此静电喷射过程中所用的工艺参数(电压和气流喷吹速度)也有所区别:
[0009]当乳液电导率为0.05?4.0mS/cm时，电压为96?120kV ;乳液电导率为4.1?7.0mS/cm时，电压为76?95kV ;当乳液电导率为7.1?10.0mS/cm时，电压为50?75kV。
[0010]当乳液表面张力为10?25mN/m时，气流喷吹速度为I?35m/s ;当乳液表面张力为26?35mN/m时，气流喷吹速度为36?65m/s ;当乳液表面张力为36?50mN/m时，气流喷吹速度为66?100m/s。
[0011]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述聚合物乳液为纯聚合物乳液或含有至少一种无机盐的聚合物乳液。
[0012]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述纯聚合物乳液为聚氨酯乳液、聚丙烯酸酯乳液、有机硅乳液、聚苯乙烯乳液、聚醋酸乙烯乳液、聚乳酸-己内酯乳液、聚乳酸-聚氧化乙烯乳液、聚氨酯-丙烯酸酯共聚乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚乳液、有机硅-丙烯酸酯共聚乳液中的一种或任意几种的组合。所述纯聚合物乳液可通过一种或任意几种乳液的组合来调节乳液性质，不同乳液所含的表面活性剂含量及种类各不同，组合后制得的乳液的表面张力也有一个范围(10?50mN/m)，若乳液的表面张力较小，乳液液滴在电场中飞行时易被拉伸而经相分离成网，因此所需要的气流喷吹阻力较小，对应的气流喷吹速度较小。
[0013]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述含有至少一种无机盐的聚合物乳液为无机盐与纯聚合物乳液的混合物，所述的无机盐为氯化钙、氯化锂、氯化钾、氯化钠、氯化铁、氯化锌、氯化钡、氯化镁、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、硝酸银、硝酸铜、硝酸钠、亚硫酸钠和溴化锂中的任意一种或几种的混合物。无机盐的作用机理为:无机盐添加到聚合物乳液中，这些盐分解生成正离子和负离子，增加了乳液中粒子的数量，从而提高了其电导率。高电导率的聚合物乳液形成的液滴，其受到的电场力作用较大，进而受到的空气阻力的作用也比较大，有利于液滴的受压变形。
[0014]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述无机盐的加入量为所述聚合物乳液总质量的0.01?15% ;配置过程:先将无机盐加入到去离子水中，并超声I?20个小时，然后将纯聚合物乳液加入其中，并用磁力搅拌装置连续搅拌5?24小时，配制成均匀且稳定的乳液。
[0015]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述静电喷射过程的电压为50?120kV，接收距离为10?50cm，灌注速度为0.1?15mL/h，温度15?30°C，相对湿度15?90%。
[0016]如上所述的一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜的制备方法，所述接收基材为织物、金属网、纤维素纸、铝箔或非织造布。
[0017]本发明的纳米蛛网防水透湿膜，为具有稳定六边形网孔结构的二维网状材料，蛛网覆盖面积为100%，结构完整性好，平均孔径为10?200nm，孔隙率多80%。本发明制得的纳米蛛网防水透湿膜可用于制备高耐水压、高透湿的防水透湿膜，在户外运动服装、野战军服等领域具有广阔的应用前景。
[0018]有益效果
[0019](I)不同于传统的静电纺丝所制备的纳米蛛网材料，本发明采用的是静电喷射乳液成网技术，制备的纳米蛛网不是以纤维为支架的、全部是具有稳定六边形网孔结构的，可有效增加蛛网材料的覆盖面积、孔隙率和连通性，可用于制备高耐水压、高透湿的防水透湿膜，在户外运动服装、野战军服等领域具有广泛的应用前景。
[0020](2)本发明有别于传统的静电喷射技术，首次采用反向气流在平行于聚合物乳液液滴的喷射方向对液滴进行喷吹，制备得到具有稳定六边形网孔结构的纳米蛛网防水透湿膜。通过调节静电喷射单元中进、出气系统之间的气压差，产生不同的反向气流速度，并结合乳液液滴其他的受力情况实现对蛛网防水透湿膜覆盖面积、平均孔径和孔隙率的精确调控。
[0021](3)本发明制备的纳米蛛网防水透湿膜，蛛网之间呈现有效的粘结互连，并且可结合聚合物的乳液特性对其形态结构进行调控，具有广泛的实际应用前景。
【附图说明】
[0022]附图为本发明的静电喷射示意图
[0023]图中I为静电喷射箱体；2为高压直流电源；3为静电喷射供液系统及喷射针头；4为接收基材；5为静电喷射液滴；6为进气系统；7为出气系统。
【具体实施方式】
[0024]下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0025]一种静电喷射纳米蛛网防水透湿膜，为具有稳定六边形网孔结构的二维网状材料，蛛网覆盖面积为100%，结构完整性好，平均孔径为10?200nm，孔隙率多80%，所得纳米蛛网防水透湿膜的耐水压彡120kPa，透湿通量彡15000g/m2/d。
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