专利名称：一种环境响应性智能纺织面料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纺织面料及其制备方法，特别是涉及一种环境响应性智能纺织面料及其制备方法。
背景技术：
传统的服装主要是通过控制人体与外界环境之间的热辐射、热传导和热对流来达到维持体内正常温度的目的，这是服装最基本也是最原始的御寒功能。自古以来，服装用纺织品的性能几乎完全取决于纤维原料自身的性质，因而服装长期未能摆脱单一的御寒保温功能。然而，从20世纪70年代末，尤其是80年代初以来，随着生活水平的提高，人们对服装的认识及要求有了很大的改变，并且逐步转变成对服装的“舒适性”、“功能性”及“智能性”的追求，服装生理学和功能、智能纺织品的概念开始引入市场，给传统的纺织品市场带来了生机，并受到国际纺织业的关注。其中智能纺织品是近些年来出现的纺织新品种，其具有对外界刺激的感知和反应能力，并且具有能够适应外界环境的能力，是机敏材料与纺织品的有机结合，同时也是传统的纺织服装技术与材料科学、仿生科学、传感技术、通讯技术、人工智能、生物技术和先进的加工工艺有机的结合。由于智能纺织品能够通过对外界刺激的感应来改变其性质，从而给纺织品带来新的益处，所以又被称为“能独立思考的纺织品”。其中一种智能纺织品是将体积溶涨材料与传统纺织物相结合而制成的智能纺织面料。体积溶涨材料能够在外界环境因素(如光、电场、磁场、外加应力、温度、pH值、溶剂、电解质、特异化学物质等)的刺激下使其体积发生可逆的突跃性变化，溶涨比可达上千倍。这类材料的典型代表是高聚物水凝胶。这种水凝胶是由高聚物的三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系，其交联网络上分布着大量的极性、亲水等基团(如酰胺基、羧基、磺酸基等)，因此该水凝胶具有亲水性。当将其放入水中时，由于水分子能够扩散到水凝胶体内，从而使三维网络舒展开而发生溶涨现象。另外，由于其交联结构是由具有较高强度的共价键形成，所以其不溶于水。近年来的研究表明，当水凝胶所处环境中的刺激因素，例如温度、pH值、离子强度、电场、介质、光、应力、磁场等发生变化时，其可发生可逆的、不连续的突跃性体积变化，从而使体积骤然发生溶涨或收缩，而且溶涨比的范围从几倍、几十倍到成百上千倍，故这种水凝胶又称为环境敏感性水凝胶或刺激响应性水凝胶。高聚物水凝胶通常分为一元单体均聚水凝胶和多元单体共聚水凝胶。其中一元单体均聚水凝胶多因一元单体结构及性能上的缺陷或不足而使聚合而成的水凝胶综合性能差，所以相对多元单体共聚水凝胶而言在很多领域的应用受到限制。因而，如何将上述环境响应性多元智能凝胶与纺织品相结合，利用智能凝胶对外界环境的响应特性，将其接枝到纺织品上而生产出一种透湿性、透气性、静水压等服用指标可随外界环境因素(如温度、pH值等)的变化而自动进行调节的智能纺织品一直是科学工作者努力的方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种当浸入水中后，其纱线及纤维间的孔隙能够由吸水后溶涨的凝胶封堵住，从而阻止水向面料内部渗透，且封堵的程度可随外界环境的温度和pH值的变化而变化，因此能够使透湿性、透气性、静水压等服用指标得到智能调节的环境响应性智能纺织面料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的环境响应性智能纺织面料是将经过氩气微波低温等离子体进行引发处理而在表面产生自由基的纺织物加入到含有N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)交联剂的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)的二元单体溶液中进行接枝聚合反应，其浴比为1∶40(织物重量∶溶液重量)，以使产生的P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶接枝在纺织物的纤维大分子上而制成。
所述的纺织物为棉织物和涤棉织物。
所述的棉织物和涤棉织物的氩气微波低温等离子体引发是在真空度为2Pa的等离子发生器中注入氩气，于氩气压力分别为45～150Pa和45～250Pa，放电功率为150～250W的条件下分别对棉织物和涤棉织物进行5～10分钟和4～8分钟的处理而完成。
所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)二元单体溶液是将由AMPS和NIPA单体以1～2∶1～2的摩尔比组成的混合物用与AMPS等摩尔的氢氧化钠进行中和，然后加入到占单体混合物摩尔量0.5～2％作为交联剂的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)水溶液中而制成，并在应用于棉织物和涤棉织物时使单体混合物和交联剂的总重量分别占水溶液总重量的15～30％和15～35％。
本发明提供的环境响应性智能纺织面料制备方法是按照下列步骤顺序进行(1)纺织物预处理将棉或涤棉织物置于浓度为2g/l，温度为50℃的皂液中浸泡30分钟，而后用清水反复冲洗干净并熨干；(2)氩气微波低温等离子体引发将上述洗净后的棉或涤棉织物进行称重，然后将其平行放入等离子体反应发生器内距磁控管约1cm处，将系统抽真空至2Pa后注入氩气，再抽真空—注入氩气，反复进行三次，之后缓慢通入氩气，在氩气压力分别为45～150Pa和45～250Pa，放电功率为150～250W的条件下对棉和涤棉织物分别处理时间5～10分钟和4～8分钟，以对棉或涤棉织物进行氩气微波低温等离子体引发而在其表面产生自由基；
(3)接枝聚合将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体以1～2∶1～2的摩尔比在容器中混合后用与AMPS等摩尔的氢氧化钠进行中和，然后加入占单体混合物摩尔量0.5～2％作为交联剂的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)水溶液而制成二元单体溶液，并在应用于棉织物和涤棉织物时使单体混合物和交联剂的总重量分别占水溶液总重量的15～30％和15～35％，通入氮气驱氧，而后立即将上述经过微波低温等离子体引发的棉或涤棉织物放入上述二元单体溶液中进行接枝聚合反应，其浴比为1∶40，继续通入氮气进行保护，直到体系粘度开始增大，立即将容器密闭并置于30～35℃的水浴中聚合24小时以使产生的P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶接枝在纺织物的纤维大分子上；(4)后处理将上述接枝后的纺织物表面附着的凝胶去除，然后用蒸馏水冲洗并且浸泡一周，其间反复清除织物表面的凝胶，最后在50℃的真空干燥箱内烘干并称重即可制得本发明提供的环境响应性智能纺织面料。
本发明提供的环境响应性智能纺织面料是采用微波低温等离子体引发接枝聚合的方法将P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶接枝到经过氩气微波低温等离子体引发处理而在表面产生自由基的纺织物上。这种智能纺织面料平时处于干态时与普通织物没有任何区别，织物上存在的大量孔隙使其具有良好的透气性，可散发出人体的汗气，从而能够满足服用舒适性的要求；但当遇到水时，织物上的凝胶就会产生响应，即通过吸水溶涨发生体积相变而将织物纤维、纱线间的孔隙堵塞、封闭，从而降低织物的透水、透气性，并能阻止外部水分渗透到织物里层和防止体内热量向服装外部扩散，因此能够局部恒温；而当将织物晾干时，凝胶失水，织物又恢复到原来的状态，因此可用于制作军用抗浸服、蓄热调温特种服装以及隔热防护服等。此外，该制备方法具有工艺过程简单、产品接枝率高、聚合时间短、聚合度大、节能节水及环保等特点。
具体实施例方式
本发明采用的微波低温等离子体引发接枝聚合方法是利用惰性气体的微波低温等离子体对织物进行引发处理，从而使织物的表面活化而生成大量的自由基，该自由基在室温下能够与AMPS和NIPA二元单体进行接枝聚合，可以获得较高的接枝率。另外，通过接枝聚合生成的P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶兼有PAMPS和PNIPA的特性，既具有很高的吸水能力和溶涨比，又具有温度和pH值响应能力在酸性和碱性条件下体积均有所下降，特别是在强酸和强碱溶液中出现较强烈的体积收缩现象，从而显示出良好的pH值敏感性。另外，该凝胶属于热缩型凝胶，其溶涨体积随环境温度的升高而减小，并在39℃左右时出现明显的体积相转变，体积突变最高达几百倍，因此具有良好的温度敏感性。
下面结合具体实施例对本发明提供的环境响应性智能纺织面料及其制备方法进行详细说明。下面实施例中所用的纺织面料为针织棉织物和针织涤棉织物，规格分别为18tex，300克/平方米和18tex，250克/平方米。
实施例1将15cm×15cm的棉织物置于浓度为2g/l，温度为50℃的皂液中浸泡30分钟，而后用清水反复冲洗干净并熨干；将上述洗净后的棉织物平行放入等离子体反应发生器内距磁控管约1cm处，将系统抽真空至2Pa后注入氩气，再抽真空—注入氩气，反复进行三次。之后缓慢通入氩气，最后在45Pa的氩气压力及200W的放电功率下对棉织物处理8分钟，以对棉织物进行氩气微波低温等离子体引发而在其表面产生自由基；将摩尔比为1∶1的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体，即43.241克AMPS和23.6156克NIPA在容器中混合后用8.3477克的氢氧化钠进行中和，然后加入占单体混合物摩尔量1％即0.6435克的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)水溶液和194.1523克水而制成二元单体溶液，此时单体混合物和交联剂的总重量占水溶液总重量的25％，通入氮气驱氧，而后立即将上述经过微波低温等离子体引发的棉织物放入上述二元单体溶液中进行接枝聚合反应，继续通入氮气进行保护，直到体系粘度开始增大，立即将容器密闭并置于30℃的水浴中聚合24小时以使产生的P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶接枝在棉织物的纤维大分子上；将上述接枝后的棉织物表面附着的凝胶去除，然后用蒸馏水冲洗并且浸泡一周，其间反复清除织物表面的凝胶，最后在50℃的真空干燥箱内烘干并称重即可制得本发明提供的环境响应性智能纺织面料。
本发明提供的环境响应性智能纺织面料是以接枝后和接枝前纺织物的重量差占接枝前纺织物重量的百分比计算出的增重率来表示接枝率，本实施例中的环境响应性智能纺织面料增重率为32。
实施例2将实施例1中氩气微波低温等离子体引发时的氩气压力变为60Pa，同时将单体混合物和交联剂的总重量占水溶液的总重量变为15％，，即AMPS和NIPA的加入量分别变为25.9446克和14.1693克，氢氧化钠加入量变为5.0086克，Bis加入量变为0.3861克，需水224.4914克，其它条件不变，接枝聚合后的环境响应性智能纺织面料增重率为40。
实施例3将实施例1中氩气微波低温等离子体引发时的氩气压力变为60Pa，同时将Bis占单体混合物的摩尔量变成0.5％，即AMPS和NIPA的加入量分别变为43.448克和23.7287克，氢氧化钠加入量变为8.3877克，Bis加入量变为0.3233克，需水194.1123克，其它条件不变，接枝聚合后的环境响应性智能纺织面料增重率为45。
实施例4将实施例1中的棉织物变成涤棉织物，氩气微波低温等离子体引发时的放电功率、氩气压力和处理时间分别变为150W、90Pa和5分钟，聚合时的水浴温度变成35℃，即AMPS和NIPA的加入量分别变为18.18克和14.8934克，氢氧化钠加入量变为3.5097克，Bis加入量变为0.6764克，需水187.7403克，其它条件不变，接枝聚合后的环境响应性智能纺织面料增重率为30。
实施例5将实施例4中氩气微波低温等离子体引发时的放电功率、氩气压力和处理时间分别变为200W、65Pa和7分钟，同时将单体混合物和交联剂的总重量占水溶液的总重量变为15％，将AMPS与NIPA的摩尔比变为2∶1.5，即AMPS和NIPA的加入量分别变为23.7237克和9.7173克，氢氧化钠加入量变为4.5799克，Bis加入量变为0.3089克，需水186.6701克，其它条件不变，接枝聚合后的环境响应性智能纺织面料增重率为25。
实施例6将实施例4中氩气微波低温等离子体引发时的放电功率、氩气压力和处理时间分别变为150W、45Pa和7分钟，将单体混合物和交联剂的总重量占水溶液的总重量变为15％，将AMPS与NIPA的摩尔比变为1∶2，同时将Bis占单体混合物的摩尔量变成0.5％，即AMPS和NIPA的加入量分别变为16.0452克和17.5258克，氢氧化钠加入量变为3.0975克，Bis加入量变为0.1791克，需水188.1525克，其它条件不变，接枝聚合后的环境响应性智能纺织面料增重率为32。
以上各智能纺织面料的体积相变温度均在40℃左右，并具有很好的pH敏感性。同时，为了验证本发明提供的环境响应性智能纺织面料的抗静水压性能，本发明人对上述棉织物及涤棉织物经微波低温等离子体引发接枝AMPS/NIPA二元单体后制成的环境响应性智能纺织面料进行了静水压测试，结果表明与未接枝的棉织物和涤棉织物静水压(均为0Pa)相比，接枝棉织物的静水压最大可提高到35.39KPa，涤棉织物的静水压最大可提高到58.76KPa，说明接枝棉织物和涤棉织物即本发明提供的环境响应性智能纺织面料具有很高的抗静水压性能。
权利要求
1.一种环境响应性智能纺织面料，其特征在于所述的环境响应性智能纺织面料是将经过氩气微波低温等离子体进行引发处理而在表面产生自由基的纺织物加入到含有N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)交联剂的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)的二元单体溶液中进行接枝聚合反应，其浴比为1∶40，以使产生的P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶接枝在纺织物的纤维大分子上而制成。
2.根据权利要求1所述的环境响应性智能纺织面料，其特征在于所述的纺织物为棉织物和涤棉织物。
3.根据权利要求2所述的环境响应性智能纺织面料，其特征在于所述的棉织物和涤棉织物的氩气微波低温等离子体引发是在真空度为2Pa的等离子发生器中注入氩气，于氩气压力分别为45～150Pa和45～250Pa，放电功率为150～250W的条件下分别对棉织物和涤棉织物进行5～10分钟和4～8分钟的处理而完成。
4.根据权利要求1所述的环境响应性智能纺织面料，其特征在于所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)二元单体溶液是将由AMPS和NIPA单体以1～2∶1～2的摩尔比组成的混合物用与AMPS等摩尔的氢氧化钠进行中和，然后加入到占单体混合物摩尔量0.5～2％作为交联剂的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)水溶液中而制成，并在应用于棉织物和涤棉织物时使单体混合物和交联剂的总重量分别占水溶液总重量的15～30％和15～35％。
5.一种如权利要求1所述的环境响应性智能纺织面料的制备方法，其特征在于所述的环境响应性智能纺织面料的制备方法是按照下列步骤顺序进行(1)纺织物预处理将棉或涤棉织物置于浓度为2g/l，温度为50℃的皂液中浸泡30分钟，而后用清水反复冲洗干净并熨干；(2)氩气微波低温等离子体引发将上述洗净后的棉或涤棉织物进行称重，然后将其平行放入等离子体反应发生器内距磁控管约1cm处，将系统抽真空至2Pa后注入氩气，再抽真空—注入氩气，反复进行三次，之后缓慢通入氩气，在氩气压力分别为45～150Pa和45～250Pa，放电功率为150～250W的条件下对棉和涤棉织物分别处理时间5～10分钟和4～8分钟，以对棉或涤棉织物进行氩气微波低温等离子体引发而在其表面产生自由基；(3)接枝聚合将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体以1～2∶1～2的摩尔比在容器中混合后用与AMPS等摩尔的氢氧化钠进行中和，然后加入占单体混合物摩尔量0.5～2％作为交联剂的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)水溶液而制成二元单体溶液，并在应用于棉织物和涤棉织物时使单体混合物和交联剂的总重量分别占水溶液总重量的15～30％和15～35％，通入氮气驱氧，而后立即将上述经过微波低温等离子体引发的棉或涤棉织物放入上述二元单体溶液中进行接枝聚合反应，其浴比为1∶40，继续通入氮气进行保护，直到体系粘度开始增大，立即将容器密闭并置于30～35℃的水浴中聚合24小时以使产生的P(AMPS/NIPA)二元智能凝胶接枝在纺织物的纤维大分子上；(4)后处理将上述接枝后的纺织物表面附着的凝胶去除，然后用蒸馏水冲洗并且浸泡一周，其间反复清除织物表面的凝胶，最后在50℃的真空干燥箱内烘干并称重即可制得本发明提供的环境响应性智能纺织面料。
全文摘要
一种环境响应性智能纺织面料及其制备方法。智能纺织面料是将经过氩气微波低温等离子体引发处理而在表面产生自由基的纺织物加入到含有N，N’－亚甲基双丙烯酰胺交联剂的2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸和N－异丙基丙烯酰胺的二元单体溶液中进行接枝聚合反应，其浴比为1∶40，以使产生的二元智能凝胶接枝在纺织物的纤维大分子上而制成。该纺织面料平时处于干态时与普通织物没有区别，但遇水时织物上的凝胶就会吸水溶涨而将织物纤维间的孔隙堵塞，从而降低织物的透水、透气性，并能阻止外部水分渗透到织物里层和防止体内热量向外扩散，因此可用于制作军用抗浸服、蓄热调温特种服装以及隔热防护服等。
文档编号D06M14/32GK1844553SQ20061001363
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月11日 优先权日2006年5月11日
发明者马晓光, 杨文芳, 崔桂新, 董绍伟 申请人:天津工业大学