智能熱敏聚氨酯在滲透材料中的應用

2020-12-01 全球紡織網

　　智能熱敏聚合物是一種能夠對外界溫度的變化發生預定響應的高分子材料，也就是說，外界溫度的變化促使聚合物的微觀結構發生預定的響應，從而使聚合物特定的宏觀性能隨之發生相應的變化。屬於智能材料的一種。智能熱敏聚合物是一種聚氨酯材料，其智能熱敏性表現在；當外界溫度發生變化時，其透溼性能也發生相應的變化，尤如人體皮膚一樣，能隨著外界溫溼度的改變而調節。特別是，通過分子設計，可以將透氣性能發生變化的溫度段控制在室溫範圍內，更加拓展了智能熱敏聚氨酯在紡織、醫藥、環境保護等領域的應用。

　　智能熱敏聚氨酯的研究和發展1992年，Horii等人在日本申請專利，聲稱發明了一種聚氨酯高聚物，具有0～60℃的玻璃化轉變溫度，製成薄膜用於紡織品，可在玻璃化轉變溫度段通過調節透溼量來控制身體汗液向外界的蒸發量。這是至今所發現的有關智能熱敏聚氨酯的第一個公開報導。

　　1993年，其中一位發明人，三菱重工（MHI）的Hayashi在JournalofcoatedFabrics上發表文章介紹了一些高透溼聚氨酯材料的微觀結構，並測試了材料的透溼性能，結果在10～40℃的溫度範圍內，該材料的透溼量隨溫度增加了近3倍。作者的解釋是：當溫度升高至在玻璃化轉變溫度時，由於分子鏈微布朗運動驟然加劇，導致自由體積急劇增大，從而為水蒸汽的通過提供更多的途徑，致使該聚氨酯材料透溼量迅速增加；而當溫度降低到Tg以下時，分子鏈微布朗運動減慢，該材料的透溫量就會隨之減小。因此賦予了該材料透溼性能隨外界溫度的變化而變化的智能特性。

　　1998年，Diaple公司，MHI在美國紐約成立的公司，宣稱開發了用作室外服裝的智能織物。該織物複合了一層極薄的無孔的聚合物膜，低溫時該聚合物的分子鏈排列緊密，能夠阻止人體內水蒸汽和熱量的向外傳遞，因而達到了保暖的作用；當溫度升高到預定的範圍時，分子鏈運動驟然加劇，導致自由體積急劇增大，從而為人體內水蒸汽和熱量的排出提供更多的機會，這樣就有助於防止在服裝內的微環境中產生不舒適和發粘的感覺。

　　2001年3月，美國軍隊的士兵及生化實驗室宣稱設計了一種陸海兩棲服裝。在水裡，該服裝可隔絕水接觸到皮膚並保持體溼，一旦脫離水，該服裝特殊的微觀結構的變化又可使汗液及時排出。這是智能熱敏聚氨酯的又一個應用報導。

　　然而，事情總是在變化的。2002年8月，香港理工大學紡織與製衣學系胡金蓮博士研究小組通過對Diaple織物透溼性能的研究發現，該織物的透溼性能在其Tg範圍內並沒有發生特殊的變化。相反，當我們根據ASTME96－00標準，應用公司計算透溼量，以消除蒸汽壓隨溫度的增加而增加對透溼性能的影響時，發現，織物的透溼量隨溫度的增加呈略微下降的趨勢。

　　緊接著，2002年10月，美國軍隊士兵系統中心的Gibson博士在美國纖維學會上報導了和我們相同的結論。測試結果他認為，包括Diaplex織物、Gore－tex織物在內的多種織物的透溼量均未隨溼度的變化發生特殊的轉變。

　　然而，智能熱敏聚氨酯研究工作並未到此為止。2002年10～12月，經過多方的通力合作，胡金蓮博士研究小組依據自由體積的原理重新設計了聚氨酯材料分子結構，合成了新型聚氨酯材料，經測試發現，該材料具備了智能熱敏的特性，即：其透溼量在設計溼度段隨溼度的變化發生了特殊的轉變。透溼量在10～40℃的溫度範圍內隨溫度增加3～5倍。

　　智能熱敏聚氨酯材料的應用前景事實上，三菱重工和美國軍方給我們提供了很好的應用思路，智能熱敏聚氨酯在紡織領域將有廣泛的用途。採用這種智能熱敏聚氨酯生產智能防水透溼織物，不僅可使穿著者更加適應各種戶外環境，而且可以減少由於微孔而在使用過程中產生微孔阻塞等缺點。

　　此外，經測試，該材料自由體積在室溫下的變化範圍為4.95—5.75A，應當在醫藥、分離／過濾工業領域與環境保護等方面有更大的應用。例如，在醫藥領域，可用作智能藥物包覆膜，實現藥物的定向釋放。即利用體內患處的溫度一般會高於其它正常部位這一特點，常溫下，藥品從包覆膜內穿出的速率很低，當進入患區時，升高的溫度將導致藥品從包覆膜內穿出速率的明顯增加，從而可使大多數藥品直接進入患處。這將有利於提高藥效，並避免藥物對人體其它健康部位產生不利影響。在分離／過濾領域，智能聚氨酯膜也應有大量的應用。 作者單位：香港理工大學紡織及製衣學系

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