PU 合成革面料易清潔性能的構建研究

趙 綺，石 磊，鐘 齊，方 政

（1.嘉興職業技術學院，浙江 嘉興 314000；2.浙江禾欣科技有限公司，浙江 嘉興 314000；3.浙江理工大學，浙江 杭州 310018）

PU 是英文polyurethane 的縮寫，化學中文名稱為“聚氨酯”。PU 合成革就是聚氨酯成分的表皮。由于制備容易，成本低，合成皮革被廣泛應用于人們的日常生活中，如衣服、包、鞋、家具和車輛。在這些人造皮革中，PU（聚氨酯）具有多種優點，外觀、功能以及手感與真皮相近。因此,越來越多的PU 被用于代替真皮[1]。其應用范圍之廣，數量之大，品種之多，是傳統的天然皮革無法比擬的。

1 PU 合成革的應用過程中存在的問題與擬解決方法

1.1 存在的問題分析

由于PU 革應用非常廣泛，除了使用在服裝和箱包的生產上，還涉及到汽車內飾（例如座椅、方向盤、車把手等）、運動材料（如運動鞋）以及家具材料（如沙發）等生活的多個領域，非常容易沾染各種污漬。而PU合成革面料本身難以機洗，就產生了易臟難洗的問題。目前其已成為PU 革面料待解決的問題之一。一般PU 革面料污漬的去除需要消耗大量的化學助劑（清潔劑）和媒介（水），不利于構建綠色低碳社會。因此很有必要開發一種更易清潔（例如通過簡單地擦拭即能去除污漬）的新型PU 合成革，滿足市場需求。隨著人們生活節奏的加快，新型的智能清潔紡織品能夠提高人們生活的質量，故具備較好的研究意義[2-3]。

1.2 擬解決方法

針對PU 合成革的優化，目前主要是通過聚氨酯改性來實現。例如增強材料的疏水性，使面料不易被沾污；或增加材料的親水性，使其污漬更易被除去。如果PU 合成革材料能同時具有親水性和疏水性，則可兼具在日常使用中的抗污效果和易清潔能力。但是由于親水性和疏水性是相互對立的，在實際生產應用中不易實現兼具兩種性能的情況。針對這一問題，研究通過引入溫敏聚合物，在PU 合成革表面構建易清潔涂層來解決上面的問題（如圖1）。

圖1 PU 革與溫敏聚合物發生交聯反應

研究利用溫敏聚合物具有親水性和疏水性隨溫度變化的特性，使其最終獲得親水性和疏水性能夠隨外界溫度的變化而智能調整的新性能，實現不同場景（使用和清潔）不同的表面性質，最終實現清潔效果提升和日常維護便捷的目標。原理如圖2 所示。

圖2 溫敏聚合物實現易清潔性能

在前述基礎上，通過引入光催化劑g-C3N4，利用其在光照條件下可產生自由基分解有機物的特性，可以有效增強含復合水凝膠涂層的PU 合成革對于水性污漬的去除效果。通過對g-C3N4的聚集態結構調控，可在復合水凝膠表面構筑具有微納結構的g-C3N4聚集體，進一步增加g-C3N4和污漬的接觸面積，使其清潔效果進一步提升。

2 PU 合成革面料易清潔性能構建實驗

2.1 實驗原料與試劑

使用的原料及來源：聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（OEGMA300，純度95%）、丙烯酰胺（AAm，AR）、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺（TEMED，AR）、阿拉伯膠（GA，醫藥級）和過硫酸銨（APS，純度99.99%）購自Aladdin。N,N′-亞甲基雙（丙烯酰胺）（MBA，純度99%）和羅丹明B（RhB，AR）從Macklin 獲得。超纖合成革（PU）從浙江禾欣科技有限公司獲得。

2.2 實驗過程

2.2.1 交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層的超纖合成革制備

交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層的超纖合成革的制備步驟如下。

第一步，將 GA（0.5g）、AAm（5g）、OEGMA300（714μl）、MBA（0.0135g）溶解在去離子水（20mL）中，并在室溫下持續攪拌30min。第二步，將g-C3N4（100 mg）添加到溶液中并用超聲波輻射處理40min。第三步，分別將APS（40 mg）和TMEDA（40 μL）作為氧化還原引發劑加入燒杯攪拌8min，待溶液變得粘稠后，將其倒入方形模具中使其發生初步交聯。該模具深度為1mm，此時形成的水凝膠厚度即為1mm。由于重力作用，此時水凝膠上、下表面的g-C3N4含量不同，故將其標記為上表面（Front）和下表面（Back）。第四步，將其貼附于經氧等離子體活化處理（處理條件為：工作氣體為O2、功率為40W、時間為5min、工作壓強為5KPa）后的超纖合成革表面，置于50℃的烘箱中靜置5min，以實現復合水凝膠涂層和預處理后的超纖合成革的交聯。

2.2.2 性能測試與表征

SEM 測試：采用美國Zeiss UK 公司Gemini SEM500 型掃描電子顯微鏡測試預處理后的超纖合成革，交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層的超纖合成革的表面形態。

ATR-FTIR 測試：采用德國布魯克公司Vertex 70型紅外光譜儀測試交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層的超纖合成革的表面化學組成和結構特征，掃描波數范圍設置為500～4000cm-1。分辨率和掃描時間分別設置為4cm-1和32s。

DSC 測試：采用美國TA Instruments 的Q2000 型差示掃描量熱儀來測定交聯涂層的LCST。升溫范圍：30℃～100℃，升溫速率：3℃/min，干燥氮氣氛。

污漬清除測試：采用美國DC600 型測色配色儀來測定交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層的超纖合成革表面沾污后，清除過程中的顏色變化。污漬由羅丹明B（RhB）和植物油混合制備獲得。RhB 的去除率（DERhB）可用公式（1）計算獲得：RhB conversion（%）=（1-K/Smax-t/K/Smax-0）×100%（1）

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層轉變溫度測試

由圖3 的測試結果可知，轉變溫度為70.32℃。

圖3 轉變溫度分析

2.3.2 PU 合成革表面電鏡掃描（SEM）結果

PU 合成革交聯P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復合水凝膠涂層前后，上下表面的電鏡掃描形態如圖4所示，可以看到在重力作用下g-C3N4會發生沉淀，故下表面(Back)的g-C3N4含量較上表面（Front）的更高，能夠明顯看到下表面(Back)具有更多的g-C3N4聚集顆粒。

圖4 PU 合成革SEM 測試結果

2.3.3 PU 合成革清潔性測試

水性污漬（羅丹明B）清潔性能測試如下，從圖5～7 所示結果可以看出，對于水性污漬而言，由于下表面（Back）的g-C3N4含量更高，在相同光照時間內能夠產生更多數量的自由基，故其分解有機物的能力更強，使其與上表面（Front）相比，具有更好的清潔性能。

圖5 水性污漬自清潔去除效果照片

圖6 去除水性污漬K/S 值變化

圖7 水性污漬在180 min 內總去除率

通過不同溫度（30℃和50℃）下，PU 合成革上下表面水性污漬的去除率（圖8）可以看出，兩種情況下PU合成革都具有良好的自清潔效果，且在較高溫度下（50℃），自清潔效果更佳。主要的原因是在溫度較高的情況下，溫敏聚合物更接近其轉變溫度，因此其疏水性更強，使得水性污漬的附著能力進一步降低，清潔效果更好。

圖8 不同溫度下水性污漬的去除率

2.3.4 油性污漬清潔性能測試

油性污漬（尼羅紅）自清潔性去除效果如圖9 所示。圖10 是上表面（back）和下表面（Front）交聯的超纖合成革，在被含尼羅紅的油污沾污后（黑色）和用25℃去離子水沖洗30s 后（白色）的K/S 值相對于初始態的超纖合成革的K/S 值的變化量。

圖9 油性污漬自清潔去除效果照片

圖10 油性污漬去除⊿K/S

根據測試結果可以看出，對于油性污漬而言g-C3N4含量較高時，其清潔性能較好。主要的原因也是由于較多的g-C3N4能夠產生更多的自由基，實現對污漬的有效分解。

3 結語

通過本研究可以發現，在PU 合成革表面引入溫敏聚合物基礎上，添加光催化劑g-C3N4，通過兩者的綜合作用，可以增加PU 合成革對于水性、油性兩類污漬的去除效果，有效提升PU 合成革的易清潔性能，可以很好解決PU 合成革產品使用過程中容易沾染污漬的問題。