纳米纤维防水透湿膜的可控制备及其特异化输运机理研究

The poor performance of waterproof breathable fibrous membranes can hardly fulfill the requirements of outdoor clothing in severe weather. Herein, we will study the internal relation between microstructure and performance of the fibrous membranes, reveal the waterproof breathable mechanism of the membranes, to improve the waterproof and breathable properties. Previously, we already prepared a waterproof and breathable nanofibrous membrane via electrospinning.The nanofibrous membranes possess net-like adhesion structure with high porosity, the unique three dimensional interconnected tortuous tunnels can obviously improve the water resistance and vapor transmission, however, the performance can not meet the practical application requirements. In this work, we will study the specific transportation mechanism of the nanofibrous membranes. The detailed process listed as follows, investigating the structure-activity relationships between microstructure of the tortuous tunnels and performance, revealing the influence of solution characteristic and process parameters on the formation of net-like adhesion structures, illuminating the specific transportation mechanism of vapor and water in the tortuous tunnels, clarifying the bulk structure features of the waterproof and breathable membranes with the best application performance, achieving the target of hydrostatic pressure over 100 kPa and water vapor transmission over 11500 g/m2/d, to fulfill the practical applications in outdoor clothing.

纤维基防水透湿膜材料普遍存在耐水压和透湿通量偏低的缺陷，难以满足恶劣天气下户外服装的性能要求，本项目拟研究纤维膜微观结构与应用性能间的内在关联，揭示纤维膜的防水透湿机理，从而提升其防水和透湿性能。近期申请者利用静电纺丝技术制备出一种纳米纤维基防水透湿膜，该纤维膜具有高孔隙率的网状互粘结构，其独特的三维曲孔通道能同时提高耐水压和透湿通量，但其现有性能仍未达到实际应用要求。本项目将开展纳米纤维膜特异化输运机理的研究，考察三维曲孔通道微观结构与防水透湿性能间的构效关系，揭示原液特性与加工参数对网状互粘结构成型的影响规律，阐明曲孔通道对汽/液介质的特异化输运机制，明晰纳米纤维防水透湿膜应用性能达到最佳协同模式时所应具有的本体结构特征，实现其耐水压超过100kPa、透湿通量超过11500g/m2/d的目标，以满足其在户外服装领域的应用要求。

穿着兼具防水和透湿功能的服装已成为人们抵御暴雨、严寒等恶劣天气的重要方式之一。然而，现有纤维基防水透湿膜材料普遍存在耐水压和透湿通量偏低的不足。本项目“纳米纤维防水透湿膜的可控制备及其特异化输运机理研究”旨在考察纺丝原液性质及加工参数对纳米纤维膜网状互粘结构的影响，揭示汽/液介质在纳米纤维膜中的特异化输运机理，实现纳米纤维防水透湿膜的可控制备及其在户外服装领域的实际应用。项目执行期间主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）从聚合物溶液本体特性和加工参数出发，研究了溶液浓度、溶剂种类及比例、电导率、环境湿度和纺丝时间对网状互粘结构成型过程的影响规律,掌握了可控制备网状互粘结构的科学方法，实现了纤维膜网状互粘结构的精确调控；（2）探索了液态水在纤维膜内部曲孔通道中的渗透机理，利用毛细管渗透原理和杨-拉普拉斯方程，揭示了纤维膜的孔道结构与表面润湿性对耐水渗透性能的影响规律；同时，基于菲克扩散理论分析了水蒸气在纤维膜内部孔道中的传递原理，阐明了汽/液介质在纤维膜三维曲孔通道中的特异化输运机制，获得了纳米纤维膜本体结构与其防水透湿性能之间的内在关联；（3）制备了具有不同本体结构（孔道尺寸、厚度、孔隙率、表面润湿性）的氟化聚氨酯、聚偏氟乙烯、氟化聚氨酯/碳纳米管复合纤维膜纳米纤维膜，并通过对纳米纤维膜本体结构的不断优化，最终实现了耐水压超过100kPa、透湿通量超过11.5kg/m2/d的目标。经过四年的研究，现已顺利完成任务书中规定的任务，项目执行期间在Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Inter. 等杂志发表SCI论文23篇，申请国家发明专利16项，其中已获授权5项，共培养研究生9名，其中博士4名，硕士5名，本项目的完成对实现纳米纤维防水透湿膜的可控制备及其在户外服装领域中的应用具有重要意义。