仿羽绒温敏透湿聚氨酯膜的结构与性能研究

Compared to synthetic polymer, down fiber is usually more biocompatible, degradable, and environmental friendly. Sub-micron down particles was produced and contained nearly 14 times the specific surface area of down fiber. This meant that there were more hydrogen groups on the surface of Sub-micron down particles, which has higher water vapor permeation (WVP) than down fiber. Based on the thermal motion of water molecules, temperature of environment has a large effect on the WVP of sub-micron down particle, which could inspire polyurethane (PU) membrane with thermo-sensitivity water vapor permeation. In this project, the micro-structure, specific surface area and the functional groups of sub-micron down particles were investigated, respectively, and the thermo-sensitivity WVP of sub-micron down particles was also discussed. To introduce hydroxyl on the surface of sub-micron down particles, an aliphatic nitro alcohol was grafted with the amide groups of the surface of sub-micron down particles by means of hydrogen bonds. Then, long polyurethane molecular chains were introduced on the surface of sub-micron particles by graft copolymerization with diisocyanate and oligomer diols. Therefore, sub-micron down particles with long polyurethane molecular chains had a improved compatibility with PU membranes, and could adjust the filming kinetics of polyurethane in dimethylformamide solution, which affected the characteristics of the porous structure of, such as pore size and pore interconnectivity. The dispersion of sub-micron down particles and the interface between particles and PU matrix were characterized, respectively. The WVP application of sub-micron down particles and the study of thermo-sensitivity WVP properties of polypropylene inspired by sub-micron down particles will be helpful to develop new WVP materials.

天然羽绒蛋白材料的再生利用是目前国内外研究的难题和热点之一。本课题将羽绒纤维材料采用拥有自主知识产权的技术制备成高比表面积的亚微米羽绒粒子，结合水分子热运动原理，将其与聚氨酯材料复合设计出一种独特的仿羽绒温敏透湿聚氨酯膜。研究亚微米尺度下羽绒粒子的微观结构、比表面积、表面化学基团以及温敏透湿机理，针对目前聚氨酯材料在热敏透湿方面的存在透湿率低、调节速率慢、温敏性差等问题，结合前期研究成果，提出依靠亚微米羽绒粒子为温敏透湿活性点，并通过选择性氢键修饰、可控接枝共聚合、溶液相转变成膜等理论和技术，构筑出亚微米羽绒粒子均匀分布在连通微孔壁上的温敏透湿聚氨酯膜。研究亚微米羽绒粒子发挥其温敏透湿性能的关键技术与难点问题，探索新型温敏透湿机理并建立数学模型，为新型温敏透湿聚氨酯膜的制备提供思路，对阐明人体舒适性、温敏透湿聚氨酯、环境温度变化之间的关系和规律有重要意义，并奠定理论基础。

温敏透湿材料对实现人体的超舒适性具有重要的科学意义和应用价值，但是温敏温度范围窄和温敏灵敏性低是温敏透湿材料难以满足人体服用性能的瓶颈和难题。针对该科学问题，本项目采用向大自然学习的思路，利用天然羽绒纤维独有的温敏透湿性能，将其制备成高比表面积的亚微米羽绒粒子，结合水分子热运动原理，使其与聚氨酯材料进行复合而设计出一种独特的仿羽绒温敏透湿聚氨酯膜。在本项目的执行过程中，主要的研究内容如下：(1)提出了碱酸转换制备纳米蛋白粒子的方法，能够将蛋白粒子的尺寸控制在50-200nm，可以通过调整碱浓度和中和速率能够对其尺寸进行有效的调控；(2)随着粒子平均粒径的减小，亚微米羽绒粒子的比表面积可以增加千倍以上，粒子化过程中的酸碱溶液环境改变了羽绒蛋白材料的微观结构，将其从蛋白质结构转换为氨基酸结构；(3)发现了纳微丝素粒子对染料具有极强的吸附能力，通过吸附动力学研究证明了大比表面积和多活性基团是其具有高吸附化学性能的成因；(4) 完善了亚微米羽绒粒子表面的长分子链接枝改性与甲酰胺塑化氢键修饰的技术方法；(5) 建立了在原子尺度上改性蛋白质纤维粒子表面的新技术和新方法，可以在蛋白质纤维粒子表面进行几纳米至几百纳米的改性；(6) 解析了亚微米羽绒粒子对聚合物基体成膜动力学和结晶动力学的影响与机理，发现亚微米羽绒粒子的热导系数对聚合物基体材料的晶型结构和结晶动力学具有显著的影响；(7)实现了亚微米羽绒粒子表面可控接枝共聚聚氨酯大分子，解决了羽绒粒子与聚氨酯基体之间的界面问题；(8) 归纳出了聚氨酯/亚微米羽绒粒子复合膜的结构特点与透湿气机理，制备出温敏温度范围为-25-45℃和温敏灵敏性较高聚氨酯膜材料。. 本项目执行期间，发表SCI收录论文11篇、EI收录论文2篇，申请中国发明专利7件，其中授权4件，参加国际学术会议3次、国内学术会议2次，荣获湖北省技术发明一等奖1项、中国纺织工业联合会科技进步三等奖1项，培养硕士研究生3人。. 本项目的研究结果实现了温敏透湿材料的宽温敏温度范围和高灵敏温敏特性，解决了人体表面纤维材料易导致皮肤过敏、细菌滋生、疾病和心理健康等问题，实现了人体穿戴超舒适性目的，显示出一定的学术价值和应用前景。