轻薄型耐低温挂胶手套的制备与性能

《轻薄型耐低温挂胶手套的制备与性能》论文发表期刊：《上海纺织科技》；发表周期：2021年02期

《轻薄型耐低温挂胶手套的制备与性能》论文作者信息：郝梦楠( 1994—) ，女，硕士研究生在读，主要研究方向为隔热保温复合织物。

　　摘要：利用水性聚氨酯发泡材料制备轻薄型耐低温手套。采用浸胶的方法将不同发泡倍率的水性聚氨酯发泡浆料涂覆于手套表面，从而制得轻薄保暖的挂胶手套。探究不同发泡倍率对挂胶手套表面形貌、厚度、隔热性能、力学性能的影响。结果表明：聚氨酯发泡倍率为2倍时，挂胶手套的隔热保温性能最好，其厚度为1.13 mm，在-50℃环境下手套内部由37 ℃降至0℃所需时间为510s，比不发泡的挂胶手套时间延长16.4%，导热系数低至0.131 W/(m.K)，耐磨性、耐撕裂性等级均达到欧标3级标准，能满足高寒边防战士短时间手部操作训练的要求。

　　关键词：手套;聚氨酯;保温性;发泡;挂胶;轻薄;机械性能

　　Abstract: In order to prepare light-weight low temperature protective gloves with water-borne polyurethane foaming material, the water-borne polyurethane foaming paste with different foaming ratio is applied on the surface of gloves by dipping into adhesive, so as to make light and warm adhesive hanging gloves. The effects of different foaming ratios on the surface morphology, heat insulation and mechanical properties of gloves are investigated. The results show that when the foaming rate of polyurethane is 2 times, the heat insulation performance of hanging rubber gloves is the best with its thickness of 1.13 mm. In the environment of-50 ℃, the time required for the gloves to decrease from 37 ℃ to 0 ℃ is 510 s, which is 16.4% longer than the non-foaming adhesive hanging gloves. Its thermal conductivity is as lowas 0.131 W/(m. K) , and its wear resistance and tear resistance grade all reach Euro Standard Level 3, which could meet the requirements of alpine border guards' short time hand operation training.

　　Key words: glove; polyurethane; heat retention; foaming; rubber; light-weight; mechanical property

　　手指位于人体四肢远端，极易受外界环境温度的影响，特别是在高寒边防地区，战士进行拆卸枪支、打靶训练等短时操作时，保证手套具有一定的耐低温性和灵活性尤为重要。研究表明，当手指皮肤温度低于4.4 ℃时[1，手指精细作业能力几乎全部丧失，而高寒地区冬季室外温度低至-50℃--30℃，裸手在这种条件下1-2 min左右即出现手指麻木、指关节活动不便等情况，导致工作效率降低，甚至引发冻疮。目前，边防战士所使用的保暖手套多采用棉、毛纤维以多层、加厚形式制成，虽提高了保暖性，但手套舒适灵活性较差[2]，所以开发一款轻薄型耐低温手套十分必要。

　　保温隔热材料主要具有以下特点：热导率低，以降低热传导;孔隙率高，以提高静止空气的含量，降低热对流;具有多层复合结构，协同实现降低隔热材料中的热传导、热对流以及热辐射3。水性聚氨酯发泡材料是一种良好的保温隔热材料，所制涂层膜中含有大量封闭或开放的泡孔，不但使涂层具有柔软细腻的独特手感和风格，而且泡孔中储存的大量静止空气赋予了涂层优异的隔热保温功效，己广泛应用于墙体保温、冰箱隔热、纺织品保暖等领域1-61。水性聚氨酯(WPU)具有耐低温、柔韧性好、黏结性大等优点17，采用机械起泡法[5可以制备水性聚氨酯发泡材料。近年来，水性聚氨酯发泡涂层织物的制备成为研究热点。叶留留等01探究水性聚氨酯发泡倍率对合成革涂层性能的影响。结果表明，发泡倍率为1.9倍时，涂层的柔软度、回弹性、剥离强度、透湿性以及表面平整度等综合性能优良。Zheng等[10以水性聚氨酯(WPUs)和聚丙烯酸酯(AC)为原料，采用机械发泡法制备多孔涂层织物，具有良好的热稳定性。马兴元等[11以高固含量水性聚氨酯为原料制备水性聚氨酯湿法发泡涂层，具有良好的力学、耐水解和耐溶剂性能。

　　针对高寒边防地区(-50℃--30℃)战士低温短时操作训练手套耐低温性及轻薄性的需求，本文利用水性聚氨酯发泡材料制备轻薄型耐低温手套;利用物理机械发泡法制备不同发泡倍率的水性聚氨酯发泡浆料，然后对涤纶针织手套胚进行浸胶处理，得到挂胶手套;探讨水性聚氨酷发泡倍率对手套表面形貌、厚度、隔热性能、力学性能的影响，为发泡水性聚氨酯在织物保暖隔热领域的应用提供依据。

　　1试验部分

　　1.1试验材料

　　水性聚氨酷，工业品，广州誉衡环保材料有限公司产;增稠剂，工业品，欧恩吉0MG特殊化料有限公司产;发泡剂F911，工业品，西安蕾铭化学科技有限公司产;凝固剂，山东星字手套有限公司产。

　　1.2 主要试验仪器

　　J-1型数显电动搅拌器(江苏大地自动化仪器厂)，NDJ-8S型数显黏度计(上海迪也姆仪器有限公司)，电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)，YG141型厚度仪(南通宏大实验仪器有限公司)，TM 3030型台式扫描电子显微镜(日本日立公司)，Dw-HL.388型超低温冰箱(中科美菱低温科技股份有限公司)，TPS-2500s型热常数分析仪(瑞典K-analys公司)，耐低温性能测试设备(自制)，马丁代尔耐磨试验仪(南通宏大实验仪器有限公司)，STM 566型万能强力机(上海科维仪器有限公司)。

　　1.3 水性聚氨酯发泡浆料的制备称取定量的水性聚氨酯乳液，加入质量分数10%

　　(相对于WPU)的增稠剂和1%的发泡剂，用电动搅拌机先进行低速搅拌，使浆料混合均匀。鼓入空气，调节转速至1 500 r/min，通过调节进气量控制发泡倍率。

　　当达到所需倍率时，测量并调整浆液至合适黏度，继续低速搅拌，分散均匀后得到水性聚氨酯发泡浆料。其中，浆料发泡倍率(%)=发泡完成后的浆料体积/未发泡浆料体积x100%。

　　1.4 挂胶手套的制备

　　用手套机织制13针涤纶手套胚，将手套胚套在不锈钢手模上，放入烘箱进行预热;预热完成后，将套有手套胚的手模浸入自制的凝固剂中，取出后静置几分钟，可在基布表面产生微隔离效果，从而减小浸润度有效防止浸透;然后将手模浸渍水性聚氨酯发泡浆料3s，取出后进行滴胶、匀胶处理，使浆料均匀涂覆;将手模放入烘箱，低温85℃下干燥30 min，高温120 ℃下干燥60 min;取出手模，脱模即得到挂胶手套121为了对挂胶手套的性能进行优化，配置了4种发泡倍率的浆料：1倍(不发泡)、1.5倍、2倍、3倍，探讨水性聚氨酯不同发泡倍率对耐低温挂胶手套性能的影响。

　　1.5 性能测试

　　1.5.1 外观形貌测试

　　裁剪下挂胶手套的掌部，干燥并喷金，利用扫描电子显微镜(SEM)观察不同发泡倍率浸胶织物的表面形貌及截面结构。

　　1.5.2 厚度测试

　　根据GB/T 3820-1997《纺织品和纺织制品厚度的测量》，对挂胶手套厚度进行测量。首先将试验样品置于温度(20±2)℃、相对湿度(65±3)%的标准大气环境中进行调湿平衡，然后采用YG141型厚度仪进行厚度测量。在测量厚度时，压脚面积选用2000 mm，加压压力为1kPa，加压时间为30 s，测量次数为10次。

　　1.5.3耐低温性能测试

　　为测试挂胶手套在低温环境下的保温隔热性能，测量手套内部在低温环境下的温度变化。为模拟手部温度变化，人体温度为37 ℃，故设置温度变化区间为oc-37℃.目前，高寒地区最低温度可达-50℃，结合试验条件来设计试验，测量-50℃低温环境下手套内部温度从37℃降至0℃的时间。

　　将温度传感器探头置于手套内，手套套口处用夹子夹紧，然后放入密封袋内进行37℃恒温水浴加热，当手套内部温度达到37℃后，迅速将手套取出并放入-50℃低温冰箱进行耐低温性能测试。数显温度计记录手套内部微气候的温度变化，每隔1s记录1次，当温度降至0℃时终止试验。将数据导入电脑并绘制低温环境下手套内部温度变化曲线，记录总时间[131.5.4 导热性能测试采用瑞典K-analys公司的TPS-2500S型 Hot Disk热常数分析仪对不同挂胶手套复合织物的导热系数进行测试。将待测试样裁剪成一定尺寸并进行热湿平衡，根据样品厚度选择合适的探头进行测试。测试环境温度为20℃、相对湿度为65%。

　　1.5.5力学性能测试

　　依据EN388《防护手套耐机械危害》对挂胶手套的耐摩擦性、耐撕裂性进行测试，确定不同发泡倍率下手套的性能等级。表1列出了每种性能等级分级的最低要求。

　　(1)耐摩擦性测试。采用马丁代尔耐磨试验仪对手套进行耐磨擦性测试。耐磨擦性由循环周期数来表征。同一个手套系列选取4个取自不同手套的试样，试样为直径38 mm的圆形。记录试样出现破洞时的摩擦圈数，取4个试样测试结果的最小值确定此类手套的耐磨擦性等级。

　　(2)耐撕裂性能测试。采用STM 566型万能强力仪对手套进行耐撕裂性测试。每一手套系列选取4只不同手套的相同部位作为测试试样，试样尺寸为50 mmx25 mm，分别对手套横向和纵向进行测试，拉伸速度为100 mm/min。记录每次撕裂过程中的最高值，取最小值确定此类于套的耐撕裂性等级。

　　2结果与讨论

　　2.1 挂胶手套形貌分析

　　图1为不同发泡倍率的水性聚氨酯浸胶织物的表面及截面形貌。从图1(a)、(c)(e)、(g)可知，随着发泡倍率逐渐增大，泡孔尺寸逐渐增大。发泡倍率为3倍时，表面可观察到较大的泡孔，这是由于发泡倍率过大，使得泡孔内壁变薄，众多小泡相互聚集成大泡所致。从图1(b).(d)、()、(h)可知，在针织手套表面浸一层凝固剂，起到了有效的隔离作用，胶液并未发生渗透，从而保持了针织物柔软舒适的手感;不发泡的浸胶层结构紧实，与针织物紧密结合，发泡后的聚氨酯与针织物结合时，由于纬平针组织结构特性，使得胶液在两线圈之间空隙处形成较大泡孔。发泡倍率影响发泡涂层的泡孔结构，随着发泡倍率的增大，泡孔尺寸变得不均匀。当发泡倍率为3倍时，泡孔形状变成不规则的连续的平面体型，造成了结构的塌陷。

　　2.2 挂胶手套厚度

　　不同发泡倍率的水性聚氨酯挂胶手套的厚度见图 2。

　　由图2可见，4种挂胶手套的厚度差异较小，从1倍到2倍，随发泡倍率的增大，厚度略有增加;发泡倍率为3倍时，由于泡孔结构的塌陷，厚度略有下降。在浸胶过程中，浆液黏度相同，浸渍时间均控制在3s，使浆液在织物表面形成薄膜，因此发泡倍率对手套厚度的影响不明显。发泡倍率为2倍时，挂胶手套的厚度为1.13mm，保证了挂胶手套轻薄柔软，具有较大的灵活性。

　　2.3不同发泡倍率对手套耐低温性能的影响图3为在-50 ℃环境下4种挂胶手套内部温度变化曲线。

　　由图3可知，在放入低温环境下的初始阶段，发泡1.5倍、2倍的挂胶手套温度下降速率较缀，这是因为材料的保温性取决于织物中所含静止空气的量[1.发泡材料中储存了大量静止空气，可降低热传导、热对流，使得手套内部温度不因低温环境而骤降，具有较高的抵抗外界环境干扰的能力，从而延长降温时间。4种手套内部微气候温度从37℃降至0℃所用时间分别为438 s(1倍)、473 s(1.5倍)、510 s(2倍)、413 s(3倍)。从37℃降至0℃的时间越长，说明手套在低温环境下的保温隔热性能越好。由此可知，发泡倍率为2倍的挂胶手套在低温下的隔热性能最好。发泡倍率为3倍的材料由于发泡倍率过大，导致聚氨酯与空气的体积比变小，气泡壁变薄，孔径变大，使胶层中形成贯通结构，反而增大了热对流，缩短了降温时间12.4不同发泡倍率对手套导热性能的影响导热系数常用来表征材料的导热性能，导热系数越小，材料隔热性能越好。图4为4种手套的导热系数。

　　从图4来看，发泡倍率为1倍、1.5倍、2倍时，挂胶手套的导热系数依次下降，隔热性能逐渐增强。这是因为随着发泡倍率的增大，泡孔中储存了越来越多的静止空气，静止空气是理想的热绝缘体，增强了材料的保暖性;但是，发泡倍率为3倍时，由于发泡倍率过大导致材料泡孔结构被破坏，大大降低了储存静止空气的量，故导热系数较高。

　　2.5不同发泡倍率对手套耐磨性能的影响

　　耐磨性是指织物在一定条件下抵抗外界磨损的能力。手套在使用过程中手掌、大拇指、食指等部位容易遭受磨损，不仅影响手套的外观、耐磨性，而且缩短了手套的使用寿命，无形中增加了使用成本11。对挂胶手套进行耐磨性测试，图5为4种手套的耐磨性能等级。

　　从图5可以看出，不发泡的聚氨酯挂胶手套耐磨等级可达欧标最高等级4级。这是因为水性聚氨酯是一种胶黏剂，聚合物分子间相互作用力大，而且形成的胶层表面平整光滑，表面摩擦因数较低，减少了摩擦过程中的质量损耗[1，故耐摩擦性能最好。发泡倍率从1.5倍增加到3倍，耐摩擦性能逐渐降低，这是因为泡孔的存在使涂膜表面变得粗糙，增大其表面摩擦因数，而且，随着发泡倍率的增大，泡孔尺寸变大，泡孔壁逐渐变薄，也使得耐磨性逐渐降低。

　　2.6不同发泡倍率对手套耐撕裂性能的影响

　　对挂胶手套进行耐撕裂性能测试，表2为4种手套在4次测试中的撕裂力。

　　由表2可见，手套的横向撕裂力大于纵向。因为手套掌部为结平针组织，一个横列只用一根纱线完成编织，当织物某一横列受到集中负荷的作用时，横向纱上的线圈会因外力的作用而趋于伸直，形成一个类似三角形状的区域，称为撕裂三角区，该三角区域面积的大小可表征织物抵抗外力撕裂拉伸的强弱。因此手套横向具有较大延伸性，而纵向由线圈相互穿套，延伸性较小，所以横向撕裂过程中撕裂三角区面积大，具有较大的抗撕裂性能。

　　取4次测试结果的最低值确定手套的耐撕裂性能等级，挂胶手套的耐撕裂性均能达到欧标较高水平3级。这是因为水性聚氨酯涂层具有一定的强力和弹性，与织物结合后，在撕裂过程中可增大撕裂三角区的面积，从而使挂胶手套具有较优异的抗撕裂性能。聚氨酯发泡倍率对手套耐撕裂性能的影响不大，比较儿种手套耐撕裂力的最小值，可知发泡倍率为2倍的挂胶手套具有最好的耐撕裂性能。

　　3结语

　　本文利用水性聚氨酯发泡材料制备轻薄型耐低温手套，并探究不同水性聚氨酯发泡倍率对手套表面形貌、厚度、隔热性能、力学性能的影响，主要结论如下：

　　(1)随着发泡倍率逐渐增大，泡孔尺寸逐渐增大，且形状变得不均匀。当发泡倍率为3倍时，泡孔结构变成了不规则的连续的平面体型，造成了结构的塌陷。凝固剂的使用起到了有效的隔离作用，保持了针织物柔软舒适的手感。

　　(2)水性聚氨酯涂膜发泡倍率越大，耐磨性越差，聚氨酯不发泡(1倍)挂胶手套耐磨等级达到EN388标准4级;手套的横向撕裂力大于纵向，发泡倍率对手套的耐撕裂性影响不大，聚氨酯发泡倍率为2倍的挂胶手套具有最好的耐撕裂性能，达到EN388标准3级。

　　(3)利用发泡倍率为2倍的水性聚氨酯浆料制备的挂胶手套在低温下的隔热保温性能最好，厚度为1.13 mm.其在-50 ℃环境下手套内部由37℃降至0℃的时间最长为510s，比不发泡的挂胶手套时间延长16.4%，导热系数低至0.131 W/(m.K)，可用作耐低温手套，可满足高寒地区战士短时间手部操作训练的要求。

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