一种聚氨酯纳米纤维薄膜及其制备方法和应用与

本发明涉及静电纺丝功能纤维材料技术，特别是一种自粘结的高性能聚氨酯纳米纤维薄膜及其制备方法和应用。背景技术：1、聚氨酯由于其材料成本低，且具有良好的防水及耐磨性，一直被视为用于制作户外服装的良好材料。现有聚氨酯服装材料多采用涂层工艺，存在制备工艺复杂、孔洞结构调节不灵活等问题，导致其作为服装面料时透气透湿性差、舒适度低等。静电纺丝技术的应用使得聚氨酯纤维膜拥有稳定的多微孔结构，从而提供了用于水汽传输的互连通道，使面料透气透湿，穿着舒适度高，更适用于户外出行。然而，现有技术的静电纺丝聚氨酯纳米纤维薄膜均不具备在具有高强度的同时具有优异的透湿透气性的性能，导致产品作为服装面料时，使用者穿着舒适度较低。且由于碳纳米管或其他纳米材料的添加，使得制造成本提高，不适于大规模生产。2、传统的溶剂蒸汽焊接技术采用单一溶剂对纤维进行交联，该方法可能导致纤维被溶解或者纤维固化速度过快从而导致纤维交联不充分，不能得到性能良好的防水透湿膜。另外，尽管有针静电纺丝是一种简单且用途广泛的工艺，但其生产率较低和用针作喷丝头等限制，使其在制造纳米纤维时面临着一系列挑战。近年来，通过开发多针头静电纺丝，在提高生产率方面取得了一些进展。但多针头静电纺丝亦无法解决针头堵塞的问题。现有的多通道无针静电纺丝系统可以提高纤维的生产率，并克服传统静电纺丝工艺与针相关的问题。而从有针静电纺丝设备到多通道无针静电纺丝设备的转换，不仅有对设备工艺参数的调整，对纺丝原液的要求也有所不同，无法实现高效的生产。3、基于上述现状，如何在不增加生产成本的前提下，通过优化静电纺丝条件，可以稳定且高效地制备高强度高透湿量的防水聚氨酯纳米纤维薄膜，且能够使该技术实现产业化，是本领域亟待解决的问题。技术实现思路1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种自粘结的高性能聚氨酯纳米纤维薄膜及其制备方法和应用。2、为了实现上述目的，本发明提供了一种聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，包括以下步骤：3、s100、制取第一溶液：在室温下，将聚氨酯加入到第一溶剂中，采用磁力搅拌机在设定温度下搅拌，得到性质均一的所述第一溶液；4、s200、制取第二溶液：在室温下，将添加剂加入第二溶剂中，搅拌得到所述第二溶液；5、s300、制取纺丝原液：将所述第一溶液与第二溶液按照不同的质量比混合，并在常温下搅拌直至获得粘稠透明的所述纺丝原液，将所述纺丝原液冷却至室温备用；6、s400、制备聚氨酯纳米纤维薄膜：采用静电纺丝装置，使所述纺丝原液在设定的电压下出丝，在设定的接收距离下，用固定的接收材料作为接收基底，制备得到所述聚氨酯纳米纤维薄膜；以及7、s500、制备高性能防水聚氨酯纳米纤维薄膜：将所述聚氨酯纳米纤维薄膜置于混合溶剂蒸汽焊接反应器内，将所述混合溶剂蒸汽焊接反应器的内壁喷涂第三溶剂，设定时间后将所述聚氨酯纳米纤维薄膜从所述混合溶剂蒸汽焊接反应器中取出，并从所述接收基底上剥离下来，常温放置一段时间后，得到所述高性能防水聚氨酯纳米纤维薄膜。8、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，步骤s400中，采用单针头静电纺丝装置，将所述纺丝原液在设定电压下，通过所述单针头静电纺丝装置的注射泵挤出，在设定接收距离和环境温度及环境湿度下，用铝箔、油纸、织物或无纺布作为接收基底，制备得到所述聚氨酯纳米纤维薄膜。9、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述设定电压为20～30kv，所述注射泵的流速为0.1～1.0ml/h，所述设定接收距离为10～20cm，所述环境温度为23～35℃，所述环境湿度为35％～85％。10、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，步骤s400中，采用多通道无针静电纺丝装置，将所述纺丝原液在设定电压下，所述多通道无针静电纺丝装置的电极浸泡在所述纺丝原液中进入电场，实现喷丝；在设定接收距离和环境温度及环境湿度下，以铝箔、油纸、织物或者无纺布作为接收基底，制备得到所述聚氨酯纳米纤维薄膜。11、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述设定电压为50～80kv，所述设定接收距离为20～50cm，所述环境温度为23～35℃，所述环境湿度为35％～85％。12、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述混合溶剂蒸汽焊接反应器内的湿度为30％～85％，温度为25～35℃；喷涂的所述第三溶剂分量为0.5～5ml。13、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，步骤s100中，所述聚氨酯为疏水性聚酯型热塑性聚氨酯，为abn型嵌段线性聚合物，a为高分子量1000-6000的聚酯，b为含2～12直链碳原子的二醇，ab链段间化学结构为二异氰酸酯，聚氨酯密度为1.10～1.25g/cm3。14、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，步骤s200中，所述添加剂为无机盐氯化锂、氯化钠、氯化钾、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、硝酸锂、硝酸钠、有机盐十八烷基三甲基氯化铵及四乙基溴化铵中的任意一种或多种。15、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述第一溶剂和第二溶剂均为丙酮、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙腈、乙醚、乙烷、乙醇、甲酸、乙酸、氯仿、四氯化碳、环丁砜、嘧啶、甲酰胺、正己烷、氯苯、二氧杂环己烷、乙烯基乙二醇、甲基环己烷、1，2-二氯乙烯二甲苯、环己烷、戊烷、苯甲醚、乙酸丁酯、乙酸异丙酯、二甲基亚矾、n-甲基吡咯烷酮、二氯甲烷、二氯乙烷、一氯甲烷、苯、甲苯、乙酸乙酯中的任意一种或多种。16、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述第一溶液中聚氨酯的质量百分比为15～30％；所述第二溶液中添加剂的质量百分比为0.1～2.0％，第一溶液与第二溶液的质量比为50:0、45:5、40:10或35:15。17、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述第三溶剂为所述第一溶液中的第一溶剂与去离子水1:n混合所得，n为正整数。18、上述的聚氨酯纳米纤维薄膜的制备方法，其中，所述聚氨酯纳米纤维薄膜的平均厚度为15±5μm，所述聚氨酯纳米纤维薄膜的纤维直径为150-300nm。19、为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种采用上述的制备方法获得的聚氨酯纳米纤维薄膜。20、为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种上述聚氨酯纳米纤维薄膜的应用。21、本发明的技术效果在于：22、1)制作工艺简单，材料简单，可大幅节约成本；23、2)利用高分子量、低浓度聚合物溶液通过静电纺丝得到纳米纤维薄膜，有效降低了生产成本；制备得到的聚氨酯静电纺丝纳米纤维薄膜具有防水透湿能力，具有强度高、透湿透气性好且舒适度高等特性；24、3)通过引入添加剂来提高聚合物溶液的电导率，优化后静电纺丝技术来实现减小纳米纤维直径并且促使纤维自粘结从而调控纤维间交联度，来提高纳米纤维薄膜的孔隙率、提高薄膜的机械性能，使聚氨酯薄膜具有良好的透气、透湿性和较高的强度；25、4)可直接应用于多通道无针电纺设备中，实现高效率高质量的产业化，真正实现由实验室向产业化的有效转变；26、5)采用的静电纺丝工艺得到的聚氨酯纳米纤维薄膜具有良好透气、透湿性且厚度薄、强度高，舒适度高；27、6)本发明的聚氨酯纳米纤维薄膜的厚度为15±5μm，断裂强度为15～35mpa，断裂伸长率为100～170％，透湿量为18～22kg/(m2·24h)。28、以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。