《輕薄型耐低溫掛膠手套的制備與性能》論文發表期刊：《上海紡織科技》；發表周期：2021年02期

《輕薄型耐低溫掛膠手套的制備與性能》論文作者信息：郝夢楠( 1994—) ，女，碩士研究生在讀，主要研究方向為隔熱保溫復合織物。

　　摘要：利用水性聚氨酯發泡材料制備輕薄型耐低溫手套。采用浸膠的方法將不同發泡倍率的水性聚氨酯發泡漿料涂覆于手套表面，從而制得輕薄保暖的掛膠手套。探究不同發泡倍率對掛膠手套表面形貌、厚度、隔熱性能、力學性能的影響。結果表明：聚氨酯發泡倍率為2倍時，掛膠手套的隔熱保溫性能最好，其厚度為1.13 mm，在-50℃環境下手套內部由37 ℃降至0℃所需時間為510s，比不發泡的掛膠手套時間延長16.4%，導熱系數低至0.131 W/(m.K)，耐磨性、耐撕裂性等級均達到歐標3級標準，能滿足高寒邊防戰士短時間手部操作訓練的要求。

　　關鍵詞：手套;聚氨酯;保溫性;發泡;掛膠;輕薄;機械性能

　　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

　　手指位于人體四肢遠端，極易受外界環境溫度的影響，特別是在高寒邊防地區，戰士進行拆卸槍支、打靶訓練等短時操作時，保證手套具有一定的耐低溫性和靈活性尤為重要。研究表明，當手指皮膚溫度低于4.4 ℃時[1，手指精細作業能力幾乎全部喪失，而高寒地區冬季室外溫度低至-50℃--30℃，裸手在這種條件下1-2 min左右即出現手指麻木、指關節活動不便等情況，導致工作效率降低，甚至引發凍瘡。目前，邊防戰士所使用的保暖手套多采用棉、毛纖維以多層、加厚形式制成，雖提高了保暖性，但手套舒適靈活性較差[2]，所以開發一款輕薄型耐低溫手套十分必要。

　　保溫隔熱材料主要具有以下特點：熱導率低，以降低熱傳導;孔隙率高，以提高靜止空氣的含量，降低熱對流;具有多層復合結構，協同實現降低隔熱材料中的熱傳導、熱對流以及熱輻射3。水性聚氨酯發泡材料是一種良好的保溫隔熱材料，所制涂層膜中含有大量封閉或開放的泡孔，不但使涂層具有柔軟細膩的獨特手感和風格，而且泡孔中儲存的大量靜止空氣賦予了涂層優異的隔熱保溫功效，己廣泛應用于墻體保溫、冰箱隔熱、紡織品保暖等領域1-61。水性聚氨酯(WPU)具有耐低溫、柔韌性好、黏結性大等優點17，采用機械起泡法[5可以制備水性聚氨酯發泡材料。近年來，水性聚氨酯發泡涂層織物的制備成為研究熱點。葉留留等01探究水性聚氨酯發泡倍率對合成革涂層性能的影響。結果表明，發泡倍率為1.9倍時，涂層的柔軟度、回彈性、剝離強度、透濕性以及表面平整度等綜合性能優良。Zheng等[10以水性聚氨酯(WPUs)和聚丙烯酸酯(AC)為原料，采用機械發泡法制備多孔涂層織物，具有良好的熱穩定性。馬興元等[11以高固含量水性聚氨酯為原料制備水性聚氨酯濕法發泡涂層，具有良好的力學、耐水解和耐溶劑性能。

　　針對高寒邊防地區(-50℃--30℃)戰士低溫短時操作訓練手套耐低溫性及輕薄性的需求，本文利用水性聚氨酯發泡材料制備輕薄型耐低溫手套;利用物理機械發泡法制備不同發泡倍率的水性聚氨酯發泡漿料，然后對滌綸針織手套胚進行浸膠處理，得到掛膠手套;探討水性聚氨酷發泡倍率對手套表面形貌、厚度、隔熱性能、力學性能的影響，為發泡水性聚氨酯在織物保暖隔熱領域的應用提供依據。

　　1試驗部分

　　1.1試驗材料

　　水性聚氨酷，工業品，廣州譽衡環保材料有限公司產;增稠劑，工業品，歐恩吉0MG特殊化料有限公司產;發泡劑F911，工業品，西安蕾銘化學科技有限公司產;凝固劑，山東星字手套有限公司產。

　　1.2 主要試驗儀器

　　J-1型數顯電動攪拌器(江蘇大地自動化儀器廠)，NDJ-8S型數顯黏度計(上海迪也姆儀器有限公司)，電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)，YG141型厚度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，TM 3030型臺式掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，Dw-HL.388型超低溫冰箱(中科美菱低溫科技股份有限公司)，TPS-2500s型熱常數分析儀(瑞典K-analys公司)，耐低溫性能測試設備(自制)，馬丁代爾耐磨試驗儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，STM 566型萬能強力機(上海科維儀器有限公司)。

　　1.3 水性聚氨酯發泡漿料的制備稱取定量的水性聚氨酯乳液，加入質量分數10%

　　(相對于WPU)的增稠劑和1%的發泡劑，用電動攪拌機先進行低速攪拌，使漿料混合均勻。鼓入空氣，調節轉速至1 500 r/min，通過調節進氣量控制發泡倍率。

　　當達到所需倍率時，測量并調整漿液至合適黏度，繼續低速攪拌，分散均勻后得到水性聚氨酯發泡漿料。其中，漿料發泡倍率(%)=發泡完成后的漿料體積/未發泡漿料體積x100%。

　　1.4 掛膠手套的制備

　　用手套機織制13針滌綸手套胚，將手套胚套在不銹鋼手模上，放入烘箱進行預熱;預熱完成后，將套有手套胚的手模浸入自制的凝固劑中，取出后靜置幾分鐘，可在基布表面產生微隔離效果，從而減小浸潤度有效防止浸透;然后將手模浸漬水性聚氨酯發泡漿料3s，取出后進行滴膠、勻膠處理，使漿料均勻涂覆;將手模放入烘箱，低溫85℃下干燥30 min，高溫120 ℃下干燥60 min;取出手模，脫模即得到掛膠手套121為了對掛膠手套的性能進行優化，配置了4種發泡倍率的漿料：1倍(不發泡)、1.5倍、2倍、3倍，探討水性聚氨酯不同發泡倍率對耐低溫掛膠手套性能的影響。

　　1.5 性能測試

　　1.5.1 外觀形貌測試

　　裁剪下掛膠手套的掌部，干燥并噴金，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同發泡倍率浸膠織物的表面形貌及截面結構。

　　1.5.2 厚度測試

　　根據GB/T 3820-1997《紡織品和紡織制品厚度的測量》，對掛膠手套厚度進行測量。首先將試驗樣品置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±3)%的標準大氣環境中進行調濕平衡，然后采用YG141型厚度儀進行厚度測量。在測量厚度時，壓腳面積選用2000 mm，加壓壓力為1kPa，加壓時間為30 s，測量次數為10次。

　　1.5.3耐低溫性能測試

　　為測試掛膠手套在低溫環境下的保溫隔熱性能，測量手套內部在低溫環境下的溫度變化。為模擬手部溫度變化，人體溫度為37 ℃，故設置溫度變化區間為oc-37℃.目前，高寒地區最低溫度可達-50℃，結合試驗條件來設計試驗，測量-50℃低溫環境下手套內部溫度從37℃降至0℃的時間。

　　將溫度傳感器探頭置于手套內，手套套口處用夾子夾緊，然后放入密封袋內進行37℃恒溫水浴加熱，當手套內部溫度達到37℃后，迅速將手套取出并放入-50℃低溫冰箱進行耐低溫性能測試。數顯溫度計記錄手套內部微氣候的溫度變化，每隔1s記錄1次，當溫度降至0℃時終止試驗。將數據導入電腦并繪制低溫環境下手套內部溫度變化曲線，記錄總時間[131.5.4 導熱性能測試采用瑞典K-analys公司的TPS-2500S型 Hot Disk熱常數分析儀對不同掛膠手套復合織物的導熱系數進行測試。將待測試樣裁剪成一定尺寸并進行熱濕平衡，根據樣品厚度選擇合適的探頭進行測試。測試環境溫度為20℃、相對濕度為65%。

　　1.5.5力學性能測試

　　依據EN388《防護手套耐機械危害》對掛膠手套的耐摩擦性、耐撕裂性進行測試，確定不同發泡倍率下手套的性能等級。表1列出了每種性能等級分級的最低要求。

　　(1)耐摩擦性測試。采用馬丁代爾耐磨試驗儀對手套進行耐磨擦性測試。耐磨擦性由循環周期數來表征。同一個手套系列選取4個取自不同手套的試樣，試樣為直徑38 mm的圓形。記錄試樣出現破洞時的摩擦圈數，取4個試樣測試結果的最小值確定此類手套的耐磨擦性等級。

　　(2)耐撕裂性能測試。采用STM 566型萬能強力儀對手套進行耐撕裂性測試。每一手套系列選取4只不同手套的相同部位作為測試試樣，試樣尺寸為50 mmx25 mm，分別對手套橫向和縱向進行測試，拉伸速度為100 mm/min。記錄每次撕裂過程中的最高值，取最小值確定此類于套的耐撕裂性等級。

　　2結果與討論

　　2.1 掛膠手套形貌分析

　　圖1為不同發泡倍率的水性聚氨酯浸膠織物的表面及截面形貌。從圖1(a)、(c)(e)、(g)可知，隨著發泡倍率逐漸增大，泡孔尺寸逐漸增大。發泡倍率為3倍時，表面可觀察到較大的泡孔，這是由于發泡倍率過大，使得泡孔內壁變薄，眾多小泡相互聚集成大泡所致。從圖1(b).(d)、()、(h)可知，在針織手套表面浸一層凝固劑，起到了有效的隔離作用，膠液并未發生滲透，從而保持了針織物柔軟舒適的手感;不發泡的浸膠層結構緊實，與針織物緊密結合，發泡后的聚氨酯與針織物結合時，由于緯平針組織結構特性，使得膠液在兩線圈之間空隙處形成較大泡孔。發泡倍率影響發泡涂層的泡孔結構，隨著發泡倍率的增大，泡孔尺寸變得不均勻。當發泡倍率為3倍時，泡孔形狀變成不規則的連續的平面體型，造成了結構的塌陷。

　　2.2 掛膠手套厚度

　　不同發泡倍率的水性聚氨酯掛膠手套的厚度見圖 2。

　　由圖2可見，4種掛膠手套的厚度差異較小，從1倍到2倍，隨發泡倍率的增大，厚度略有增加;發泡倍率為3倍時，由于泡孔結構的塌陷，厚度略有下降。在浸膠過程中，漿液黏度相同，浸漬時間均控制在3s，使漿液在織物表面形成薄膜，因此發泡倍率對手套厚度的影響不明顯。發泡倍率為2倍時，掛膠手套的厚度為1.13mm，保證了掛膠手套輕薄柔軟，具有較大的靈活性。

　　2.3不同發泡倍率對手套耐低溫性能的影響圖3為在-50 ℃環境下4種掛膠手套內部溫度變化曲線。

　　由圖3可知，在放入低溫環境下的初始階段，發泡1.5倍、2倍的掛膠手套溫度下降速率較綴，這是因為材料的保溫性取決于織物中所含靜止空氣的量[1.發泡材料中儲存了大量靜止空氣，可降低熱傳導、熱對流，使得手套內部溫度不因低溫環境而驟降，具有較高的抵抗外界環境干擾的能力，從而延長降溫時間。4種手套內部微氣候溫度從37℃降至0℃所用時間分別為438 s(1倍)、473 s(1.5倍)、510 s(2倍)、413 s(3倍)。從37℃降至0℃的時間越長，說明手套在低溫環境下的保溫隔熱性能越好。由此可知，發泡倍率為2倍的掛膠手套在低溫下的隔熱性能最好。發泡倍率為3倍的材料由于發泡倍率過大，導致聚氨酯與空氣的體積比變小，氣泡壁變薄，孔徑變大，使膠層中形成貫通結構，反而增大了熱對流，縮短了降溫時間12.4不同發泡倍率對手套導熱性能的影響導熱系數常用來表征材料的導熱性能，導熱系數越小，材料隔熱性能越好。圖4為4種手套的導熱系數。

　　從圖4來看，發泡倍率為1倍、1.5倍、2倍時，掛膠手套的導熱系數依次下降，隔熱性能逐漸增強。這是因為隨著發泡倍率的增大，泡孔中儲存了越來越多的靜止空氣，靜止空氣是理想的熱絕緣體，增強了材料的保暖性;但是，發泡倍率為3倍時，由于發泡倍率過大導致材料泡孔結構被破壞，大大降低了儲存靜止空氣的量，故導熱系數較高。

　　2.5不同發泡倍率對手套耐磨性能的影響

　　耐磨性是指織物在一定條件下抵抗外界磨損的能力。手套在使用過程中手掌、大拇指、食指等部位容易遭受磨損，不僅影響手套的外觀、耐磨性，而且縮短了手套的使用壽命，無形中增加了使用成本11。對掛膠手套進行耐磨性測試，圖5為4種手套的耐磨性能等級。

　　從圖5可以看出，不發泡的聚氨酯掛膠手套耐磨等級可達歐標最高等級4級。這是因為水性聚氨酯是一種膠黏劑，聚合物分子間相互作用力大，而且形成的膠層表面平整光滑，表面摩擦因數較低，減少了摩擦過程中的質量損耗[1，故耐摩擦性能最好。發泡倍率從1.5倍增加到3倍，耐摩擦性能逐漸降低，這是因為泡孔的存在使涂膜表面變得粗糙，增大其表面摩擦因數，而且，隨著發泡倍率的增大，泡孔尺寸變大，泡孔壁逐漸變薄，也使得耐磨性逐漸降低。

　　2.6不同發泡倍率對手套耐撕裂性能的影響

　　對掛膠手套進行耐撕裂性能測試，表2為4種手套在4次測試中的撕裂力。

　　由表2可見，手套的橫向撕裂力大于縱向。因為手套掌部為結平針組織，一個橫列只用一根紗線完成編織，當織物某一橫列受到集中負荷的作用時，橫向紗上的線圈會因外力的作用而趨于伸直，形成一個類似三角形狀的區域，稱為撕裂三角區，該三角區域面積的大小可表征織物抵抗外力撕裂拉伸的強弱。因此手套橫向具有較大延伸性，而縱向由線圈相互穿套，延伸性較小，所以橫向撕裂過程中撕裂三角區面積大，具有較大的抗撕裂性能。

　　取4次測試結果的最低值確定手套的耐撕裂性能等級，掛膠手套的耐撕裂性均能達到歐標較高水平3級。這是因為水性聚氨酯涂層具有一定的強力和彈性，與織物結合后，在撕裂過程中可增大撕裂三角區的面積，從而使掛膠手套具有較優異的抗撕裂性能。聚氨酯發泡倍率對手套耐撕裂性能的影響不大，比較兒種手套耐撕裂力的最小值，可知發泡倍率為2倍的掛膠手套具有最好的耐撕裂性能。

　　3結語

　　本文利用水性聚氨酯發泡材料制備輕薄型耐低溫手套，并探究不同水性聚氨酯發泡倍率對手套表面形貌、厚度、隔熱性能、力學性能的影響，主要結論如下：

　　(1)隨著發泡倍率逐漸增大，泡孔尺寸逐漸增大，且形狀變得不均勻。當發泡倍率為3倍時，泡孔結構變成了不規則的連續的平面體型，造成了結構的塌陷。凝固劑的使用起到了有效的隔離作用，保持了針織物柔軟舒適的手感。

　　(2)水性聚氨酯涂膜發泡倍率越大，耐磨性越差，聚氨酯不發泡(1倍)掛膠手套耐磨等級達到EN388標準4級;手套的橫向撕裂力大于縱向，發泡倍率對手套的耐撕裂性影響不大，聚氨酯發泡倍率為2倍的掛膠手套具有最好的耐撕裂性能，達到EN388標準3級。

　　(3)利用發泡倍率為2倍的水性聚氨酯漿料制備的掛膠手套在低溫下的隔熱保溫性能最好，厚度為1.13 mm.其在-50 ℃環境下手套內部由37℃降至0℃的時間最長為510s，比不發泡的掛膠手套時間延長16.4%，導熱系數低至0.131 W/(m.K)，可用作耐低溫手套，可滿足高寒地區戰士短時間手部操作訓練的要求。

　　參考文獻：

　　[1] DING L, YUAN X, LEI Q, et al. The research of EMU glove heating system[J].Aerospace Science&Technology，2004，8(2)：93-99.

　　[2]田競，孫蕊，解冰，等.寒區戰傷救治用超薄發熱手套[J].臨床軍醫雜志，2016，44(7)：754-755.

　　[3]侯志全，趙軍明，何勃，等，隔熱保溫材料的研究進展[J].廣東化工，2018，45(7)：163-171.

　　[4]孫魯軍，譚建華，趙訓劈裂砌塊夾芯發泡聚氨酯板復合保溫墻體工藝與性能研究[J].磚瓦，2017(6)：17-20.

　　[5]江守利，程文龍，趙銳，等，對箱壁式冰箱使用真空隔熱板的分析[J].制冷學報，2007，28(1)：54-58.

　　[6]李曉巖聚氨酯材料在服裝設計中的保暖性與透氣性研究[J].合成樹脂及塑料，2019(6)：12.

　　[7]張曉輝，楊建軍，吳慶云，等手套用水性聚氨酯的研究現狀與最新進展[J].聚氨酯工業，2014(4)：6-10.

　　[8]張斐斐，劉潔，曲建波，等.PCDL型水性聚氨酯的機械發泡性能[J].應用化工，2018，47(9)：68-71.

　　[9]葉留留，張昕，范浩軍，等.水性聚氨酯發泡倍率對合成革涂層性能影響[J].中國皮革，2018，47(7)：36-42，46.

　　[10]ZHENG G K，LU M，RUI X P，et al.The effect of acrylate on structure and properties of waterbome polyurethane porous coated fabrics[J].Journal of Applied Polymer Science，2018，135(15)：1-11.

　　[11]馬興元，丁博，郭夢亞，等水性聚氨酯濕法凝固發泡涂層的結構與性能[J].中國皮革，2016，45(7)：41-43.

　　[12]傅玉玉·水性聚氨酯涂層手套及其生產工藝：102669855 A[P].2012-09-19.

　　[13]孫艷麗，王瑞，劉星，等輕薄低溫防護手套用復合織物的制備及其性能[J].織報，2017(5)：58-63，68.

　　[14]陳夢萍冬季針織保暖手套的溫熱舒適性研究[D].西安：西安工程大學，2014.

　　[15]趙昭，馬興元，蔣坤，等高固含水性聚氨酯發泡涂層的微觀結構與性能[J].中國皮革，2019(2)：53-55，60.

　　[16]黃浚峰高強聚乙烯防切割手套織物工藝與性能的研究[D].杭州：浙江理工大學，2016.

　　[17]ZHANG H，TANG L，ZHANG Z，et al.Wear-resistant and transparent acrylate-based coating withHighly filled nanosilica particles[J].Tribology Intemational，2009，43：83-91.