集透气、透湿、抗菌、抗紫外线、隔热和机械强度等性能于一体的多功能超细纤维合成革具有极高的工程应用价值。然而，在合成革中实现所有这些功能一直颇具挑战性。近日，在《有机涂料进展》杂志上发表的一篇文章，介绍了一种多功能水性聚氨酯超细纤维合成革的研发成果。
研究背景
水性聚氨酯超细纤维合成革是将海岛纤维针刺成高密度、高表面积的无纺布，然后涂覆水性聚氨酯（WPU）涂层。它兼具水性聚氨酯的低挥发性有机化合物 (VOC) 排放、优异的机械性能、出色的耐化学性、可调节的成膜性、柔韧性和硬度控制，以及超细纤维合成革的天然皮革质感、优异的物理性能和高度的设计灵活性。这些特性使水性聚氨酯超细纤维合成革在汽车内饰、航空航天和运动器材的工程应用中极具前景。
尽管取得了显著进展，但开发水性聚氨酯超细纤维合成革的一个关键挑战是水性聚氨酯（WPU）涂层的致密化，这会限制水蒸气透过，从而降低透气性和透湿性，最终为细菌生长创造有利条件。出现这个问题是因为用作水性聚氨酯（WPU）溶剂的水具有较高的蒸发焓，在成膜过程中需要升高温度，这增加了聚氨酯分子链的流动性，并导致更致密的膜结构。因此，提高透气性和抗菌性能对于水性聚氨酯（WPU）涂层至关重要。为了提高透气性，一种有前景的方法是采用纳米材料掺杂来改善水性聚氨酯（WPU）涂层的性能，例如纳米SiO2、TiO2和ZnO已被证明可以有效改性水性聚氨酯（WPU）涂层。纳米材料具有较高的比表面积和独特的界面效应，扩大了聚氨酯分子链间的空隙，增加了自由体积，提高了水蒸气透过率。此外，为提高抗菌性能，可以使用壳聚糖、金属（Ag、Cu）、金属氧化物（TiO2、ZnO 和 Cu2O）和碳量子点等有机抗菌剂来改善水性聚氨酯（WPU）涂层的卫生性能。
然而，将纳米材料引入水性聚氨酯（WPU）面临着一些挑战。首先，由于纳米材料容易团聚，因此很难实现纳米材料的均匀分散，这会导致材料性能不均匀，并影响产品质量。其次，引入纳米材料以增加自由体积可以提高透气性，但同时也会松散涂层结构，从而可能降低机械强度。虽然纳米材料的表面改性可以增强其与水性聚氨酯 (WPU) 的相互作用，改善分散性并保持机械强度，但控制改性剂的精确用量却非常复杂且耗时。第三，纳米材料的引入也会降低其抗老化和抗紫外线性能，因为更松散的涂层结构会在分子链之间产生更大的间隙，使材料更容易受到光、热和氧气等外界因素的影响，从而进一步限制其长期稳定性。
制造水性聚氨酯超细纤维合成革的另一个问题是将海岛纤维转化为超细纤维，这需要根据海岛纤维的类型使用各种溶剂来溶解海岛纤维中的“海”成分。常见的海岛纤维包括尼龙/聚酯（PA/PET）海岛纤维、聚酯/聚酯（PET/PET）以及新兴的聚乙烯醇/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PVA/PET) 海岛纤维。对于PA/PET纤维，通常使用苯酚或甲酸等有机溶剂；而PET/PET纤维则需要碱性溶液，这两种溶剂都会削弱水性聚氨酯超细纤维合成革的功能性。因此，确保纳米材料的化学稳定性，防止其在开纤过程中溶解或降解至关重要。新兴的聚乙烯醇/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PVA/PET）海岛纤维，其PVA成分可有效溶解于水或弱碱性溶液中，为超细纤维的生产提供了一种环保高效的替代方案。
多功能水性聚氨酯超细纤维合成革的制备原理
研究人员基于“硬纳米填料+软基材”多相材料协同增强和界面补强原理，创新性地制备了木质素杂化空心二氧化硅微球（LHHS），并将其掺入水性聚氨酯（WPU）涂料中应用于海岛纤维皮革，开发出多功能水性聚氨酯超细纤维合成革。LHHS的空心结构与木质素杂化相结合，增强了透气透湿性能，同时兼具紫外线吸收和抗菌性能。木质素中羟基与磺酸基之间的氢键作用以及水性聚氨酯中酰胺键的相互作用，改善了LHHS在水性聚氨酯基质中的相容性，在不影响机械强度的前提下提供了多功能性。
该多功能水性聚氨酯超细纤维合成革表现出优异的透气性（193.39 mm/s，比不含LHHS的皮革（65.69mm/s）提高了194.39%）、令人印象深刻的透湿率（4922.9g/m2·24 h，提高了138.7%）、卓越的紫外线防护性能（UPF1600，远远超过商业标准50）、高抗菌效果（对大肠杆菌的抗菌率为97.8%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为95.0%）和强大的机械强度（20MPa）。这项研究为开发高性能多功能皮革提供了一种有效的策略。
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