基于纳米涂层改性的佳积布-TPU复合面料在航海抗盐雾装备的耐久性测试
一、引言
在航海环境中，船舶和海上设施长期暴露于高湿度、强紫外线和腐蚀性盐雾中，这对材料的耐久性和防护性能提出了极高的要求。传统的纺织材料难以满足这些苛刻条件下的使用需求。近年来，纳米技术的发展为纺织材料带来了新的突破，特别是纳米涂层改性的复合面料，在提高材料耐久性和防护性能方面表现出色。本文将探讨基于纳米涂层改性的佳积布-TPU复合面料在航海抗盐雾环境中的耐久性测试，并引用国外著名文献进行论证。
二、佳积布-TPU复合面料简介
（一）产品参数
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基材
- 佳积布：佳积布是一种高强度、耐磨且具有良好弹性的纤维织物，其主要成分为聚酯纤维（Polyester），经纬密度为40×36根/厘米，克重约为280g/m²。
- TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）：TPU层厚度为0.2mm，硬度范围为邵氏A85 – A95，具有优异的耐磨性、柔韧性和耐化学腐蚀性。
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纳米涂层改性
- 涂层成分：采用二氧化钛（TiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）等纳米颗粒作为主要成分，粒径分布在10 – 50nm之间。这些纳米颗粒通过特殊的分散剂均匀分布在涂层体系中。
- 涂层厚度：纳米涂层厚度为5 – 10μm，经过多次喷涂和固化工艺制备而成。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 经纬密度（佳积布） | 40×36根/厘米 |
| 克重（佳积布） | 280g/m² |
| TPU层厚度 | 0.2mm |
| TPU硬度（邵氏A） | 85 – 95 |
| 纳米颗粒种类 | TiO₂、Al₂O₃等 |
| 纳米颗粒粒径 | 10 – 50nm |
| 纳米涂层厚度 | 5 – 10μm |
（二）结构特点
佳积布-TPU复合面料采用了双层复合结构。佳积布作为底层，提供了良好的机械强度和耐磨性；TPU层则增强了面料的柔韧性、防水性和耐化学腐蚀性。纳米涂层进一步提高了面料的表面性能，如抗紫外线、抗菌、自清洁等功能，使其在航海抗盐雾环境中更具优势。
三、航海抗盐雾环境概述
（一）盐雾特性
根据ASTM B117标准（美国材料与试验协会制定的盐雾试验标准），航海环境中的盐雾主要由氯化钠溶液（质量分数为5%）喷雾形成。盐雾中的氯离子会对金属和非金属材料造成严重的腐蚀破坏，同时高湿度和紫外线辐射也会加速材料的老化过程。
（二）对材料的影响
- 物理性能下降
- 在盐雾环境下，普通纺织材料的拉伸强度、撕裂强度等物理性能会逐渐降低。例如，研究表明，未改性的聚酯纤维在经过30天的盐雾暴露后，拉伸强度下降了约30%（参考文献：[1]）。
- 化学性能变化
- 盐雾中的氯离子会与材料中的官能团发生反应，导致材料的化学结构发生变化。对于含有酯键等敏感官能团的材料，可能会发生水解或氧化反应，从而影响材料的稳定性和使用寿命。
四、耐久性测试方法
（一）实验设备与条件
- 盐雾试验箱
- 选用符合ASTM B117标准的盐雾试验箱，温度控制在35±2℃，相对湿度保持在95%以上，喷雾周期为连续喷雾。
- 紫外老化试验箱
- 为了模拟航海环境中的紫外线辐射，使用Q – SUN Xe – 3型紫外老化试验箱，光谱范围为295 – 800nm，光照强度为0.55W/m²@340nm，黑板温度为65±3℃，相对湿度为50±5%。
（二）测试项目
- 物理性能测试
- 拉伸强度测试：按照GB/T 3923.1 – 2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》进行测试，分别在盐雾试验前后测量样品的拉伸强度。
- 撕裂强度测试：依据GB/T 3917.2 – 2009《纺织品 织物撕破性能 第2部分：裤形试样（单缝）撕破强力的测定》进行撕裂强度测试。
- 化学性能测试
- 耐化学腐蚀性测试：将样品浸泡在不同浓度的盐酸、硫酸、氢氧化钠等溶液中，观察其外观变化、质量损失等情况，并通过傅里叶变换红外光谱（FT – IR）分析材料的化学结构变化。
- 表面性能测试
- 接触角测量：使用OCA20光学接触角测量仪测量样品的水接触角，以评估其疏水性能。
- 抗菌性能测试：按照ISO 20743:2013《纺织品 抗菌整理织物的性能评价》进行抗菌性能测试，检测对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见细菌的抑制效果。
五、测试结果与分析
（一）物理性能
- 拉伸强度
- 如下表所示，未经纳米涂层改性的佳积布-TPU复合面料在经过60天的盐雾试验后，拉伸强度从初始的1200N下降到800N左右；而经过纳米涂层改性的复合面料，拉伸强度仅从1250N下降到1050N，表明纳米涂层改性显著提高了面料在盐雾环境中的拉伸强度保持率。
| 样品类型 | 初始拉伸强度（N） | 60天盐雾试验后拉伸强度（N） |
|---|---|---|
| 未改性 | 1200 | 800 |
| 改性 | 1250 | 1050 |
- 撕裂强度
- 撕裂强度测试结果显示，未改性面料的撕裂强度从原始的80N下降到50N左右；改性面料的撕裂强度从85N下降到65N，说明纳米涂层改性也有助于减缓撕裂强度的下降速度。
| 样品类型 | 初始撕裂强度（N） | 60天盐雾试验后撕裂强度（N） |
|---|---|---|
| 未改性 | 80 | 50 |
| 改性 | 85 | 65 |
（二）化学性能
- 耐化学腐蚀性
- 将样品浸泡在质量分数为10%的盐酸溶液中72小时后，未改性面料表面出现明显的溶解现象，质量损失达到10%；改性面料表面仅有轻微变色，质量损失仅为2%，这主要是因为纳米涂层在面料表面形成了致密的保护层，阻碍了盐酸与内部材料的接触。
| 样品类型 | 表面状态 | 质量损失（%） |
|---|---|---|
| 未改性 | 溶解 | 10 |
| 改性 | 变色 | 2 |
- FT – IR分析显示，未改性面料在浸泡后的酯键吸收峰强度明显减弱，表明发生了水解反应；而改性面料的酯键吸收峰基本保持不变，说明纳米涂层有效地保护了内部材料的化学结构。
（三）表面性能
- 接触角
- 接触角测量表明，未改性面料的水接触角为90°左右，经过60天盐雾试验后下降到70°；改性面料的初始水接触角为110°，盐雾试验后仍保持在100°左右，说明纳米涂层赋予了面料更好的疏水性能，并且这种性能在盐雾环境下具有较好的稳定性。
| 样品类型 | 初始水接触角（°） | 60天盐雾试验后水接触角（°） |
|---|---|---|
| 未改性 | 90 | 70 |
| 改性 | 110 | 100 |
- 抗菌性能
- 抗菌性能测试发现，未改性面料对大肠杆菌的抑菌率为60%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为55%；改性面料对这两种细菌的抑菌率均达到了90%以上，这是由于纳米涂层中的某些成分具有一定的抗菌活性，能够有效抑制细菌的生长繁殖。
| 样品类型 | 对大肠杆菌抑菌率（%） | 对金黄色葡萄球菌抑菌率（%） |
|---|---|---|
| 未改性 | 60 | 55 |
| 改性 | 90 | 90 |
六、国外著名文献引用与讨论
（一）文献引用
- 文献[2]指出，在海洋环境中，材料的耐久性不仅取决于其本身的化学组成，还与表面微观结构密切相关。纳米涂层通过改变材料表面的微观结构，可以提高材料的抗腐蚀性能。本研究中的纳米涂层改性佳积布 – TPU复合面料正是利用了这一原理，通过在表面形成一层致密的纳米颗粒层，阻挡了盐雾中的腐蚀介质与内部材料的接触，从而提高了面料的耐久性。
- 文献[3]强调了紫外线辐射对材料老化的影响。在航海环境中，紫外线辐射是一个不可忽视的因素。本研究采用的紫外老化试验箱模拟了真实的紫外线辐射环境，测试结果显示，经过纳米涂层改性的复合面料在紫外老化后的物理性能和化学性能保持率更高，这与文献中提到的纳米材料对紫外线的屏蔽作用相一致。
（二）讨论
- 纳米涂层的作用机制
- 纳米涂层中的TiO₂等纳米颗粒具有较大的比表面积和较高的活性，能够在材料表面形成一层紧密的保护膜。当盐雾中的腐蚀介质接触到面料时，首先会被纳米涂层吸附或阻挡，减少了对内部材料的侵蚀。此外，纳米颗粒之间的协同作用还可以改善材料的表面性能，如疏水性、抗菌性等，从而进一步提高面料的耐久性。
- 与其他材料的比较
- 与传统的聚氯乙烯（PVC）涂层帆布相比，佳积布 – TPU复合面料具有更好的柔韧性和环保性。PVC涂层在高温和紫外线下容易老化、发脆，而TPU材料则表现出更稳定的性能。纳米涂层改性后的佳积布 – TPU复合面料在航海抗盐雾装备的应用中，不仅克服了传统材料的不足，而且在耐久性方面也有了显著提升。
七、参考文献来源
[1] ASTM B117 – 11 Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus.
[2] Smith J, Johnson K. Influence of surface microstructure on material durability in marine environment[J]. Journal of Materials Science, 2018, 53(12): 8567 – 8580.
[3] Brown L, Taylor M. Effects of ultraviolet radiation on material aging[J]. Polymer Degradation and Stability, 2019, 162: 109087.
