水性聚氨酯超细纤维合成革（WPU-MFL）是将海岛纤维制成高密度、高比表面积的非织造布，然后涂覆水性聚氨酯（WPU）涂层，并溶解海岛纤维中的“海”成分而制成的。它结合了WPU的低VOC排放、优异的机械性能、耐化学性、可调的成膜能力、柔韧性和硬度控制，以及类似天然皮革的质地、优异的物理性能和高设计灵活性。这些特性使WPU-MFL在汽车内饰、航空航天和运动设备的工程应用中极具前景。
开发WPU-MFL的一个关键挑战是WPU膜的致密化，这限制了水蒸气的传输，从而降低了透气性和透湿性，为细菌生长创造了有利条件。这个问题是因为WPU制造过程中使用水作为溶剂，具有较高的蒸发焓，在成膜过程中需要较高的温度，这增加了聚氨酯（PU）分子链的流动性，导致膜结构更致密。因此，提高透气性和抗菌性能对WPU膜至关重要。为了提高透气性，一种很有前景的方法是基于聚合物膜自由体积增强理论，通过添加纳米材料可以改善WPU膜的性能。如纳米二氧化硅（SiO2）、二氧化钛（TiO2）和氧化锌（ZnO）都已被证明可以有效改性WPU膜。这些纳米材料的高比表面积和独特的界面效应扩大了PU链之间的间隙，增加了自由体积并增强了水蒸气的透过率。此外，为了提高抗菌性能，还使用了壳聚糖、金属（Ag、Cu）、金属氧化物（TiO2、ZnO、Cu2O）和碳量子点等有机抗菌剂，以提升WPU膜的卫生性能。然而，将纳米材料引入WPU膜也伴随着一些挑战。首先，由于纳米材料容易团聚，很难实现均匀分散，这可能导致材料性能不均匀，影响产品质量。其次，引入纳米材料增加自由体积，提高透气性，但这也使薄膜结构松动，降低机械强度。虽然纳米材料的表面改性可以增强与WPU的相互作用，改善分散性并保持机械强度，但精确控制改性剂的量既复杂又耗时。第三，纳米材料的引入还会降低抗老化和抗紫外线降解的能力，因为更松散的薄膜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、氧等外部因素的影响，这可能会进一步限制其长期稳定性。
制造功能性WPU-MFL的另一个挑战是将海岛纤维转化为超细纤维，这涉及使用基于海岛纤维类型的各种溶剂来溶解海岛纤维中的“海”成分。常见的海岛纤维有尼龙/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纤维需要碱性溶液，两者都会削弱WPU-MFL的功能。因此，确保纳米材料在纤维打开过程中的化学稳定性，防止其溶解或降解是至关重要的。新兴的PVA/PET海岛纤维，其中PVA成分可有效地溶解于水或弱碱性溶液中，为超细纤维生产提供了一种环保、高效的替代方案。
近期，浙江理工大学戚栋明/孙阳艺团队基于“刚性纳米填料+软基材”多相材料协同增强和界面增强原理，成功制备了一种集透气性、透湿性、抗菌性、抗紫外线性、隔热性和机械强度于一体的高性能水性聚氨酯超细纤维合成革。
以木质素杂化中空二氧化硅微球（LHHSs）作为纳米填料，加入应用于海岛纤维皮革的水性聚氨酯（WPU）涂层中，制得多功能水性聚氨酯超细纤维合成革（MWPU-MFL）。
该超纤革（MMPU-MFL）具有优异的透气性（透气率为193.39mm/s，比未添加LHHSs的皮革提高了194.39%）、显著的透湿率（4922.9g/m2·24h，提高了138.7%）、出色的紫外线防护性能（UPF为1600，远远超过商业标准50）、高抗菌功效（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为97.8%和95.0%）以及强大的机械强度（20 MPa）。因此，本研究为开发多功能皮革提供了有效的策略，在鞋类、手袋、汽车内饰等工程应用中具有巨大的应用潜力。
制造工艺
多功能超细纤维皮革的设计与制造工艺示意图。
LHHSs合成过程
LHHSs合成过程示意图。
透气性和透湿性
(a)超细纤维皮革透气性和透湿性机理图；(b)不同LHHSs含量的超细纤维皮革的透气性和(c)透湿性。
超细纤维皮革防紫外线性能机理图。
数据来源与出处
相关研究成果以“Multifunctional waterborne polyurethane microfiber leather with breathable, moisture-wicking, antibacterial, weather-resistant, and high-strength”为标题发表在《Progress in Organic Coatings》上。
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