防水透湿织物的研究现状及发展趋势

刘雍 马敬安  天津工业大学

  原载：六届论文集；113-117（lq023）

【摘要】阐述了防水透湿织物的研究现状，重点介绍了防水透湿机理及其典型织物，以及测试方法、评价、应用领域和发展趋势，并指出了目前需要解决的问题。

    【关键词】防水透湿织物  机理  测试方法  评价  发展趋势

【中图分类号】TS195.  文献标识码:B  文章编号:1002-3348(2004)03-0037-04

    防水透湿织物 (Waterproof & Moisture Permeable Fabric)通常也叫防水透气织物，国外一般称之为Waterproof and Breathable Fabric(可呼吸织物)。防水透湿织物是指具有使水滴(或液滴)不能渗入织物，而人体散发的汗气能通过织物扩散传递到外界，不致在衣服和皮肤间积累或冷凝，感觉不到发闷现象的功能性织物。它是人类为抵御大自然的侵害，不断提高自我保护的情况下出现的，集防风、雨、雪，御寒保暖，美观舒适于一身的高技术纺织品。研究表明，只有当靠近皮肤的衣服内"微气候区"的温度在32±l℃，相对湿度在50%±10%时人才感到舒适，此时人体处于最佳的生理状态。人体出汗是热平衡调节中的有效散热手段，不同运动条件下人体散热量和排汗量如表1所示，其中人体散热量的80%是经过皮肤蒸发散热的[1]。用这种织物做成的服装，不仅能满足严寒雨雪、大风等恶劣天气环境中人们活动时的穿着需要 (如冬季军服等)，也适用于人们日常生活对雨衣、运动衣等的要求，且穿着舒适美观，无湿冷感，防止冻伤，尤其是2003年肆虐我国的"非典"时期，防水透湿服装发挥了重要作用，因而具有广阔的发展前景。

表1  不同运动条件下人体散热量和发汗量

1   防水透组织物的研究现状

   人们很早就认识到，野兽毛皮是天然的防水透湿材料。但人类早期的防水透湿织物一般只有防水功能却不透湿。据文献记载，织物上涂漆是最早的涂层加工技术，用刮涂和揉漆相结合的方法，将织物加工成为漆布，作为御雨蔽目的用品或用作包装材料。在我国西周的墓葬中，就有漆布残片，涂层黑色漆。油布也是一种很好的防水材料，如东汉时期使用的"油缇帐"。到明清时期已可制成雨伞、雨冠雨衣和雨裳等多品种织物。橡胶涂层防雨布的最早记载是在公元1600年以前，哥伦布在美洲大陆发现当地土著利用橡胶浆液涂布生产防水织物。18世纪末19世纪初，英国出现了关于橡胶乳液制造防雨布的专利，使橡胶涂层构成了现代涂层工业的基础[2]。   

这些早期的防水织物，由于人体散发的汗蒸汽不能及时通过织物扩散或传导到外界而积聚在体表和织物之间，由此产生湿冷感，促使人们着手研究能防水且透湿的织物。最早的防水透湿织物据说是20世纪40年代初由英国Shriley锡莱研究所设计的著名文泰尔 (Ventel)防雨布，它的出现标志着防水透湿织物正式走向市场[3]。

今天，人们已成功地将矛盾的防水和透湿性能集于一种织物之中，巧妙地将防水透湿织物的设计与纺织品转移水蒸气及液态水的机理密切结合起来根据不同的机理，开发了许多防水透湿织物，概括起来主要有以下3种类型:

(1)利用孔隙自然扩散的机理设计具有防水透湿功能的高密织物。利用精梳高支棉纱或其他超细合成纤维长丝织成高密织物，使纱线间隙变得非常小，经过防水处理具有一定的防水性。近年来，随着超细纤维的飞速发展，各种超高密织物不断涌现。这类织物的透汽性主要取决于水蒸汽从纱线间空隙的自然扩散，由下式[4]表示:

R=T/B+0.71d(l/B-l/B^1/2)

式中：R-气体扩散阻力

T-织物厚度

B-开孔率

d-孔径

这类高密织物的特点是透湿性、透气性良好，织物的柔软性和悬垂性也较好，但耐水压一般都很低，若需要较高耐水压尚需进一步涂层或层压。而且在织造过程中需要调整织机对织造高密织物的适应性，如改进传动机构、打纬、卷取结构以及减少织口移动等[5]。如日本钟纺公司Savinal DP超高收缩高密织物，其纬纱为30%尼龙和70%涤纶的超细复合纤维，经纱为70D/72根的普通涤纶丝。织成的高密织物，纬向收缩40%，成为更密实的织物，纤维间孔径可控制在7μm，单丝细度＜0.2D，单丝密度达68580根/(2.54cm)²，透湿量5000-7000g/m²·24h，耐静水压700mm、以上，兼具有保暖性和伸缩性。德国Hoechst公司Trevira Frnasse防水透湿超细聚酯高密织物，经纱长丝细度(1.4dtex，纬纱长丝细度＜0.7dtex，单丝经密为4800根/cm，单丝纬密为2680根/cm。经氟化整理，最后成品的孔径为雨滴的1/3000，透湿达(20-40)×l0³g/m²·24h，耐静水压5Ocm水柱，淋雨实验表明，人工雨淋5h，织物仍保持干燥。

(2)利用微孔机理设计的微孔膜防水透湿涂层织物。

微孔透湿是利用能降落到地面的雨滴直径通常在20-10000μm，而水蒸气分子的大小为0.0004μml;设计微孔直径小于水滴而大于水蒸气，织物外侧的水不易穿透织物渗透到织物内侧，而人体本身散发的汗气能够通过微孔扩散到外界的原理，在织物涂层部分形成贯通的零点几微米到几十微米孔径的膜，表面孔径一般小于2μm，从而起到防水透湿作用，如图1。水蒸汽分子和不同状态下雨滴直径如表2。其透湿过程实质是一个扩散过程，也就是水蒸汽分子从一个孔移动至另一个孔，从高浓度区域向低浓度区域流动，它包括3个过程：气体或蒸汽在薄膜表面"溶解'，在一定梯度下薄膜内扩散，最后在浓度低的另一面蒸发。

 表2  水蒸汽分子和水在不同形态下的直径[6]

利用微孔透湿机理，巳开发出了许多防水透湿织物。如:湿法PU涂层、不同沸点的溶剂干法PU涂层及PTFE层压织物等。其中以美国W.L.Gore公司的由PTFE微孔膜与织物复合Gore-Tex最为著名，其起主要防水透湿作用的是聚四氟乙烯微孔膜。每平方英寸微孔膜具有90亿个微孔，孔径为0.2-5μm，比一般水滴小1.2万倍，比水蒸气分子大700倍，膜厚25μm，开孔率＞82%，透湿量5000g/m²·24h，耐静水压l00cm以上。聚四氟乙烯微孔膜电镜照片和Gore-Tex织物示意图如图2、3。

Gore-Tex织物具有优良的性能，其防水效果显著，粘结牢度高。但其二维拉伸制膜工艺复杂，成本太高，价格不菲，且柔软性、悬垂性不太令人满意。

   (3)利用高分子间"孔"和亲水基团透湿机理设计的无孔膜防水透湿织物。无孔膜透湿原理是在大分子链上引入亲水性链段，通过亲水性链段上的亲水基团，按 "吸附-扩散-解吸附"的方式将水汽分子由高湿度侧传递到低湿度一侧，从而达到透湿的目的。其中的亲水基团常被称为 "化学阶梯石"'。吸附-扩散-解吸附示意图和水分子扩散的自由体积模型如图4、图5。

   主要典型织物如德国Akgo公司sympatex为聚酯型无孔膜 (l5μm厚)与织物层压(2层或3层)。透湿量为2500g/m²·24h，耐静水压达l0米水柱(lbar)。英国Baxanden公司的Wilcoflex Staycool为涂层的防水透湿织物，透湿量:2500-8000 g/m²·24h (基布为尼龙)，3500-l0000 g/m²·24h (基布为T/C织物，耐静水压达15Ocm水柱。

   根据这种机理制造的防水透湿织物具有良好的防水性和防风性，但织物悬垂性和柔软性差，透湿性相对较低，附着牢度较差。

   顾名思义，防水透湿织物性能测试的主要内容是防水性和透湿性。但如何评价这两种性能目前有不同测试方法，当然各种测试方法所测得的结果也不尽相同。即使是采用相同的测试方法，也往往由于条件略微改变而难以获得相同的结果，因此何种透湿性测试方法较为适当，日前为止尚无统一标准[7]。

1·1    防水透湿织物的防水性测试

   防水透湿织物的防水性测试，大体分为实地测试、模拟测试和实验室测试3类。关于实地测试，其花费较大，时间较长，一般需花费半年到一年或更长的时间。实验期间，定期测试防水透湿织物的防水性，从而得出其实用性，数据一般比较准确。就模拟测试而言，环境控制室则成为必不可少的条件，用来模拟各种天气环境和人体运动状态，测试舒适性。环境控制室中装有人工雨塔，可把水从lOm高处以45OL/m·h的流量如暴雨般地泄向人体模型，直径约为5mm的水滴从顶部2000个孔中喷出，其速度约为40km/h，这种测试手段与前者相比一般时间较短，但花费很高。实验室测试主要包括静水压测试和喷淋试验等，如在一侧维持一定的水压，测定单位时间内透过织物的水量；或从一定的高度和角度向待测织物连续喷水，测定浸透时间或吸收的水量或观察试样的水渍形态等。如美国标准测试ASTM D-751和美国联邦标准测试法FED-STD-191A5512以及我国国家标准GB4744-84等都属于该类测试。

1·2 防水透湿织物的透湿性测试

织物透湿性的测试方法主要包括蒸发法和干燥剂法等。蒸发法又包括正相杯法和反相杯法。它们是测定在一定温度、一定湿度和一定的风速下单位时间内透过织物单位面积的水汽量，一般用g/m²·24h来表示。美国标准测试条件规定温度为23℃，相对湿度为50%，风速为2.5m/s测试的条件允许改变。测试标准有美国标准测试ASTM E-96,procedure B、B_W，我国国家标准GB/T12704-91，日本 JISL-1099法和英国的B.T.T.G法等。所谓干燥剂法，是指在一定温度、湿度下，通过测定一定时间内干燥剂所吸收的水蒸汽量，从而获得此条件下单位时间内透过试样单位面积的水汽量以评价织物透湿性的方法，一般测试时间较长。随着研究的深入，人们发现在实际穿着中防水透湿织物往往仅为服装系统中的一部分，而单层和多层对防水透湿织物性能有着很大的差异。但是以往的测试工作大多把重点放在了单层织物上，忽略了组成服装系统整体中其它层织物对整个织物性能的影响。因而有人指出服装系统应作为不可分割的整体去评估，必须找到新的测试方法，于是模拟实际穿着系统来研究织物防水透湿性能应运而生，目前仍有很长的路要走。

1·3 防水透湿织物的评价

就其综合评价而言，以往由于人们主要关注其防水性能或透湿性能，对这方面的研究较少。但随着人们消费观念的转变、消费水平的提高以及其应用领域的不断扩大，如何在其主要性能不断提高的同时，满足人们对防风、保暖、抗菌防病毒、美观(包括手感、舒适感、悬垂性等)、降低成本，甚至个性化等多方面的需要已成为设计者重点考虑的问题。对普通面料的风格评价可能并不适合于防水透湿织物。而且，由于功能性的需要，也不可能单独对织物进行评价，必须综合考虑其加工过程、面料、服装、使用过程、弃后处理等各个方面。比如，防水透湿织物作为服装面料必须具有一定的耐久性，耐水洗性相剥离强度是表明耐久性的两个最重要指标，特别是耐水洗性。国外资料称，Gore-Tex织物大约经过七八次水洗之后，耐水压才开始大幅度下降，而国内同类防水透湿织物有的洗涤一、两次性能就显著下降[6]。另外，加工工程中的污染和使用后的织物回收、降解环保等问题，已经成为摆在研究者面前的重要问题。

2         防水透湿织物的应用领域及发展趋势

经过近几十年的快速发展，防水透湿织物已成为国内外纺织界竞相开发具有特殊功能的高档面料，应用前景十分广阔。目前，根据以上3种机理制造的防水透湿织物己广泛应用于军用服装、工作服装、 运动服装、鞋类等多个领域。尤其是非典防护服，不仅保护无数医务工作者免受侵害，而且使他们在紧张的环境中保持高效的工作。表3为防水透湿织物的主要应用领域。但三者各有长短，在不同的使用条件下各有市场。

表3   防水透湿织物的主要应用领域[4]

   随着科技的进步，人们在利用以上3种机理取长补短制造新的防水透湿织物的同时，正在产品的功能开发上吸收和移植现代新技术，以提升现有防水透湿织物的产品档次。如防水透湿织物的聚氨酯微孔中分布一些颗粒、薄片，通过反射原理阻止辐射热的扩散，从而增加织物的保暖性，同时又具备了高弹性；有记忆功能的聚氨酯智能膜是利用聚氨酯树脂软链段与硬链段组合的结构特征，使其具有适当的玻璃化温度，在高于或低于该玻璃化温度较小范围时，具有调节透湿性的功能；将纳米级的功能微粒植入防水膜，则使原先的防水透湿织物具有抗菌、抗紫外线、防伪等复合功能[1]；利用磁控溅射技术[8]或仿荷叶效应[9]制造新的防水透湿织物等。其产品除具有基本的防水透湿功能外，还需集防风防寒、保温、抗静电、阻燃、抗菌、抗紫外线、舒适、手感柔软等多方面性能于一体，其服装也从最初的军用服装、工作服装等向运动服装、休闲装和特种功能服装方面发展。

参考文献:

[1]陈一飞沈培健，透湿性涂层防水整理原理及功能评价[J]四川丝绸，2003（1）:20-21

[2]周小红王善元，防水透湿织物的加工及发展趋势[J]丝绸，2002(8)；49

[3] Zanax GR., The Design Of Waterproof, Water Permeable Fabrics [J]Journal Of Coated Fabrics, 1985, (7);49-56

[4]郝新敏，防水透湿织物原理及加工现状，国际纺织品动态[J]-994(4):42-45

[5]黄故等，防水透气织物的研制[J]纺织学报，1997（1）；4-7

[6]潘莺王善元，Gore-Tex防水透湿层压织物的概述[J]中国纺织大学学报，1998(5);110-115

[7]张永波顾振亚,防水透湿织物性能测试方法综述[J]针织工业,1999(5);50-54

[8]王东齐宏进,磁控溅射法制备防水透湿织物的性能研究[J]棉纺织技术,2002(1);17-19

[9]马立，仿荷叶效应的防水透湿织物的研究[J]上海纺织科技，1996（1）；50-52