防水透湿织物的研究进展
杨晓红 南通纺织职业技术学院
原载：六届后整理论文集；123-126（lq025）
【摘要】介绍了防水透湿织物的种类及其加工方法，探讨了其防水透湿的机理，对防水透湿加工的发展趋势，尤其是聚氨酯的应用作了分析。
【关键词】防水 透湿 涂层 聚氨酯
随着纺织加工技术的发展，防水透湿织物成为一种新型高档纺织品，它集防水、透湿、透气、挡风、保暖于一体，这类服装穿在身上，既能防雨防风，又能排汗透气，穿着舒适，因外称之为"可呼吸织物"(breathable)。人们在日常生活中，需要接触水，进行室外活动或工作，这样就对服装提出了防水，能抵御雨水和风寒的要求，但同时对其透气、透湿性也有一定的要求。人体在静止状态下，每小时排出60-70ml的汗液;在运动状态下每小时排出500ml汗液(对应于织物透湿量为0.7-1.2kg/m2·24h):而剧烈运动时，每小时排出的水分高达1000ml(1.9kg/m2·24h)。如果汗液不及时散发，潮湿度增大，既产生潮闷之感，又会造成大量的热量散失。防水透湿织物就是这样一种织物，能自动调节透湿性，使体内排出的汗液及时散发至外界，同时又能够抵御外界水的穿透和寒风的侵袭，从而起到透湿保暖的作用，使人体感觉非常舒适。
防水透湿织物首先被开发用在军服、防护服的生产上，现在已广泛用于运动服、旅行包、帐篷等的制造。此外，防水透湿织物还可作外伤敷料，使伤口皮肤干燥，细菌不侵入，也可作外科医生工作服和无尘工作室的防尘工作服。
1 防水透湿织物的生产方法及透湿机理
1·1 紧密型防水透湿织物
采用超细纤维(细度小于：1dtex)紧密织造，使织物的经纬交织间的间隙或织物复合物的孔径界于水滴最小直径(100μm)与水蒸气或空气的直径(0.0004μm)之间，达到防水透湿的目的。因此，其透湿机理主要是水汽在纱线空隙之间的简单自然扩散、纤维束之间的毛细管传递以及在单根纤维间的扩散。
水气在纱线空隙之间的扩散和在纤维束之间的毛细管传递是由织物从内到外的水蒸汽压力梯度所控制的。水汽在单根纤维间的扩散主要涉及水蒸气吸附在织物内表面纤维上，通过纤维扩散，在织物外表面解吸。当纱与液态水接触时，孔隙或毛细管提供了毛细吸水能力，在毛细管上产生的附加压力P(pa)，与界面张力a的关系如下:
P(pa)附加压力 = 2αcosθ/R
α为液气界面张力(N/m)，20℃时水的α值为0.0725，θ为材料与液体的接触角，R为孔径。随着纤维细度的减少，孔隙直径R按同比例减少，由此可见：表示孔隙或毛细管的排液能力的附加压力随孔径的减小而增大，故超细纤维对液态水的排放是十分有利的[1]。
紧密织物的产品有超高密织物、特高密织物，最早研制出的是一种称为Ventile的相当紧密的全棉高支高密织物，干态时人体排汗产生的水汽在纱线之间的空隙中通过亲水纤维扩散和通过纤维束进行毛细管传送，透湿性较好，在遭雨淋时，棉纤维的亲水性引起纱线膨胀，使纱线之间的空隙从10μm减少到 Bμm、在短时间内能防止水的渗透，但手感变得僵硬，不利于穿着。现在的紧密型防水织物多是超细聚酯或尼龙纤维织物，纤维之间，纱线之间紧密排列，耐水压达104-l05Pa，如经防水处理，可获得长期的防水效果。高密织物轻薄耐用、透湿性好、柔软、悬垂性好、防风，但防水性差、织物撕裂性能差，纺纱需特殊处理 (纱线和细纤度)，生产成本高，加工困难。
1·2 涂层型防水透湿织物(Coating finish fabrics)
用涂层工艺涂布，封闭织物表面的孔隙，获得防水性，其透气性则是通过涂层剂在织物表面形成含有大量微孔的薄膜或薄膜中的亲水性基团的传递通道而获得的。制备涂层剂的高聚物有聚氯乙烯、聚乙烯、聚氯丁橡胶等，近年来，聚氨酯材料 (polyurethane，简称:PU)除具有良好的防水透气性以外，其良好的耐磨性、抗化学及水解性、耐低温性、弹性使其在应用的范围和自身性能的改善方面得到极大的发展，且具有广阔的应用前景[2]。
1·2·1微孔涂层法 (Micro-porous flim)
雨滴的直径通常为l00μm-30000μm，而水蒸气分子直径为0.0004μm，微孔涂层的防水透湿织物是根据水汽分子和雨滴尺寸相差悬殊的事实，设计微孔的大小，一般为2-5μm，织物外侧的水滴由于表面张力不会渗入，而水蒸汽能自由通过从而具有防水透湿功能。
1967年，Fonseca G.F得出了泡沫涂层微孔防水织物的传湿速率经验公式:
WVT = AB/[T+0.71d(l-B)]
WVT为传湿速率，B为孔隙率，T为厚度，d为微孔直径，A为常数
Tagawa等人根据Hager-Posuille方程得出了传湿量公式:
W = π×d4×ρ×n×g/(1.09×102×L)
W为传湿量，d为微孔直径，ρ为传输物质密度，n为孔数，g为重力加速度，L为涂层厚度[3]，在织物上形成微孔的方式主要有：湿凝聚法、干法涂层法、泡沫涂层法。 1·2·1·1湿凝聚法
湿凝聚法是最早有美国杜邦(DuPont)公司研制成功，利用聚氨酯溶于DMF等水溶型有机溶剂而不溶于水的特性，将溶于DMF的聚氨酯涂层液涂敷到织物上，放置于水中，由于聚氨酯不溶于水，而DMF与水可以互溶，使得水与聚氨酯内的DMF发生置换，通过双向扩散，水不断从树脂溶液中萃取出溶剂DMF进入水相，水则进入聚氨酯涂层膜中，使聚氨酯发生凝固，形成皮膜，在皮膜中形成大量相互贯通的蜂窝状多孔结构，孔隙直径在0.5-2μm之间。透湿性可达4000g/m2·24h，耐静水压力200cm。代表性品牌有日本东丽 (Toray)公司的"Entrant"，美国Burlington公司的"Ultex"，英国 Nylaperm公司的"Tarka"。
1·2·1·2 干法涂层法
将聚氨酯树脂的有机溶液(如甲苯、丁酮)，加入水中制备W/O乳液，然后在织物上涂层，在不同温度下蒸发，低沸点的溶剂首先蒸发，水在涂层中的比例不断提高，当达到一个临界值时，聚氨酯析出，并形成大量微孔。
透湿性约为4000g/m2·24h，防水性为2.45×105Pa(25000mmH2O)，该法工艺简单，但有机溶剂的 挥发，易造成环境污染。代表产品有比利时UCB Special Chemical公司Ucecoat 2000。
1·2·1·3 泡沫涂层法
采用聚氨酯中加入阳离子或非离子表面活性剂，在涂层过程中，加入发泡剂形成泡沫状，涂敷到织物上，当空气从膜中逸出后，膜形成微孔，从而使其有透湿性能。由于微孔存在，其防水性较差。代表产品有Ciba Geigy公司开发的 Dicrylan（丙烯酸酯类）系列。
1·2·2 致密亲水膜涂层法(Hydrophilic Film)
这是一种防水性好，又具有透气性的加工方法，透气性机理明显不同于微孔薄膜。利用高分子物质分子链中含有一定量的亲水性基团(-OH、-COOH、-NH2)，这些基团作为水分子的阶石，水分子由于氢键和其他分子间力，在高湿度一侧吸附水分子，通过大分子键的热运动，由亲水基团传递到低湿度一侧解吸，形成 "吸附-扩散-解吸"过程，达到透气目的，其防水性来自于薄膜自身的连续性和较大的表面张力，是一层致密的实心层。无论是溶剂型还是水性涂层剂，采用直接涂层法，溶剂挥发或水分挥发而形成无孔薄膜。由于膜 中没有微孔，防水性能好，透气性稍逊。一般在织物表面需拒水整理，否则会在表面形成层水膜，影响透气性，透气量可达4500g/m2·24h，耐水压可达数十万帕。代表产品有英国Baxenden化学公司生产 的Witcoflex Staycool、X-Liner等，比利时UCB Special Chemicals公司的Ucecoat NPU产品，德国Bayer公司的Impraperm，日本东纺制造公司的Bion Ⅱ，日本三菱化成公司的Excepor U等。
1·3 薄膜层压型防水透湿织物(laminated fabrics)
此工艺是将具有防水透气功能的薄膜(通常是微孔薄膜)，采用特殊的粘合剂，层压或粘结到各类织物上，获得防水透气的效果。1976年，PTFE(聚四氟乙烯)膜防水透湿的层压织物Gore-tex研制成功。功能性膜分为微孔型、致密亲水膜和微孔亲水结合膜。微孔膜防水透湿机理与微孔涂层类似，其成膜方法有水溶性聚合物分散体形成泡沫，干燥后压制成膜；相分离法；"干式"凝固拉伸成膜。致密亲水膜的防水透湿机理如同亲水性涂层，利用亲水性高聚物制成致密实心膜而后粘贴到织物上。典型的产品有Gore-tex织物，Sympatex膜织物(PET膜)，Bion Ⅱ膜织物 (PU)[4]。
2 防水透湿织物的发展趋势
防水透湿织物的加工方法已经逐步形成，目前处于技术完善与产品迅速发展阶段，不同加工方法生产的防水透湿织物由于机理的差异，也各有优点和缺点。紧密织物技术工艺简单，织物手感、悬垂性和透湿性好，而防水性较差。微孔膜防水透湿织物的防水和透湿的载体不同，前者是膜，后者是微孔故能兼顾防水性和透湿性，但微孔易堵塞。致密膜防水透湿织物的防水和透湿载体是相同的，虽不存在堵塞的问题，难以同时保证优良的防水性和透湿性。随着人们消费观念的改变和科学技术的发展，防水透湿织物的加工向绿色加工、增加织物的多功能性、降低成本方面发展。
2·1 环保型聚氨酯涂层剂的开发
当前聚氨酯涂层，不管是干法还是湿法生产，所用的聚氨酯涂层剂大多是溶剂型，含有70%左右的DMF、甲乙酮、甲苯等有机溶剂，这些溶剂对环境造成污染，易燃易爆，且溶剂回收困难，湿法加工的设备中溶剂回收装置价格昂贵，而干法的直接排放造成严重的环境污染，因此，发展水乳性聚氨酯涂层胶，在生产过程用水代替有机溶剂，减少环境污染，降低成本，有重要的社会意义。美国Polytech公司的Urcatech就是在这方面着手，而被誉为"面向新世纪的高科技产品"。近年来，水性聚氨酯涂层剂的研究开发也较活跃，但和国际先进水平尚有一段距离，所以，该领域的科研人员也深知肩上的重担，正抓住机遇，迎头赶上。
2·2 调温功能聚氨酯的应用
聚乙二醇PEG(polyethylene glycol)在织物用聚氨酯涂层中具有透湿和热调节双重作用。80年代中后期，美国vigo等曾提出将PEG应用于织物功能整理，采用将PEG与2D树脂同浴与织物交联的方法，使织物具有耐久性的热调节功能[5]，现多采用将PEG作为多元醇组分与异氰酸酯单体等合成PU聚合物进行涂层整理，发现随着PEC用量增加，透湿性和热调节性能同时增加，而且在热调节作用的温度区间透湿性具有突变现象。PEG是具有蓄能保温作用的物质，当温度下降到PEG的结晶温度(TG)温度附近，PEG链段开始结晶，亲水基团活动性变差，透湿(气)性急剧降低，起到挡风保温作用。当温度升高接近PEG的熔融温度(Tm)时，聚合物体积膨胀，亲水基团的空间自由体积增大，微布朗运动加剧，大量水分子借助亲水基团的"化学阶梯石"从高湿度一侧迁移到低湿度一侧解吸，透湿率大增，起到排湿去热作用，充分表现出透湿性和热调节性能之间的协同效应[6]。在合成反应：根据需要的热活性温度区域和热活性大小进行PU分子设计，使高聚物的相变温度处于人体正常活动的范围，在环境温度变化或人体活动出汗时，穿着者都会感到舒适。
2·3 多功能防水透湿织物
涂层织物已是国际市场上发展最迅猛的纺织新产品，在服装，装饰及产业用布方面得到了广泛应用。目前，赋予织物单一的防水、防紫外线、阻燃，耐气候变化等功能的产品很多，但产品单一，故应开发多功能产品，以满足市场的要求。如在PU涂层剂中渗入金属粉末如陶瓷粉，形成金属层，反射人体的辐射热，同时向人体辐射远红外线，使织物保暖性提高，并能促进人体微循环具有保健功能[7]。在PU涂层剂中加入甲壳质，不仅可以提高透气性和吸湿性，还可赋予织物抗菌性能以及优良的手感。有记忆功能的聚氨酯智能膜是利用聚酯硬段和软段结合的特征，设计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内，具有调节透湿性的功能。选用适当氨基酸与多元醇组分混合，再与异氰酸酯组分无规或嵌段加聚，制成改性聚氨酯，可以大大提高织物的透气性，据报道如三菱化成Excepor-U，最大透气量可达7000g/m2·24h。
3 结束语
虽然防水透湿织物开发的时间不长，但已成为各国纺织品产品开发的主要项目，防水透湿织物是一种现代的高档产品，根据其不同的防水透湿机理主有紧密织物型，涂层型和薄膜层压型三种，不同的生产工艺而使它们各具特色。随着人类生活环境的不断改变，人们对织物多功能性需求的不断提高，防水透湿织物具有很大的开发潜力。在涂层材料中，聚氨酯以其独特的性能备受青睐，具有广阔的应用前景。
参考文献：
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[3] 付延鲍 刘萍 王东，防水透湿织物的发展与现状[J]青岛大学学报，1999，14(4)；33-36
[4] 张旺笋 郑琪 顾振亚，防水透湿织物加工技术的进展[J]产业用纺织品，2000，18(6)；4-8
[5]T.L.Vigo and J.S.Bruno，[J]Coated fibrics,1993,22(10)
[6] 方治齐,聚乙二醇在织物涂层中的应用[J]印染助剂，1997，14(1)；11-13
[7] 张健飞 洪永华，多功能涂层织物的性能研究[J]印染，2000，7；9-11
