测试分析
防水透湿织物耐静水压测试方法比较
佚名
2011/4/15
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1 国内外防水透湿织物的研究开发现状
防水透湿织物技术发展过程的主线是涂层和层压织物,辅线则是高密织物。涂层织物和层压织物由于可达到很高的防水透湿性,又可按需提供不同档次(如高防水低透湿型、低防水高透湿型等)、不同要求(如保温、迷彩、阻燃等)的产品而占据市场主导地位。
1.1 高密织物
最早的防水透湿织物是20世纪40年代初由英国锡莱(Shirley)研究所设计的文泰尔(Ventile)防雨布。它是100%棉的紧密织物,主要供部队使用。其作用原理是织物被润湿后棉纤维截面积膨胀,使织物中纤维间的孔隙缩小,以致水不易渗透。高密度织物的特点是透湿性好,柔软性和悬垂性也较好,但耐水压值较低。随着细旦、超细旦高收缩合纤长丝的超高密织物的出现,结合超级拒水整理技术,提高了织物的耐水压,使这类产品的防水透湿性有了很大的提高,而且织物轻薄,手感柔软。
1.2 层压织物
1969年由R.W.Gore开发了第一代多微孔聚四氟乙烯(PrrFE)薄膜,并于1976年试制成功用PTFE薄膜与织物进行层压复合制得的第一代防水透湿层压织物,商品名为Gore—Tex,它具有优良的防水透湿性能,这是防水透湿织物开发过程中重要的进展。但在随后的使用中发现,用其制成的服装随着服用时间的增长,防水透湿效果逐渐变差,甚至会出现面料渗水的现象。
为解决这一问题,1979年日本润工社和Gore公司合作,推出第二代PTFE薄膜,克服了第一代产品的缺点。之后又陆续开发了弹性和保暖两类系列产品。近年来新一代Gore winds topper产品出现在市场上。随后,荷兰、日本、英国等国的有关企业也开发出多微孔或无孔聚氨酯薄膜层压织物。层压织物成为防水透湿功能产品中的主导。
1.3 涂层织物
1962年拜耳(Bayer)试验室发明了具有水汽渗透性能的亲水性聚氨酯(PU)。20世纪60年代后期到 70年代初开始研制Pu微孑L涂层织物和亲水PU薄膜织物。到80年代中期,以聚氨酯为代表的干/湿工艺涂层技术的研发,对开发防水透湿功能产品起到巨大的推动作用,国外有关产品已多达几十个品牌。
(1)亲水性无孑L聚氨酯涂层。聚氨酯涂层剂中含有亲水基团或分子主链上含有亲水成分,涂层之后,溶剂挥发形成无孑L薄膜,通过亲水基团或氢键对水分子的吸附一传递一解吸作用达到透湿的目的。由于膜中没有微孔,因此防水性能很好,但透湿气性能有待提高。这类产品有英国Baxenden化学公司生产的Witeoflex、 Staycool、x—liner等,德国Bayer公司的Impraperm。
(2)微孔涂层织物。微孔涂层织物是一种遍布涂层的永久性微孔与通道系统。若这类屏障层外表面的最大孔径不超过3 mm。织物就有防水能力,这种微孔也具有透湿的能力。一般通过湿法凝固工艺、泡沫涂层工艺或相位倒置工艺,将聚氨酯溶于易挥发溶剂中,在织物上涂上聚氨酯,溶剂挥发过程中聚氨酯凝聚形成微孔。这类产品有Toray公司的Entrant,美国Bud-ington公司的Ultrex等。
(3)亲水与微孔的复合 结合亲水性涂层与微孔性薄膜特点,在微孔薄膜上加一层亲水性无孔膜,对微孔薄膜进行亲水性整理来改善微孔薄膜的防水性,但亲水性整理要保证不影响原有的透湿气性。如美国 3M公司生产的Thintech品牌,日本Toray公司新近开发的Entrant,GII则将两种聚氨酯材料复合,内层聚氨酯含微孔和超微孔(<0.5 um),利用其类似“芯吸”的作用,达到防水透湿效果。


1 国内外防水透湿织物的研究开发现状
防水透湿织物技术发展过程的主线是涂层和层压织物,辅线则是高密织物。涂层织物和层压织物由于可达到很高的防水透湿性,又可按需提供不同档次(如高防水低透湿型、低防水高透湿型等)、不同要求(如保温、迷彩、阻燃等)的产品而占据市场主导地位。
1.1 高密织物
最早的防水透湿织物是20世纪40年代初由英国锡莱(Shirley)研究所设计的文泰尔(Ventile)防雨布。它是100%棉的紧密织物,主要供部队使用。其作用原理是织物被润湿后棉纤维截面积膨胀,使织物中纤维间的孔隙缩小,以致水不易渗透。高密度织物的特点是透湿性好,柔软性和悬垂性也较好,但耐水压值较低。随着细旦、超细旦高收缩合纤长丝的超高密织物的出现,结合超级拒水整理技术,提高了织物的耐水压,使这类产品的防水透湿性有了很大的提高,而且织物轻薄,手感柔软。
1.2 层压织物
1969年由R.W.Gore开发了第一代多微孔聚四氟乙烯(PrrFE)薄膜,并于1976年试制成功用PTFE薄膜与织物进行层压复合制得的第一代防水透湿层压织物,商品名为Gore—Tex,它具有优良的防水透湿性能,这是防水透湿织物开发过程中重要的进展。但在随后的使用中发现,用其制成的服装随着服用时间的增长,防水透湿效果逐渐变差,甚至会出现面料渗水的现象。
为解决这一问题,1979年日本润工社和Gore公司合作,推出第二代PTFE薄膜,克服了第一代产品的缺点。之后又陆续开发了弹性和保暖两类系列产品。近年来新一代Gore winds topper产品出现在市场上。随后,荷兰、日本、英国等国的有关企业也开发出多微孔或无孔聚氨酯薄膜层压织物。层压织物成为防水透湿功能产品中的主导。
1.3 涂层织物
1962年拜耳(Bayer)试验室发明了具有水汽渗透性能的亲水性聚氨酯(PU)。20世纪60年代后期到 70年代初开始研制Pu微孑L涂层织物和亲水PU薄膜织物。到80年代中期,以聚氨酯为代表的干/湿工艺涂层技术的研发,对开发防水透湿功能产品起到巨大的推动作用,国外有关产品已多达几十个品牌。
(1)亲水性无孑L聚氨酯涂层。聚氨酯涂层剂中含有亲水基团或分子主链上含有亲水成分,涂层之后,溶剂挥发形成无孑L薄膜,通过亲水基团或氢键对水分子的吸附一传递一解吸作用达到透湿的目的。由于膜中没有微孔,因此防水性能很好,但透湿气性能有待提高。这类产品有英国Baxenden化学公司生产的Witeoflex、 Staycool、x—liner等,德国Bayer公司的Impraperm。
(2)微孔涂层织物。微孔涂层织物是一种遍布涂层的永久性微孔与通道系统。若这类屏障层外表面的最大孔径不超过3 mm。织物就有防水能力,这种微孔也具有透湿的能力。一般通过湿法凝固工艺、泡沫涂层工艺或相位倒置工艺,将聚氨酯溶于易挥发溶剂中,在织物上涂上聚氨酯,溶剂挥发过程中聚氨酯凝聚形成微孔。这类产品有Toray公司的Entrant,美国Bud-ington公司的Ultrex等。
(3)亲水与微孔的复合 结合亲水性涂层与微孔性薄膜特点,在微孔薄膜上加一层亲水性无孔膜,对微孔薄膜进行亲水性整理来改善微孔薄膜的防水性,但亲水性整理要保证不影响原有的透湿气性。如美国 3M公司生产的Thintech品牌,日本Toray公司新近开发的Entrant,GII则将两种聚氨酯材料复合,内层聚氨酯含微孔和超微孔(<0.5 um),利用其类似“芯吸”的作用,达到防水透湿效果。


20世纪80年代中后期开始,采用聚氨酯材料或复合聚氨酯、聚醚聚酯共聚物等研制亲水性薄膜。此外,随着超细纤维的迅速发展,各种用超细纤维制作的超高密织物大量涌现。同时,20世纪90年代中期,又出现了一种新的涂层工艺—— 放电涂层利用物理和化学手段,借助等离子体镀膜技术,在织物表面进行改性,使其具有憎水、防水能力。进人21世纪以后,织物防水透湿技术有了更新的发展— — “智能化”,由日本三菱重工公司生产的形状记忆聚氨酯涂层织物Azeku— ra不仅可防水,而且其透湿性可由体温加以控制。
2 耐静水压测试
耐静水压指标是防水透湿织物的重要指标之一。静水压指水通过织物时所遇到的阻力。在标准大气压条件下,织物承受持续上升的水压,直到织物背面渗出水珠为止,此时,测得的水的压力值即为静水压。织物能承受的静水压越大,防水性或抗渗漏性越好。
纺织品耐静水压性能随着防水等特种整理纺织品市场需求的增长以及业界对该类产品技术指标要求的提高而越来越受到重视。美国军用标准中防水产品的耐水压最低要求为13.7 kPa(1 395 mm水柱),日本自卫队雨衣的耐水压都在13.75 kPa(1 400 mm水柱)以上一 。近年来各出入境检验检疫局接受的纺织品耐水压检测比以往有大幅度增长。特别欧洲客户对纺织品耐水压性能的要求普遍较高,一般最低要求在5.88 kPa以上,有的甚至要求在9.8 kPa以上。根据取样测试结果,以5.88 kPa为标准,44%样品不能达到要求;以9.8 kPa为标准,69% 样品不能达到要求,这直接影响了出口。
 2.1 耐静水压单位
表示静水压的单位有N/m 2、kPa和水柱高度m。换算关系为1m水柱高度等于9.82 kPa。
2.2 静水压试验方法
2.2.1 按测试的方法分类
(1)实地测试。实地测试花费大,时间长,通常需半年左右的时间。实验期间,定期测试防水透湿整理后织物的防水性,从而得知其耐用性。虽然此种方法周期长,花费多,但测试所得数据准确。
(2)模拟测试。模拟测试必须有环境控制室。室中装有人工雨塔,可把水从10 m高处以450L/m2 ·h 的流量如暴雨般泄向人体模型,直径约为5 inln的水滴从顶部2 000个孔中喷出,其速度约为40 km/h,达空气中最大雨滴速度的90%。通过调节,在大约2m2 的面积上可模仿程度不同的阵雨。在人体模型表面装满了传感器,目的是测定最终水透过的时间和位置以及其他指标。这种测试手段较实地测试所需时间大为缩短,数天内便可完成,但花费较高。
(3)实验室测试。与实地测试和模拟测试相比较,实验室测试花费少,时间短,能够得到相对结果,较为实用。对防水透湿整理后织物防水性的测试可分为三类。第一类为静水压试验,如国内的YC312型水压仪、美国标准测试法ASTM D一751以及美国联邦标准测试法FED—STD一191A 5512所用的牧林(Mullen)水压测试仪。第二类是喷淋试验,即从一定的高度和角度向待测织物连续滴水或喷水,可测定水从织物被淋侧浸透到另一侧所需的时间,也可测定经过一定的时间后试样吸收的水量或观察试样的水渍形态。国内的 ISO 4920防雨性能测试即采用此原理。
2.2.2 按加压的形式分类
(1)动态法。在织物的一面不断增加水压,测定直至织物另一面出现规定数量水滴时,织物所能承受的静水压。
(2)静态法。在织物的一面维持一定的水压,测定水从一面渗透到另一面所需的时间。
2.2.3 按能承受静水压值的大小分类
(1)低压测试方法。标准测试方法有中国国家标准 GB/74744—1997《纺织织物抗渗水性测定静水压试验》;中国行业标准FZ/T01004—1991《涂层织物抗渗水性测定静水压试验》中的低压法;加拿大标准(CGSB)- 4.2No.26.3—1995《纺织织物抗渗水性测定静水压试验》;国际标准ISO1420—1987《橡胶和塑料涂层织物抗渗水性测定静水压试验》;日本工业标准JIS L一1092((纺织品抗水性静水压试验A》;美国纺织化学家和染色家协会标准AATCC 127(纺织品抗水性静水压试验》;美国标准测试法(或美国材料实验协会标准)ASTM D751— 1995(涂层织物抗水性测定B》等方法。
(2)高压测试方法。标准测试方法有FZ/T 01004 — 1991《涂层织物抗渗水性测定静水压试验》中的高压法;ISO 1420—1987~橡胶和塑料涂层织物抗渗水性测定静水压试验》;JIS L一1092(纺织品抗水性静水压试验B》;ASTM D751—95《涂层织物抗水性测定程序 A》;美国联邦标准测试法FED—STD一191A 5512和 ASTM D3393((涂层织物防水性标准说明》等方法。
2.3 静水压测试仪
国内常用YG812型水压仪测防水指标。按照GB 4744—1984标准,试样以100 cm 2圆面积夹紧在仪器的夹头上,用(20±2)℃ 的水或(27±2)℃ 的水,(65± 2)%相对湿度环境,在(980±50)Pa/min或(5 880± 295)Pa/min等速增加水压的情况下,观察试样表面,当出现三处渗水水珠时表示试样已透水。国外静水压测试仪一般按照能承受的静水压值的大小分为静压头试验仪和牧林水压测试仪,它们能承受的最大压力分别为99.9 kPa和1 103.0 kPa。
2.3.1 国产YG(B)812D-20型数字式渗水性测试仪

在做增压、定压计时、定压定时、挠曲松弛实验前,需按加水键自动加水(做渗水漏水法时可以省略)。在测试前需将下夹头里加满水后,夹好试样,按一键,进入校正状态清零。
2.3.2 静压头测试仪
采用静压头测试仪测量织物抗水性的仪器一般用 Model TEXTFEST FX3000。这种仪器是由美国 SCHMID有限公司按照ASTM D75 1—95《涂层织物标准测试方法静态抗水性程序B上升水柱测试仪器》的要求制造的。测试仪的结构见图2。
测试时,从织物不同部位取三块20.3 cm X 20.3 cm的试样,试样被夹持在倒口圆锥形夹持器测试头,将织物的涂层或层压面、由超细纤维织成的高密织物的耐久性拒水处理面正对仪器的水面。该仪器所施加的最大静水压为99.9 kPa。压力以15.0 kPa/min稳步增加可以不会产生涡流。注意照明测试区域以便观察水滴的出现。一旦试样不接触水的一面三处出现水珠时(试样边缘或距边缘3 mm 的水珠不算),记下压力值作为实验结果。结果以三个试样的算术平均值表示。测试结束之后,使作用杆反转降低溢流装置,取出用过的样品。

2.3.3 牧林水压测试仪
美国Standex有限公司按照ASTM D 751—95《涂层织物标准测试方法静态抗水性A牧林类测试仪器》的要求,制造了手动操作的牧林水压测试仪一HJ型,装置示意图见图3。在活塞推动作用下,进入仪器水槽(压力仓)的水从被夹持织物试样的下面对织物试样施加静水压。

测试时,在织物不同部位取5块100 mnl x 100 mm 试样,试样被夹持在外直径75 mnl、内直径31.2 mm的圆环夹持器中,在试样被夹持进人仪器测试前,试样夹下侧水平面的位置必须与橡皮密封圈平齐,使得测试时水平面和试样之间不存在空气。要求织物的涂层面、层压面或高密织物的耐久性拒水处理面与水接触。
操作时,通过旋转柄使压力稳步增加,所施加的最大静水压一般不超过1 103.0 kPa。一旦看到试样不接触水的一面有水滴出现时,记录下刻度盘上的读数作为织物的耐静水压值,然后取5块试样的平均值作为测试结果。也可以在特定压力下使织物经受一定的时间,记录压力结果作为静压阻值。
美国政府规定采用牧林水压测试仪时织物防水的最低压力值标准为241.32 kPa;ASTM D3393给出的判别尺度为207 kPa。
2.4 测试仪器的比较
(1)牧林水压测试仪可以给织物高达1 379 kPa的均匀压力,由于这种压力在很短时间达到,并且实际受压面积通常小于测试头面积,因此,仪器读数值要高于实际值,而且需要测试更多的样品来得到每种织物的代表值。由于施加压力的速度较快,压力测试灵敏度较低,牧林测试应该采用能够承受压力超过10 kPa的织物进行测试。因此,当织物的耐静水压值很低时很难对防水水平做出评价。当一个人跪倒在湿地上或坐在湿透的小船座位上时,在织物上产生的压力据估计在172.4 ~ 344.7 kPa。因此,牧林方法经常由于施加的压力值过高而受到批评。推荐使用牧林测试方法进行涂层或层压WWB织物(具有较高的防水性)的防水性测试,因为牧林测试可以提供范围较大的压力值,可以使用压力水平根据标准和通用标准来决定织物是否是“防水”。
(2)静压头方法更适用于测试防水性能稍低的织物,如高密织物等。然而,由于织物受到拉伸和长时间与水接触,该方法也被认为过于苛刻。
(3)在ASTM D 751中并没有规定使用支撑织物,但是,支撑织物可以避免织物样品在牧林测试时的破裂。支撑会造成WWB织物更高的耐静水压值和更好的防水性能。
3 织物耐水压性能的影响因素
防水透湿织物防水指标的高低取决于如下几个方面的因素。
(1)织物的紧度。纱线之间距离的增大将直接影响耐水压的高低。一般织物结构越紧密,其抗渗水性能越好。
(2)涂层膜孔径的大小。膜的孑L径越大,涂层织物的耐静水压性能越差。
(3)接触角0的大小。当0>90。时,织物具有拒水性能,此时随着0的增大,织物的耐水压值也相应有所增加。
(4)涂层厚度。涂层太薄,涂层剂在表面不易连续成膜,涂层织物的耐水压能力降低;涂层厚,织物的耐水压能力提高。
(5)织物的厚度。织物越厚,湿阻越大,耐水压值越大。
(6)纱线的粗细。对于吸湿性好的纤维织成的紧密织物来说,由于毛细效应的存在,减小纱线半径.可提高织物的抗渗水性。
(7)经纬纱线性能的好坏。受到水压的作用,弹性好的经纬纱易伸长,从而导致相邻经纬纱间隙的形成,水珠较易从中渗过,使得织物耐水压值降低。
(8)涂层质量。要求整个布面均匀,具有一定的牢度。涂层质量越好,抗渗水性能越好。
4 防水透湿织物的发展前景
防水透湿织物的加工正处于技术完善与产品迅速发展阶段。展望未来,防水透湿织物性能提高与产品开发的研究将主要从三个方面展开。一是随着高分子材料的发展,研究采用新型的互穿网络聚合物、离子型聚合物、高度支化聚合物、枝状聚合物等材料研制各种类型的含有化学微孔的防水透湿薄膜。二是随着加工设备的不断更新,研究从物理形态方面提高防水透湿织物的性能,如开孔率更高、孔隙更均匀、厚度更薄的防水透湿薄膜,以及这些薄膜复合组成的各种功能的双组分、多组分薄膜;各种不同结构、细度、性能的纱线织成的不同组织、表面形态的高密防水透湿织物。三是研制各类特种防水透湿织物。