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防水透气织物的研究进展

WaterOff
2022-08-09 11:44:00

摘 要防水透气织物是集防水、透湿、防风和保暖性能于一体的功能织物。本文综述了防水透气织物的研究背景,织物的分类及防水透气机理,并且指出了防水透气织物的发展趋势。

关键词:防水透气;织物;机理;测试

 

Abstract: Waterproof windproof and breathable fabrics is a functional fabric that combines waterproof, moisture permeability, windproof and thermal retention properties. The development ,classification, theories and evaluation methodology of waterproof and moisture permeablefabric are briefly introduced in this paper .And the development direction of waterproof and moisture permeable is put forward.

Keywords:waterproof and breathable;fabric;mechanism;test

 

1防水透湿织物的研究背景

防水透湿织物最早可以追溯到兽毛皮,其使用年代距今至少已有5万年。在我国,则可以追溯到早在周代就开始使用的“蓑衣”。国外最早的防水织物是15世纪末美洲印第安人用橡胶树流出的浆液涂在布上制成的防雨用具[4]

较早的防水透湿织物是英国锡莱(Shirley)研究所设计的文泰尔(Ventile)防雨布[5]。Ventile是一种细号低捻度纯棉纱高密织物,当其处于干燥状况时,经纬纱线间孔隙约10μm,汗液(气)可通过纱线、纤维间孔隙向外界扩散;在其浸湿后,棉纤维横向膨胀,纱线、纤维间孔隙减小为3~4 μm,水(直径通常为100~3 000 μm)较难透过,从而体现出防水性。它的出现标志着防水透湿织物正式走向市场[6]。Ventite最初重要用于“第二次世界大战”期间英国空军遨游飞翔员的防寒抗浸服,是一种选用埃及长绒棉的低特(高支)低捻度纯棉纱高密重平组织织物,经特别织机编织而成。在干燥的文泰尔织物中,经纬纱之间的微孔较大,宽约10um,能提供高度透湿的结构。织物受湿后,棉纤维膨胀,迫使孔隙缩小到3-4um,以致必要极高的压力才能使水渗透,同时结合以特别的拒水整理,从而具有防水性。Ventile是高密型防水透湿织物的代表产品。高密织物就其防水透湿功能方面,无法达到很高的防水性,由于防水性的进步会以损失透湿性为代价。但因其有着优秀的手感和透湿性,因此在市场上仍然有着广泛的应用。

多年来,织物、服装的防水和透湿一向是一种矛盾。第二次世界大战后,因为合成高分子物的出现,产生了很多聚合物涂层剂,重要有氯丁橡胶(乳液型)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯酸酯(溶剂型、乳液型)。聚氨酯(PU溶剂型、乳液型)、硅橡胶(溶剂型)。在纺织品的涂层中,最紧张的聚合物是聚氯乙烯和聚氨酯。早期,采用聚氯乙烯、聚氨酯、氯丁橡胶为涂层剂生产涂层织物,涂层厚度大于60g/cm2,这种织物防水性很好但不透气,穿着时发闷,人体产生的汗液无法排除到服装表面,在服装内外观冷凝,使人感觉到不舒适且有湿冷感。

20世纪60年代至70年代,涂层厚度小于30g/cm2,这种织物重量有所减轻,但透湿结果很差,由于涂层膜细薄、机械强力差,织物防水性也很差[7]

20世纪70年代,行使特细疏水性聚酯或锦纶长丝生产高密织物,其防水、防风结果优于传统防水透湿织物。1962年,拜耳实验室发明了具有水汽渗透性能的亲水性聚氨酯(PUs)[7]。后来开始研制PUs微孔涂层织物和亲水PUs薄膜织物。1969年,美国人R.W.Gore研制成功以聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,简称PTFE)树脂为质料,经拉伸形成的微孔薄[8]

1976年试制成功用PTFE膜与织物进行层压复合制得的第一代商品名为Gores Tex的防水透湿层压织物,它具有优胜的防水透湿性能。但是,用第一代Gores Tex膜制成的服装随着服用时间的增加,防水透湿结果渐渐变差,甚至会出现面料渗水的征象。为此,1979年日本润工社和高尔公司合作,推出第二代PTFE膜。它是由PTFE膜和聚氨酯构成的双组分薄膜,聚氨酯组分具有高度选择透过性,它仅让水蒸气分子通过,其他的液体都不能通过,战胜了第一代产品的瑕玷。第二代Gores Tex层压织物其透湿量大,耐水压最高,综合性能最好,是目前市场上公认的最先辈的防水透湿织物。

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非微孔膜型材料(亲水性薄膜)。最闻名的是荷兰AKZO公司开发的Sympa-tex亲水性聚氨酯层压织物和美国宝立泰(Poly-Tech)公司的优泰克(Qualitex)多功能防水透湿织物等[9, 10]。Qualitex薄膜是以聚氨酯为主,近十种化学质料反应合成的多相高分子材料,属无孔亲水性薄膜。薄膜在吸水后,仍能保持优秀的机械性能,从而解决了薄膜的亲水性与薄膜牢度的矛盾,其织物的防水透湿性能接近聚四氟乙烯层压织物。Sympa-tex薄膜属聚酯嵌段高聚物制成的没有微孔的实心体,如许液体完全不能透过薄膜而透湿途径也不会被堵塞。其厚度仅为10 μm,而一样平常涂层的厚度达70 μm ~100 μm,因此Sympa-tex具有重量轻、手感柔软和水蒸气由里向外的距离短等好处[10]

另外,据报道日本尤尼奇卡公司已活着界上率先开发微孔聚氨基酸涂层材料,美国一家公司也开发出聚偏氟乙烯涂层材料,涂层微孔平均直径仅0.1 μm。

从20世纪80年代中后期开始,随着超细纤维的敏捷发展,各种用超细纤维制作的超高密织物大量涌现。这种防水透湿织物以高密织制为主的设计思想因为超细纤维的赓续发展一向应用至今。与此同时,行使物理和化学手段,借助等离子体镀膜技术,在织物外观进行改性,使其具有憎水、防水能力。进入21世纪以后,防水透湿技术有了更新的发展—“智能化”。目前,日本、美国等发达国家已有智能型防水透湿面料问世。不同涂层材料其透湿性比较见表1

表1 不同涂层薄膜的透湿性比较

薄膜种类

聚乙烯醇

聚氨酯

聚酯

聚乙烯

聚偏氯乙烯

聚氟乙烯

透湿量/g(m2·24)-1

200

100

12

4

2

 

1

 

 

 

3防水透湿机理

3.1微孔膜透湿机理

行使水分子和水滴尺寸的差异来实现防水透湿,微孔膜的孔径介于水蒸气分子和水滴直径之间,当薄膜或涂层织物两面存在蒸汽压差时,水蒸气分子可由弯曲勉强贯通的微孔孔道通过,而水滴则不能通过,从而达到防水透湿的目的[11]

表2水珠及水蒸气分子尺寸

液滴状况

水蒸气分子

轻雾

毛毛雨

细雨

中雨

大雨

暴雨

直径(μm)

0.0004

20

200

400

900

2000

3000~4000

6000~10000

 

 

3.2亲水型无孔薄膜防水透湿机

行使含有亲水性基团(-OH、-COOH、-NH2等)的物质进行涂层,所形成的致密实心薄膜层,因无孔而起到好的防水作用,涂层聚合物自己含有的一些亲水基团可以吸取、扩散息争吸水蒸气,有传导水分的作用[12]。亲水型无孔膜防水透湿织物有两种,一是以高分子材料为涂层胶的涂层整理织物,二是以高分子薄膜为功能层经与织物层压整理获得的层压复合织物。

亲水性基团或链段借助氢键和其他分子间作用力,在水分子浓度高的一侧吸附水分子,然后向水分子浓度低的另一侧扩散,到达另一侧面时,水分子解吸即蒸发到大气中。透湿过程可透露表现为:“吸附—扩散—解吸”[13-15]

 

参考文献

 [2]苏云,李俊.火灾环境下防水透气层对消防服热湿防护性能的影响[J]. 纺织学报,2017,(02):152-158.

 [4]张丹透湿度可控的外形记忆聚合物的合成及其在织物上的应用[Z].东华大学, 2014.

 [6] 高党鸽,张文博,马建中防水透湿织物的研究进展[J]. 印染. 2011, 37(21): 45-50.

 [8] Painter C J. Waterproof, Breathable Fabric Laminates: A Perspective from Film to Market Place[J]. Journal of Industrial Textiles. 2006, 26(2): 107-130.

[10] Drinkmann M. Structure and processing of sympatex laminates[J]. Journal of Industrial Textiles. 2012, 125(5):53-64.

[12] K. Sarkar,D. Das,T.K. Chaki,S. Chattopadhyay. Macro-structured carbon clusters for developing waterproof, breathable conductive cotton fabric[J]. Carbon,2017,116(5): 1-14.

[14] 刘玉章聚氨酯防水透湿织物的发展及研究近况[J]. 河北纺织. 2011(12): 53-56.

[16] 王玮玲,于伟东智能防水透湿聚氨酯研究进展[J]. 聚氨酯工业. 2014(06): 5-8.

[18] 刘茜,贾春兰. TPU微孔薄膜织物防水透湿性能研究[J]. 上海纺织科技. 2016, 39(3): 50-52.

[20] Ali Moussa,Imed Ben Marzoug,Hela Bouchereb,Faouzi Sakli. Development and optimisation of waterproof breathable double-sided knitting using a factorial experimental design[J]. Journal of Industrial Textiles,2015,45(3):35-43.

[22]De Yu Yang. The Application of New Type Fiber to the Sports Equipment[J]. Advanced Materials Research,2014,3614(1055):84-87.

[24]王欢防水纺织品防水工艺及检测评价标准概述: 2012全国服装及纺织面料质量控制论坛[Z]. 2012: 8-11.

[25徐旭凡,周小红,王善元防水透湿织物的透湿机理探析[J]. 上海纺织科技. 2005, 33(1): 58-60.
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