|
纺织新科/园地/第25期/专论——防水透气织物的发展 |
防水透气织物的发展
东华大学纺织学院 曾跃民 严灏景
香港理工大学纺织服装学院 胡金莲
摘要 文章对聚氨酯防水连气织物的最新进展以及不同生产工艺作了介绍，探讨了不同的防水透气机理及其实现方式，重点介绍了功能性(形状记忆聚氨酯)防水透气织物的发展动态。
关键词；聚氨酯 防水透气 涂层织物
中图分类号；TＳ195.597
1、织物的防水透气机理
可分物理透湿和功能透湿，主要有以下4种方式。
１.1、利用水滴的最小直径与水汽或空气的直径之间的差异来实现，即采用织物的经纬交织间的孔隙或织物复合物的孔径介于水滴最小直径与水汽或空气的直径之间，达到防水透气的目的。基于这一原理设计的防水透气的织物有超细高密织物、特高密度的棉织物等。这类织物的透湿类型属于纱线间孔隙的自然扩散。高密织物由于轻薄耐用，透湿性好，柔软，悬垂性好，防风，广泛用于体育、户外活动服装上。主要缺点是防水性差，由于织物密度大，织物的撕裂性能差，纺纱必须特殊处理，生产成本高，加工困难。
1.2、采用微孔高聚物薄膜，使薄膜微孔(微孔直径大约lnm)的孔径介于水滴与湿气之间，将薄膜与织物复合赋予织物防水透气功能，如图1。
复合通过层压或涂层工芝实现。微孔的产生有多种方式；可通过对薄膜的双向拉伸产生微孔；也可在高聚物上填加填料(如陶瓷)使高聚物与填料之间形成孔隙;也可以通过相分离(聚氨酯的湿法)产生微孔；还可以机械方式利用打孔技术(如激光)使无孔膜形成微孔。
1.3利用高聚物膜的亲水成分提供了足够的化学基团作为水蒸气分子的阶石，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，通过高分子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸，形成"吸附→扩散→解吸"过程，达到透气的目的，如图２。
|
|
|
|
图2 亲水性透气原理 |
|
亲水成分可以是分子链中的亲水基团或是嵌段共聚物的亲水组分，其防水性来自于薄膜自身膜的连续性和较大的膜面张力。用薄膜与织物进行层压/涂层赋予织物防水透气功能。
１.4、利用形状记亿高聚物的特性。形状记忆高聚物在玻璃化转变温度Tg区域，由于分子链微布朗运动而使透气性有质的突变，而且其透气性能随外界温度的变化而变化，即智能化功能，尤如人体皮肤一样，能随着外界温湿度的改变而调节，如图3。
|
|
|
|
低温下分子间孔隙（＞Tg） |
高温下分子间孔隙（＞Tg） |
图３ 形状记忆能透气原理
采用这种形状记亿聚氨酯产生防水透气织物可以来用无孔层压/涂层方式·避免了微孔在使用过程阻塞的缺点，更重要的是织物的透湿气性能能随着人体温度的变化而变化，达到"智能"效果，使其适宜于各种条件下穿着。
2、聚氨酯的发展及其在防水透气纺织品上的应用
用于防水透气织物的高聚物起初有聚氯乙烯、聚乙烯、聚氯丁橡胶和其他它各种合成橡胶等，由于其透湿气性能差，穿着此类服装活动时，大量汗液无法以水蒸气形式排出，在服装内部形成冷凝水，人体有粘湿、发闷等不舒适感，虽然有良好的防水性能，但服用性能差。后来发展聚四氟乙烯层压薄膜、热塑性聚氨酯(TPU)的涂层和层压织物具有良好的透湿气性能，发展快。尤其是热塑性聚氨酯材料具有良好的耐磨性、抗化学及水解性、防虫蛀、防霉、耐低温性、易着色、工艺操作选择范围大等优点，在应用的范围和自身性能的改善方面都得到极大的发展。
３.不同类型的防水透气聚氨酯
聚氨酯用于织物的涂层整理时，原料类别和生产工艺都有不同。根据防水透气的原理可生产出各种各样的防水透气产品。聚氨酯涂层剂有溶剂和水分散两大类，其中溶剂型又有单组分与双组分之分，不同类型的涂层剂有不同涂层工艺选择。
3·1微孔聚氨酯
聚氨酯在成膜过程中形成微孔。这些孔隙直径小于２μm，能阻止水滴(平均直径100μm)，却允许水蒸气分子(平均直径0·0004μm)通过，从而获得防水透气性。产生微孔的方式有；泡沫法、相分离法、相转化法三种。
3·1·1泡沫涂层法
采用聚氨酯中加入阴离子或非离子表面活性剂，在涂层过程中加人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，从而使其有透气性能。但由于微孔存在，其防水性能较差。聚氨酯的发泡有机械发泡和化学发泡等多种方式。涂层方式大都采用直接涂层法。
3.1.２ 相分离法
将聚氨酯溶于易挥发溶剂中，溶剂挥发过程中聚氨酯凝聚形成微孔。主要有两种方式；(1)湿法浸渍凝聚；溶于DＭＦ的聚氨酯涂液涂放到织物上，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，当水干燥后在聚氨酯膜上形成微孔。如Toray公司的Entrant美国Burlington公司的Ultrex等。(2)盐凝聚法；聚氨酯乳液由于盐的加入产生凝聚成微孔膜，如Stahi(ICI)/NL公司的Porelle薄膜。
3·2 亲水性无孔聚氮酯涂层
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，溶剂挥发形成无孔薄膜，通过亲水基团或氢键对水分子的吸附-传递-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，但透湿气性稍逊。另外，
这类涂层织物的缺点是需作表面拒水整理来改善防水性。这类产品有英国Baxenden化学公司的Witcoflex Staycool、Xliner，德国Bayer公司的Imprapem等。
3·3 亲水涂层与微孔模复合
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，保证不影响原有的透湿气性。如美国3M公司生产的Thin tech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(＜0.5μm＝，利用其类似于"芯吸"作用，达到防水透气效果。
3.4 形状记忆聚氨酯无孔薄膜由上述提及到的形状记忆聚氨酯薄膜的透湿气性随着温度的改变而改变(如图4)，
|
|
|
图４ 形状记忆PU透气与温度关系 |
而且在其玻璃化转变温度区域有很大改变，根据这特性把聚氨酯的玻璃化转变温度设置到人体温度变化范围内。当人体温度变化时其透湿气性能也随之改变，就如人体皮肤一样，达到智能透湿效果。因膜为无孔膜，故防水性很好。日本三菱重工业公司生产的形状记忆聚氨酯及其防水透气织物Diaplex产品，其防水性能达到20000-40000mm水柱，而每24h透湿达到8000-12000g/m2。而且具有良好的抗冷凝性，它不仅适用一般条件下的穿着，而且在极端环境条件下，其防水透气保暖性能随温度变化而改变，始终保持良好舒适性。
4.聚氨酯涂层材料的最新进展
4.1形状记忆聚氨酯
形状记忆聚氨酯在纺织中的应用方式既可以通过纺丝得到纱线并赋予纱线有记忆功能，也可作为织物涂层剂进行织物功能性涂层处理；还可作为整理剂对织物进行形状记忆功能性整理。利用它的透湿气性可受温度控制，且在室温条件下，来充分改善织物的穿着舒适性。形状记忆聚氨酯在Tg范围变化区，其透湿气性有显示的改变。将 Tg设定在室温，则涂层织物能起到低温(＜Tg＝时 的低透湿气性的保暖作用和高温(＞Tg)高透湿气的散热作用，薄膜的孔径远远小于水滴平均直径起到防水效果。从而使织物在各种温度条件下具有良好的穿着舒适性。日本三菱重工业公司用形状记忆聚氨酯涂层的织物Azekura不仅可以防水透气，而且其透湿气性可以通过体温加以控制，达到调节体温的作用。
4.2 调温功能聚氨酯近年来人们正在致力于开发一种新型的聚氨酯材料，除防水透气外，还兼有调温功能，从而进一步提高穿着舒适性，最初美国农业部南方实验室的Vigo、Frost等发现，经聚乙二醇(PEG) 浸渍的面科具有储存热的功能，即受热时吸收热量，遇冷时放出热量。这种技术应用于聚氨酯织物涂层上，PEG作为聚氨酯的一种组分，通过选 择设计PEG的聚合度和含量，使PEG所构成的软段的玻璃化转变温度处于人体感觉舒适的温度范围，这样，环境高于临界温度时，高聚物发生相变吸热，同时聚合物体积膨胀，亲水基团空间体积增大，热运动加剧，使透湿气量增加，排热排汗加快，使人感到凉爽；当环境温度低于高聚物临界温度时，PEG链段结晶，高聚物相变放出热量，同时，布朗运动减小便透气性能降低，起到挡风保温作用，透湿气性与温度调节同时发挥协调作用。这样穿着者在环境温度多变或人体发热出汗等情况下，都会感到舒适。
4.3涂层工艺的革新
4.3.1无污染聚氨酯的研究开发
研究一种完全水分散、无溶剂污染的涂层剂是当前发展的热点与难点。当前PU涂层不管是干法还是湿法生产，所有的PU溶液大都是溶剂型，含有70%左右的二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯、 甲己酮等有机溶剂，这些溶剂对操作者有一定的危害，易燃易爆，还污染环境，溶剂的回收难。因此发展水乳性聚氨酯涂料，在生产过程中用水代替有机溶剂，以减少环境污染及对人体危害，有重要的现实意义。水乳性聚氨酯发展得到重视。
4.3.2
改善防水透气性能
可结合微孔涂层各自的优点，在微孔涂层的基础上进行亲水涂层整理，在不影响微孔透气性的同时增加织物的防水性和改善其耐用性，如在使用中不易造成微孔堵塞等；另外，在PU涂层剂中填加其他添加剂，不仅可以提高PU薄膜的透气性，而且还赋予织物抗菌等功效以及优良的手感，如加入甲壳质来改善PU的透气性、吸湿性的同时，还具有一定的抗菌作用；在树脂中渗入金属粉末，形成金属层，反射人体的辐射热，向人体辐射远红外线，使织物保暖性提高，并促进人体微循环的功能。
5．结语
防水透气织物是一种高附加值的产品，不同生产工艺生产的产品各有特色，在涂层材料中，聚氨酯涂层材抖具有广泛应用前景，其中功能性聚氨酯(调温性、形状记忆性)的开发及其在纺织上的应用对改善涂层织物舒适性具有重要的意义，也是当前防水透气织物发展的重要方向。 (参考文献略) 摘(上海纺织科技)
原载《浙江印染信息与技术》2001/6P7-9