防水透湿纺织品技术研究现状yd13906
廖选亭 马小强 武汉职业技术学院纺织服装学院
武汉 430073
收稿日期：2011-04-19
作者简介：廖选亭(1961-),男,副教授,主要从事新型纺织品助剂研究
原载：染整技术2011/8；1-4
【摘要】防水透湿织物是近年来逐步开发的新型功能性纺织品之一,在近几十年的研究与发展中获得了令人瞩目的发展。本文对功能性防水透湿织物的发展进行阐述,同时根据防水透湿织物的不同种类,较为详细地介绍了防水透湿织物在不同发展阶段的加工技术及其各阶段产品的特性。最后,介绍了形状记忆聚氨酯材料在防水透湿织物的发展情况及其国内外的研究现状,同时对防水透湿织物的智能化前景进行了展望。
【关键词】防水透湿织物;形状记忆;聚氨酯;前景
【中图分类号】TS195 文献标识码:A 文章编号:1005-9350(2011)08-0001-04
多年来,织物的防水透湿一直是一种矛盾,如聚氯乙烯、聚氯丁橡胶和各种橡胶涂层的织物制作的服装有良好的防水性[l],可以在恶劣的天气穿着,但不透气,穿着时发闷,人体产生的汗液无法排除到服装外面,在服装内表面积聚冷凝,使人感觉不舒适且有湿冷感。如何解决这一矛盾便成了纺织品发展新方向。
防水透湿织物(waterproof moisture permeable permeab1e fabrics),也叫防水透气织物,又称“可呼吸织物” (breathab1e fabrics),是集防水、透湿、防风和保暖性能于一体的功能织物,是近年来陆续开发的高附加值产品之一。所谓防水透湿,就是要求织物在一定的水压下不被水(主要是雨水)润湿或渗透,但人体散发的汗液蒸气却能通过织物扩散或传导到外界,不在体表和织物之间积聚冷凝,主观感觉不到发闷的现象因此有很好的服装穿着舒适感,无湿冷感。可用做登山服、滑雪服、运动服、救生服、产业用布等。
1 防水透湿织物的发展
防水透湿织物的发展始于20世纪40年代初,可分为三个阶段[1-2]:第一阶段从20世纪40年代初开始;第二阶段始于20世纪70年代初;第三阶段从20世纪80年代中后期至今。其发展过程的主线是涂层和层压织物,辅线是高密织物的发展。
最早的防水透湿织物是⒛世纪如年代初由英国锡莱(Shir1ey)研究所设计的著名的文泰尔(Venti1e)防雨布[3],它的出现标志着防水透湿织物走向市场。Venti1e是一种低特数低捻度纯棉纱高密织物,经特殊织机编织而成。在干燥的Ventile织物中,经纬纱之间的微孔比较大,能提供高度透湿的结构。织物受湿后棉纤维截面积膨胀,使织物中纤维间的孔隙缩小,以致需要极高的压力才能使水渗透,同时结合以特殊的拒水整理,从而具有防水性。
美国人R.W.Gore于1969年成功研制以聚四氟乙烯(PTFE)树脂为原料的薄膜,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商品名为Gore-tex的防水透湿层压织物,它具有优越的防水透湿性能[4]。但在随后的使用中发现用第一代Gore-Tex膜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。Gore公司根据市场反应,针对随着时间增加则织物透湿效果变差以及面料渗水的现象,于1979年与日本润工社合作,推出第二代PTFE膜,克服了上述的缺点。
20世纪80年代中后期开始,防水透湿的加工技术进入飞速发展阶段,采用聚氨酯材料或不同类型的聚氨酯复合、聚醚聚酯共聚物等制成的非微孔膜型材料(亲水性薄膜)的研究异常活跃,新工艺,新品种不断面世。这种防水透湿织物以高密织制为主的设计思想由于超细纤维的不断发展一直应用至今。进入新世纪以后,织物的防水透湿技术更有了新发展[6-8]——“智能化”,且在日、美等发达国家已有智能型防水透湿面料面市。
虽然防水透湿织物开发的时间短,但其一出现便成为各国纺织品产品开发的主要项目。同时由于人类生存环境的不断变化,人们对织物的功能要求越来越高,使得这一类织物具有更大的开发潜力。
2 防水透湿织物的生产技术
2.1 防水透湿织物的分类
按照防水透湿织物的加工方法不同,可以分成以下三种：高密织物、涂层织物和层压织物。涂层织物和层压织物由于其可以达到很高的防水透湿性,又可按需要提供不同品质,不同要求的产品而占主导地位。
2.2 防水透湿织物的生产技术
2.2.1 高密织物
由于织物纤维本身具有一定的吸湿效果,而且经纬纱交织时产生的缝隙孔洞能是人体在活动时所产生的汗气扩散出体外,所以不会产生闷热不舒服的感觉。高密织物利用改变织物结构而达到防水透湿的目的。Ⅴentile织物是这类防水透湿织物的典型代表[9]。超细纤维发展后,使得具有防水透湿功能的高密织物得到了长足发展,现在的高密型防水透湿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,这种织物密度是普通织物的20倍,不经拒水整理也可耐9.8-14.7kPa的水压,通过拒水整理后,可达更高要求。根据实现织物高密度化的方法,高密织物又可分为高密织造织物和高密整理织物[1O]。
(1)高密织造织物80年代初,日本一些公司利用超细纤维(0.1-0.3dtex)特殊的收缩技术得到超高密织物,经过防水处理后,获得具有长时间防水效果的透湿织物[11]。
(2)由于高密织造织物的生产难度较大,从而出现了通过整理手段以实现高密度的高密整理织物。如帝人公司开发的“Sore1a”是用涤纶皮芯异收缩纤维为原料制作的防水透湿织物[12]。该织物经过热收缩整理后,皮线超细旦纤维处于织物表面,使其有轻刷绒棉织物的质地,织物耐水压大于4.9kPa/24h,与服用面料的性能更加接近。
高密型织物作为防水透湿织物,其优势主要在于:工艺简单,主要是纱线和丝纤度的变化;制成的衣物悬垂性、透湿性好。此外,由于织物密度大,织物的撕裂性能差,生产成本高,加工困难。
2.2.2 涂层织物
即在织物表面涂上一层能形成薄膜的高分子化合物。高分子化合物一般不进入织物内部,在表面形成连续的薄膜,使织物具有特定的功能。涂层不仅能改善织物的外观和风格,还能根据所采用的高分子化合物的性能不同,使织物的功能不同、用途不同。
防水透湿的涂层整理主要采用直接涂层法、相分离法、泡沫法和相转换法等,在织物表面形成一层连续的薄膜,封闭纱线之间的孔隙或使其减小到一定的程度,从而具有防水性。这些微孔的直径大小应在2-20µm之间,即允许水蒸气分子通过,而不能透过水分子。或者采用的涂层高分子含有足够量的高亲水基团,作为水蒸气移动的阶梯[13]。水蒸气通过吸附-扩散-解吸等物理作用透过薄膜,使织物具有透湿性。
防水透湿织物采用的涂层剂主要有氯丁橡胶、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、有机硅橡胶、聚四氟乙烯等。美国Nextec公司以胶囊介入防护工艺(EPIC)形成防水透气的防护层[14]。此工艺成囊于织物内部,填充在纤维之间,为一种超薄的有机硅树脂薄膜,形成一层耐久的可吸气但不透水和风的屏蔽层。且该工艺无环境保护问题。
在20世纪9O年代中期出现的涂层工艺——放电涂层,利用物理和化学手段,借助等离子镀膜技术,在织物表面进行改性,使其具有憎水、防水能力[l5]。
2.2.3 层压织物
层压织物是将有防水透湿功能的薄膜采用特殊的胶黏剂,层压或黏结到各类织物上,从而使织物获得防水透湿的效果。防水透湿层压织物以多微孔聚四氟乙烯薄膜(PTEE膜)、聚酯薄膜(PET膜)和聚氨酯薄膜(PU膜)与织物复合为主流:也有用微孔聚乙烯和乙烯醋酸乙烯薄膜与无纺布复合的产品,后者主要供医用。
层压织物采用的高聚物薄膜主要有两类:亲水型和微孔型。亲水薄膜的主要产品有荷兰Akzo Nobe1公司的Sympatex层压织物、美国宝立泰国际股份有限公司的Qua1itex多功能防水透湿织物等[20-23]。薄膜在吸水后,仍能保持良好的机械性能,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。
微孔薄膜织物的耐水压性、透湿性、防风性及保暖性都较好,但加工过程较为复杂,生产成本较高。特别应注意的是微孔在长期使用的过程中会被堵塞,从而导致织物的防水透湿性能下降。
尽管防水透湿织物有多种加工方法,但在实际生产中常常将它们结合起来使用。比如,Gore公司的第二代Gore-tex产品就是将PTFE薄膜层压与亲水PUs涂层相结合以实现防水透湿功能且服用过程中不堵塞微孔。此外,还有美国3M公司生产的Thintech品牌等[l6]。
3 智能化防水透湿织物
防水透湿织物作为纺织品的一部分,其市场一直显现出良好的增长前景。在过去的十多年中,人们在交互式纺织品和智能服装方面的研究与进展使我们有理由相信,有“思维”的服装离我们并不遥远。随着形状记忆聚氨酯的问世,涂层整理必将推动智能型防水透湿和舒适性的涂层整理产品的开发。
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Diap1ex产品,其防水性能达到20,000-40,000mmH20,透湿气量达到8,000-12,000g/m2·24h。Dia1p1ex聚氨酯有许多优异性能[17-18]。例如,它的软化温度能够在白天温度变化范围内随意调节。当气温低于该设定温度时,它便能回复到原先形状;组成Dialplex材料的分子会因温度变化激发起微布朗运动,当温度升高到设定温度以上时,由于激活了微布朗运动,增大了聚合物分子之间的间隙,产生微孔,水蒸气可以通过。Dialp1ex本身是无孔材料,但能制成理想的防水透湿纺织品,而且其透湿性可随温度的变化而变化,即可实现智能化,是理想的智能化防水透湿材料。
2002年8月,香港理工大学纺织与制衣学系胡金莲博士研究小组通过对Dia1p1ex织物透湿性能的研究发现[19],该织物的透湿性能在其Tg范围内并没有发生特殊的变化。相反,根据ASTM E96-00标准计算透湿量,在消除蒸气压随温度的增加而增加对透湿性能的影响后发现,织物的透湿量随温度的增加呈略微下降的趋势。
4 智能化防水透湿织物的展望
由于材料的发展以及新工艺的出现,智能化防水透湿织物的性能提高与产品开发的研究主要从以下几个方面开展:
(1)由于高分子材料的发展,采用新的互穿网络聚合物、离子型聚合物[l1]等材料研制各种类型含有化学微孔的防水透湿膜。
(2)防水透湿加工中的环境污染问题。在目前的加工工艺中,涂层和层压等,都采用一定量的极易挥发的有机溶剂而有环境污染问题。
(3)聚氨酯材料在智能化防水透湿的应用,其防水透湿性能及影响因素还需要进行深入的研究。
5 结语
近年来,防水透湿织物在提高织物的服用性和功能性,满足某些特种行业和特种场合的需要等方面正发挥着越来越重要的作用。其中功能性聚氨酯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之一。
对聚氨酯结构和性能的深入研究将会进一步促进新型聚氨酯材料的面世,从而使智能型防水透湿织物的防水透湿性能更加优化,服用更加舒适。我们相信,防水透湿织物的发展将会更快,对人类日常生活将产生越来越显著的影响。
6 参考文献
[1] 顾振亚,陈莉.智能纺织品设计与应用[M]北京，化学工业出版社,2OO6
[2] 黄机质,张建春.防水透湿织物的发展与展望[J]棉纺织技术,20O3,31(2);69-72
[3] Lomax G
R。The Design of Waterproof, Water PerⅢeab1e Fabrics[J]Journa1 of Coated Fabrics,1985,15(7);40-96
[4] Chris
J, Painter.Waterproof,Breathab1e Fabric Laminates;A Prospective from Fi1m to
Market P1ace[J]Journa1of Coated Fabrics,1996,26(10);107-130
[5] 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,1998,24(5);110-114
[6] Leitch
P.,Tassinari T.H.Interactive Texti1es: New Materia1s in the New Mi11ennium Part
1[J]Journa1 of Industria1 Textnes,2000,29(3);173-191
[7]Zhang
Xing Xiang, Tao Xiao Ming,smart texti1es(2):Active smart[J]Texti1e
Asia,2001,32(7);49-52
[8]G.R.Lomax.“Inte1ligent”po1yurethanes for interactive c1othing[J]Textile
Asia,2001,32(9);39-50
[9] J.Rupp,
A.Bohringer, A.Yonenaga.High performance textiles or smart textiles? There is
money in know how[J] Int.Text. Bu11,2001,⑶:6-24
[10]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
[11]郝新敏,国外防水透湿多功能织物加工原理及现状[J]中国劳动防护用品,1995,(2):22-24
[12]周文龙.两种新型防水透湿面料[J]丝绸,19948);41-43
[13]胡金莲,杨卓鸿,形状记忆高分子材料的研究及应用[J]印染,2004(3);44-46
[14]付延鲍,刘萍,王东等.防水透湿织物的发展与现状[J]青岛大学学报,1999,(4);33-36
[15] Robert
Lomax G.Hydrophi1ic Coatings[J]Journa1 of Coated Fabrics,1990,20(10);88-107
[16]曾跃民.防水透气织物的发展[EB/OL]东华纺织信息网,2003-4-18
[17]Kemmere,M.and
Keurentjes,[J]Industria1 Membrane Reactors,Membrane techno1ogy in the chemica1
industry.Nunes,S.P.,and Peinemann,K.Ⅴ.,Weinheim:New
York,Wi1ey-VCH,2001;191-221
[18]
Hsieh,K.H.,TSCI,C.C., and Chang,D.M.Vapor and gas-permeabi1ity of po1yurethane
membrane. Prat2,Effect of functiona1-group [J]Journa1 of membrane science、1991.56(3);279-287
[19]顾振亚,周庆,韦朝晖等.拒液纺织品开发的新途径
[J]棉纺织技术,2002,30(1);13-16