高透湿高耐水压织物涂层剂的复配及工艺条件分析yd15007

汪娇宁1,2 陈波2    1.东华大学生态纺织教育部重点实验室，上海，201620；2.东华大学化学化工与生物工程学院，上海，201620

收稿日期：2011-06-10

作者简介：汪娇宁，女，1981年生，实验师。研究方向为纺织品后整理。

原载: 产业用纺织品2012/2;35-38,49

 

【摘要】复配一种织物高透湿高耐水压涂层剂，通过对复配条件、涂层工艺条件的筛选，得出最佳湿法涂层工艺条件为：TPU溶液黏度17 Pa·s，制孔剂正辛醇用量2.16％ ，匀泡剂(L-580)用量7％，凝固浴温度30℃，凝固浴中DMF浓度10％，凝固时间10 min(以上均为质量分数)。采用湿法涂层工艺，可获得透湿量为8 103 g／(m2·24 h)、耐水压为28.4 kPa的涂层织物。通过对涂层后织物的电镜扫描分析可知，涂层织物上的微孔孔径小于1.25 µm。

【关键词】聚氨酯，湿法涂层，透湿，耐水压

【中图分类号】TS190.2 文献标志码：A 文章编号：1004-7093(2012)02-0035-04

 

防水透湿织物是世界纺织工业不断向高档次发展独具特色的功能性面料，具有防风、保暖、防水、透湿等特殊功能。织物的透湿常常凭借聚合物薄膜微孔透湿，或通过亲水性无孔聚合物薄膜的传湿[1-3]。微孔透湿是利用气态水(0.000 4 µm)和最小的水珠(100 µm)之间的直径差，人为地在连续的聚合物薄膜上制造只让水汽通过而不让水珠通过的微孔(直径应在1.5 µm以下)。高防水高透湿性能取决于孔径、孔密度、孔径分布、致孔剂种类和致孔工艺。在聚合物薄膜上制得密集微孔的方法中，湿法涂层工艺是一种高效的方法，将聚合物溶液涂于基布表面，通过致孔剂和匀泡剂的作用，在凝固浴中脱去溶剂，基布表面留下足量的微孔聚合物膜[4]。传湿主要依赖于聚合物中亲水基或氢键对气态水分子吸附-扩散-解吸的过程，将气态水分子从高浓度的一侧扩散到低浓度的另一侧来实现的。本文研究了PU(聚氨酯)树脂黏度、制孔剂、匀泡剂以及凝固浴浓度、温度等条件，利用扫描电镜法观察微孔，制得了一种高耐水压高透湿的织物涂层剂。

1  试验部分

1.1  织物、药品及仪器

涂层织物：尼丝纺。

药品：PU(西班牙麦金莎公司)，十八醇、己二醇、正辛醇、异辛醇、DMF(国药集团上海公司)，L-580、B8110、B8302、B8002(美国DENTSPLY公司)。

仪器：ISO-811型抗渗水性测试仪(上海罗众科技研究所)、MUT52A型微型台式涂层机(北京纺织器材研究所)、ZNHW 型电热套(河南爱博特科技发展有限公司)、RW20 digital搅拌器(IKAWorks)、DK-$24型电热恒温水浴锅(上海森信实验仪器有限公司)、HH-S1型恒温水浴锅(上海卫凯仪器设备有限公司)、TM-1000型扫描电子显微镜(HTTACHI公司)、NDJ-1型旋转式黏度计(上海恒平科学仪器有限公司)、CZ-A-800型可程式恒温恒湿试验机[众志检测仪器(东莞)有限公司]。

1.2  PU涂层剂的制备

将不同质量比例的PU颗粒与DMF共混于三颈瓶中，在搅拌的状态下加热至60℃，恒温4-6 h，直至PU完全溶解为黏稠状黄色透明物质，冷却至室温，加入匀泡剂和制孔剂，继续搅拌I h出料。

I.3  凝固浴组成

不同浓度的DMF水溶液(％，质量分数)。

1.4  湿法涂层工艺

基布(尼丝纺)，PU涂层剂→涂布(上胶量25～35 g／m ) →不同温度、不同质量浓度的DMF凝固浴中成形→水洗l5 mjn→70 ℃烘干。

将涂层后的织物进行电镜分析，以得到最好的合成工艺和涂布工艺。

1.5  抗静水压性能测试

根据GB／T 4744-1997《纺织织物抗渗水性测定静水压试验》，利用ISO-811型抗渗水性测试仪，选择低档压差提升速率，测得抗静水压值。

1.6  透湿性能测试

采用GB／T 12704-1991《织物透湿量测定方法透湿杯法》测试涂层织物的透湿性能。

2  结果与讨论

2.1  PU涂层剂的操作黏度选择

Pu涂层剂的操作黏度直接影响涂层液的渗透性、涂层表面性能、最大孔径及孔密度。不同黏度的PU溶液成形结果比较见表1，最佳操作黏度选为17 Pa·s。黏度太小，涂层后易于背渗和出现涂层面浮泡，孔径也较大；黏度太大，则孔密度和孔径都很差，这是因为溶剂含量少，涂层面易于在凝固初期的短时间内形成致密皮层，使积聚在涂层内部的DMF难以扩散，造成孔少而大。如黏度提高到27 Pa·s，涂层表面完全形成无孔皱皮膜。因此黏度太小或太大都不利于涂层的进行。本文以下百分数均为质量分数。

表1  不同黏度涂层剂涂层后织物表面情况

操作粘度Pa·s

最大孔径µm

孔密度

孔径分布

备注

12

4.4

中

较均匀

表面浮泡

14

2.3

高

均匀

 

17

1.2

高

均匀

 

21

3.8

低

较均匀

 

24

4.5

低

较均匀

表面不平

27

无微孔

极

很不均匀

粗糙,起皱

注：匀泡剂(L-580)7％(占聚合物溶液)、制孔剂(正辛醇)2.16％(占聚合物溶液)、最佳凝固浴DMF浓度10％、凝固浴温度30℃、凝固时间10 min。

2.2  制孔剂及其用量的选择

湿法成形过程是聚合物中溶剂和凝固浴中的水双相扩散的过程。扩散的速度过快，微孔的结构塌陷，表面粗糙，孔径大，孔径分布不匀，不耐水压。加入致孔剂，能延缓凝固初期DMF和水急剧的扩散速度，使PU树脂凝固过程平和进行，有利于形成良好的微孔结构。由表2可知，不同致孔剂的最大孔径和孔径分布结果相差很大。可见，致孔剂的选择是制取微孔涂层膜最关键的环节。致孔剂正辛醇的效果大大优于十八醇和乙二醇。

表2  含不同制孔剂涂液涂层后织物表面情况

制孔剂

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

备注

十八醇

4.5

高

不均匀

低温析出

乙二醇

3.0

高

不均匀

 

正辛醇

1.2

高

均匀

 

异辛醇

25.0

高

很不均匀

涂层呈蜂窝

注：涂层剂黏度17 Pa·s、匀泡剂(L-580)7％(占聚合物溶液)、制孔剂2.16％(占聚合物溶液)、最佳凝固浴DMF浓度10％、凝固浴温度30 cC、凝固时间10 min。

我们对制孔剂正辛醇用量进行了比较，由表3可见，最佳致孔剂(正辛醇)用量为2.16％(占聚合物溶液的质量分数)。

表3  正辛醇用量对涂层后织物表面情况的影响

正辛醇用量/%

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

1.12

3.00

高

不均匀

1.28

2.25

中

不均匀

1.76

2.10

高

不均匀

2.16

1.20

高

均匀

3.44

3.25

中

较均匀

注：涂层剂黏度17 Pa·s、匀泡剂(L-580)7％(占聚合物溶液)、最佳凝固浴DMF浓度10％、凝固浴温度3O℃、凝固时间10min。

2.3  匀泡剂及其用量的选择

L-580系含氢聚硅氧烷和烯丙基共聚醚硅氢化反应物。在PU湿法涂层中，加入匀泡剂L-580能起到三个作用：①气泡的成核作用。使体系表面张力下降，使发泡剂以均匀细微的起泡分散在体系中，形成细小的泡核，有利于泡的成长。②气泡的稳定作用。在PU凝固过程中，黏度增加，形成的气泡壁非常薄，易被并合，或因碰撞而导致泡壁破裂，此时，匀泡剂能起到匀化修复作用，稳定泡沫；另外，匀泡剂的非离子性减小了气液界面问的相互作用力，有助于气泡稳定。③气泡的连通作用。黏度低时，匀泡剂能稳定气泡，随着凝固的不断深化，在成形最后阶段，物料黏度不断增大，气泡内压提高，达到泡壁开孔的临界状态，从而实现接近凝胶化时的气泡连通。由此可见，匀泡剂的品种和用量对PU膜的孔径、孔密度、孔径分布、孔的开孔率影响较大，即对涂层膜的防水和透湿性影响颇大。

对不同的匀泡剂进行了筛选，由表4可见，电镜测试结果表明，L 580和B8110的匀泡效果相当，另两款对于湿法成形工艺不合适。

表4  含不同匀泡剂涂液涂层后织物表面情况

匀泡剂

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

L-580

1.2

高

均匀

B8110

1.0

中

均匀

B8302

3.0

低

不均匀

B8002

4.2

高

不均匀

注：涂层剂黏度17 Pa·s、匀泡剂7％(占聚合物溶液)、制孔剂正辛醇2.16％(占聚合物溶液)、最佳凝固浴DMF浓度10％ 、凝固浴温度30℃ 、凝固时间10 min。

我们对匀泡剂L-580用量进行了比较，由表5可见，最佳匀泡剂L-580用量为7.0％(占聚合物溶液)。

表5  匀泡剂L-580用量对涂层后织物表面情况的影响

L-580用量/%

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

3.5

3.50

低

不均匀

5.2

1.90

中

均匀

7.0

1.20

高

均匀

8.8

2.25

中

较均匀

注：涂层剂黏度l7 Pa·S、制孔剂正辛醇2.16％(占聚合物溶液)、最佳凝固浴DMF浓度10％、凝固浴温度30℃、凝固时间10 min。

2.4  凝固浴条件的选择

2.4.1  凝固浴中DMF浓度的选择

在湿法涂层凝固成形工艺中，利用了PU溶液中溶剂DMF与水的相溶性，在其浸入到水中时，PU溶液中溶剂DMF因双扩散急速地进入水相，而使不溶于水的PU析出形成多孔的膜。为了得到细密的小孔，选用DMF稀溶液作凝固液是控制扩散速度的方法之一。当DMF浓度为6％～7％时，DMF扩散速度较快，使孔径小、孔密度差、表面致密而不平。随着凝固浴中DMF浓度的提高，DMF扩散速度减慢，孔径缓慢变大，孔密度提高，双扩散趋于平衡。当DMF浓度为10％时，孔密度最为理想。当DMF浓度进一步提高，表面性能又急剧下降。可见，合适的凝固液DMF浓度为8％-10％，最佳值为10％。见表6。

表6  凝固浴中DMF浓度的选择

DMF浓度/%

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

备注

6

0.80

低

较均匀

表面不平

7

0.80

低

较均匀

表面不平

8

1.20

中

均匀

 

9

1.50

中

均匀

 

10

1.20

高

均匀

 

11

2.50

低

较均匀

 

12

3.75

中

很不均匀

有极大孔

注：涂层剂黏度17 Pa·s、匀泡剂(L380)7％(占聚合物溶液)、制孔剂正辛醇2.16％(占聚合物溶液)、凝固浴温度30℃、凝固时间10 min。

2.4.2  凝固浴温度的选择

表7  凝固浴温度的选择

DMF温度/℃

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

28

1.0

中

不均匀

29

1.5

低

较均匀

30

1.2

中

较均匀

31

1.5

中

较均匀

32

6.0

中

不均匀

注：涂层剂黏度17 Pa·s、匀泡剂(L-380)7％(占聚合物溶液)、制孔剂正辛醇2.16％(占聚合物溶液)、凝固浴中DMF浓度10％、凝固时间10 min。

由表7和电镜照片可见，29℃时，随着凝固浴温度的升高，DMF扩散速度加快，水的侵入速度降低；但热塑型的PU在DMF中的溶解性和可塑性提高，导致内部聚合物的溶解状态维持时间长，表面DMF扩散，涂层厚度减小，密度增大，微孔直径变小，孔径分布改善。最佳凝固液温度为30℃，微孔直径达到最小。当温度提高到32℃时，孔径分布又变差。

2.4.3  凝固时间的选择

在凝固浴中，7～8 rain的凝固时间太短，真正的双扩散是在水洗过程中进行的。由于水与涂液间的DMF浓度差太大，涂层表面的双扩散过快，导致没等涂层内部的DMF扩散出来，涂层表面的双扩散已结束，大部分表面已形成致密的聚合物层。但积聚在内部的DMF仅能通过少数几个薄弱点扩散出来，从而导致最大孔径增加、密度低、孔径分布差、表面粗糙。最佳凝固时间为10-11 min，若凝固时间进一步增加，则表面性能下降。

表8  凝固时间的选择

凝固时间/min

最大孔径/µm

孔密度

孔径分布

备注

7

3.00

低

不均匀

表面不平

8

2.75

低

不均匀

表面不平

9

1.10

高

不均匀

 

10

1.20

高

均匀

 

11

1.50

高

均匀

 

12

2.50

中

较均匀

 

注：涂层剂黏度17 Pa·S、匀泡剂(L-580)7％(占聚合物溶液)、制孔剂正辛醇2.16％(占聚合物溶液)、凝固浴中DMF浓度10％、凝固浴温度30℃。

在所选最佳条件，即涂层剂黏度17 Pa·S、匀泡剂(L-580)7％(占聚合物溶液)、制孔剂正辛醇2.16％ (占聚合物溶液)、凝固浴中DMF浓度10％ 、凝固浴温度30℃、凝固时间10min，涂层后织物的电镜分布图如图1所示。

image002.gif

图1 涂层后织物的电镜分布图

经测试，涂层后织物的透湿性达8 103 g／(m2·24 h)，耐水压达28.4 kPa

3 结语

(1)选择一种加工成本比较低的热熔型高透湿PU作为涂层原料，并制订了合适的溶解工艺。

(2)经反复摸索，找到了新的制孔剂——正辛醇，使湿法涂层加工成型工艺制得孔径小于1.25 µm的微孔成为可能。

(3)通过电镜的跟踪，精确选定了最佳湿法涂层工艺：PU溶液黏度17 Pa·S，制孔剂正辛醇用量2.16％ ，匀泡剂(L-580)7％，凝固浴温度30℃，凝固浴中DMF浓度10％ ，凝固时间10 min。

(4)经以上最佳湿法涂层工艺加工，一次涂布就能达高透湿：8 103 g／(m2·24 h)；高耐水压：28.4 kPa

参考文献

[1] 杜民慧,李建树,钟银屏.防水透气聚氨酯薄膜及涂层的研究进展[J].聚氨酯工业,2003,18(1);1-4.

[2] 章娴君.聚氨酯微孔膜的防水透湿性及电镜分析[J].西南师范大学学报;自然科学版,1997,22(3);

289-295.

[3] 权衡,贺江平,刘庆艳,等.聚氨酯织物防水透湿涂层剂的结构与性能[J].上海纺织科技,2008,36(10);13-17.

[4] 黄机质,张建春,郝新敏,等.聚四氟乙烯防水透湿层压织物的研制与开发[J].上海纺织科技,2003,31(5);53-54.