防水透气膜在防护服中的应用yd17607
卞烨
作者简介：卞烨，男，1993年生，本科在读。
作者单位：苏州大学纺织与服装工程学院，曼彻特斯大学材料学院
(国家留学基金委优秀本科生国际交流项目)。
基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目(201310285064Y)。
原载：纺织导报2014/8；60-63
【摘要】具有防水透气功能的防护服在军事、医用、户外运动等领域中一直广受关注。根据实际应用领域的不同，选择的防水透气聚合物膜也不一样。本文总结了微孔膜、亲水膜和多微孔亲水复合膜的特点，分别介绍了几种聚合物膜在防护服中的应用，并对这3种膜进行了简单对比。
【关键词】防水；透气膜；防护服；应用
【中图分类号】TS941．48 文献标志码：A
聚合物膜被广泛应用于防水透气服中，如冲锋衣、手术服、军用服等，通过控制适度的透气率此类服装在起到保护作用的同时还能保持一定的舒适度。应用领域不同，用于构造不同结构膜的聚合物也不尽相同，本文将聚合物膜分为多微孔膜、亲水膜和多微孔亲水复合膜，介绍了各种膜在防护服中的应用情况。
1 多微孔膜
在多微孔膜中，微孔的尺寸为0.1～50 um，这决定了只有空气或者水蒸汽才能透过膜而液体则不能渗透。电纺技术成本较低，操作简便，适用价值高，该技术可以天然聚合物、合成聚合物等为原料制备防水透气的多微孔薄膜。
1．1 聚偏氟乙烯(PVDF)
PVDF是一种广泛应用在薄膜材料上的多微孔纤维。和大多数聚合物材料相比，PVDF膜有高机械强度、热稳定性、耐化学性和疏水性。PVDF疏水性膜由于自身的防水特性，也可用作制备多微孔薄膜。在二甲基甲酰胺／丙酮混合溶液中通过电纺技术可以成功制得PVDF纳米纤维膜。当PVDF浓度为12％(wt％，下同)，二甲基甲酰胺／丙酮混合溶液体积比为6:4时，可以制得透气性好、防水性能极佳的纳米纤维膜。
自从上世纪80年代我国开始研制PVDF膜以来，已经取得了—定的进展，部分研究已经实现产品化。日本、美国、欧洲等已对PVDF材料进行了深入研究，相关产品已应用在众多领域。目前，国外PVDF相关产品品种、品级多，加工技术成熟，应用范围比国内 特别是在高端领域。近来，Cheng在其专利中已成功地将疏水性的PVDF膜构成的防水透气织物应用在雨衣、户外运动服等纺织服装产品中。
1．2 聚氨酯(Pu)
PU因其卓越的性能而被广泛应用于众多领域，涉及轻工、化工、电子、纺织、医疗’建筑、建材、汽车、国防、航天、航空等。PU具有很好的拉伸应变、耐磨性，弹性和韧性也很好，是一种常用来制作透气膜的聚合物。
把纤维素衍生物和疏水的PU混合制膜，合成膜的水蒸汽透过率和机械性能得到有效的改善。在PU合成膜中，纤维素衍生物不仅是交联剂而且还是增链剂，此外，适量的纤维素衍生物可以提高合成膜的水蒸汽透过性。在加入纤维素衍生物时，温度对于水蒸汽也有一定的影响，在温度为50℃的条件下，水蒸汽透过性得到改善。当PU膜被氟化后，膜层和水的接触角达到了156°，和油的接触角达到了145°，说明其具有了超疏水疏油性能。而且这种氟化PU膜具有更高的耐水性、更好的透气性和水蒸汽透过率。聚合物薄膜相对于无机薄膜有着较低的空气渗透率，通过把合成的氟化PU浸涂在电纺的二氧化硅纳米纤维制得无机的超疏水超疏油纳米纤维膜，其具有很好的防水透气性能，这种复合材料非常适用于防护服。
从实际应用看，由PU膜构成的kingtex面料因为有着极高的透气性，目前在市场上很受欢迎。德国狼爪公司目前研制的Texapore面料中使用了超强度的PU复合面料，从而具有了高透气性和强防水性。
1．3 聚四氟乙烯(PTFE)
PTFE膜作为一种有着超低表面能的疏水聚合物膜，耐水性很好，但透 陛不高。虽然PTFE气孔很小，而且没有许多张开的气孔，但是水蒸汽还是可以通过微空洞来扩散，因此这种膜层压在织物上可以有效地防水防风。例如，一些军用毒气能轻松地渗透进服装中对人体造成伤害，对此可增加防护服材料表面的疏水性来提高保护性能。用含氟表面活性剂来修饰PTFE微孔膜可以提高膜层的疏水性，当有毒气体进入液体中，由于膜的低表面张力和表面高疏水陛，带有有毒气体的液滴会自动从表面滑落，以此来保护皮肤免受毒气伤害。以PTFE膜为主要材料的防护服可有效地阻挡如油质的芥子气、生物化学毒气等。
PTFE层压复合材料是防风保暖、防毒气的上选材料，用这种材料做成的服装可广泛应用在户外运动服、火警防护服和军队防护服等产品。目前世界上许多一流的厂家都采用PTFE作为防水透气的材料。美国Gore公司研制的GoreTex防水透气织物就是利用了PTFE薄膜和织物的复合，是目前世界上最先进耐用的防水透气产品。从头上戴的帽子、围巾，到身上穿的外套、裤子，再到脚上穿的鞋子，该产品可为户外运动者提供从头到脚的防护。El本和欧洲很多国家也进行了相关研究，但由于各国对制备技术保密，到目前为止还只有Gore、Pall、Mill-pore、Whatrnan、Gelman、DDS、Dominick、Sartorius~I]El本的日东电工、大金、旭硝子等几家公司可生产PTFE微孔膜。此外，著名的美国FBA国际集团研制的First．Tex防水透气面料和美国哥伦比亚公司研制的Omni-Tech防水透气面料也是把PTFE作为防水透气薄膜的材料，其产品在军队防护服中得到了广泛应用。我国研制的PTFE微孔膜虽在中常温环保除尘、功能服装等领域得到应用，并已基本解决PTFE微孔膜生产技术中存在的诸多问题，但与国外同类产品比较，仍存在巨大差异，大量高品质膜仍依赖进口。
2 亲水膜
亲水聚合物由共聚物构成，一般亲水性膜都是不透气的，但是通过在分子链中加入保湿剂也是可以达到透气的效果。另外，当亲水膜接触液体或者处于很高的饱和蒸汽压下时，会经历一个膨胀的过程。通过这个过程，亲水膜的水蒸汽透过性也会得到增强。因此，由亲水聚合物构成的膜层对于制造透气防护服是一个很好的选择。
2．1 聚乙烯醇(PVA)
PVA是由德国化学家w O Herrmann和W W Hachnel博士于1924年合成的，有很强的粘接性和耐磨性，是一种亲水聚合物，具有许多优异的特性，这使其在El常生活中的用途十分宽广，PVA可从人体上带走水分从而转移到大气中。用聚丙烯酸(PPAc)作为交联剂把高分子量的聚乙烯醇涂覆到棉织物上，起交联剂作用的聚丙烯酸中的羧基和PVA中的羟基结合得到透气膜层。当PVA和PPAc的摩尔比率为25:1时，这种亲水性涂层有着极佳的透气性能。另外，这种膜层是连续不断的，没有间隙，因此涂覆在织物上牢度很高。这种透气膜构成的户外运动服能在极端的气候条件下为人体提供保护。此外，由PVA和PVDC复合制得的亲水膜，应用于防化服则可以有效地阻挡有毒化学气体。采用PVA水溶性纤维生产的水刺非织造布是制作防辐射、防污染服装的良好材料。为了增加防护效果，还可以将其与水溶膜复合。美国、日本的许多研究机构曾对PVA进行过试验，证明了其无毒，除了不宜作为内服药品或食品直接进入人体外，它与皮肤的接触完全无害。目前，我国是世界上PVA产能和产量最大的国家，其次为日本、美国等。但与发达国家相比，我国在PVA及其衍生物的应用领域相对滞后，可以预测随着我国经济规模的扩大和质量的提升，PVA及其衍生品将在中国防护服方面有很大的运用。
2．2 聚氧钼酸盐
分子簇为(NH4)42[Mo 132O372(CH3COO)30(H2O)72](特指[Mo132])的聚氧钼酸盐有很好的稳定性，将[Mo132】加入聚合物中既可以获得化学防护性能，也可获得很好的水蒸汽传输功能。Popa等人提出了以聚氧钼酸盐为主要成分的选择性膜可应用在防化学毒气的防护服中。在他们的研究中，在以乙烯-PVA共聚物和多钼酸盐为主要成分的纳米复合膜上，水分子可以通过亲水的孔穴，而大的疏水分子却被阻隔在膜层外。这种膜的透湿率很高，而有机溶剂的透过性则很低。因此，以聚氧钼酸盐为主要成分的膜可有效地阻挡环境中的有害化学气体，目前可应用在工厂的化学防护服及军队防护服中。
2．3 PU
自1962年德国Bayer试验室发明具有水汽渗透性亲水性Pu，亲水的无孔聚氨酯膜被逐渐用作透气服装的材料。亲水PU是由水溶性的软段和不可溶的二异氰酸酯硬段构成。与多微孔PU膜相比，亲水PU膜对材料基底有更好的粘附力和耐用性，而且光泽更高。
在亲水性Pu分子链中加入聚氧乙烯，这种PEO-PUs复合膜层的透气性不仅得到提高，而且其防水性和耐用性得到平衡。水性PU-尿素是一种无毒不易燃烧的复合材料，其对橡胶、聚合物纤维等基底有很好的粘附力。当这复合聚合物中包含有70％聚乙二醇，0.5％的硬化剂时，尺寸稳定性好，亲水性很强，水蒸汽透过率很高，并且可以直接涂层在防水透气服上。在寒冷环境下，对于防护服的要求是隔热性要好，通过把金属沉积在织物上可以减少热量的散失。用气相沉积法，把Al蒸汽以纳米颗粒的形式凝结在静电纺的PU表面，则可在维持透湿眭的条件下提高隔热性能。目前，典型的亲水眭PU产品有德国Bayer公司生产的亲水PU涂层织物Impraerm、荷兰AKZO公司的Sympatex层压织物、美国宝立泰公司的Qualitex多功能防水透湿织物等，这些透气膜可应用到户外运动衣或者恶劣天气条件下的防护衣等。
3 多微孔亲水复合膜
在wu等人的研究中，他们用电纺法把PU微孔膜层直接涂覆在准备好的亲水膜层中(图1)，制备的复合膜中包含有疏水的PU膜层和亲水的聚乙烯醇(c-PVA)膜层。在复合膜中，疏水段具有防水陛，而且水能自发的从疏水段流向亲水段；在亲水段可以通过水蒸汽。目前多微孔亲水膜在防护服中还没得到广泛的应用，但是这种具有特殊性能的复合膜有着很大的发展前景。
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图1 PU／c-PVA复合纤维膜示意图 |
4 结语
多微孔膜、亲水膜和复合膜都能应用在许多领域中并起到防护作用，但各有特点：
(1)多微孔膜有一定程度的透气性，亲水性膜在分子链中加入保湿剂也可达到透气的效果，但是水蒸汽透过性没有多微孔膜高，对复合膜而言，增加强韧性会导致其透气
性降低；
(2)亲水膜一般都是连续不断没有间隙，而且亲水膜的孔径一般比多微孔膜的更小，因此亲水膜对于基底具有更高的粘附力，复合膜则由于加入了亲水膜层，因此其粘附
力性也得到了增强；
(3)亲水膜比多微孔膜耐磨性好，在水洗后还能保持原有的性能；
(4)亲水膜有更佳的尺寸稳定性，防风l生等也更高。
具有防水透气性能的膜在防护服中有广泛的发展前景。与传统的防护材料不同，应用在防护服中的透气膜在使水蒸汽透过的同时也能保证在这些过程中体内热量不会散失过多。一些现有的防水透气膜存在着操作过程复杂、透气性和防水眭不能有很适当的平衡、生产成本过高、不适合大面积投入市场等缺点。在今后的研究中，相关研究应该更注重人体舒适感，除了透气性、防水性、耐磨性、低成本和材料稳定外，未来的防护服将采用更多的新型合成材料，集防火、防毒和防化功能干一体，整体产品更加经济、轻便和好用。另外，选择膜层也要从实际应用角度出发，选择低制造成本、制备方法简单的膜层，从而可大量投入到军事、医用和户外运动等领域中。
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