抗浸服及抗浸层面料的研究进展yd17915

牛家嵘  顾振亚    天津工业大学纺织学院

原载：第三届纺织涂层、复合、功能纺织品技术交流资料集（浙江省纺织、印染协会主办）2007/6；69-73

 

【摘要】本文介绍了国内外抗浸服和抗浸层面料的现状, 总结了商用抗浸服的特点: 结合笔者的研究结果, 简要阐述了抗浸服和抗浸层面料的研究发展状况, 预测了其今后的发展方向。

【关键词】抗浸服 抗浸层面料 进展 智能化

 

1、前言

随着科技的迅猛发展, 人类的活动空间迅速扩张, 从陆地到海洋, 从高山之巅到南极冰盖, 地球上几乎每个角落都留下了人类的足迹。人类在不断实现对新领域、新空间征服的道路上, 对自身的安全防护也提出了越来越高的要求。例如对宇航员而言, 除了众所周知的科技含量很高的宇航服以外, 防寒抗浸服( Immesion Suit or Exposure Suit) 同样是必须装备之一。为了最大限度保证可能面临落水威胁人员的生命安全, 许多国家都将为此类人员配备抗浸服作为强制性措施来实行。

抗浸服又称防寒抗浸服, 是飞行人员和水域操作人员(如水手、石油钻井平台工作人员) 必备的一种装备, 用以防止穿用人员落水后因体内热量在短时间内大量散失而致伤、乃至死亡的个体防护装备[1-3]。浸服能阻隔水与皮肤的直接接触, 维持人体进行正常生理活动所需的体温, 从而延长生存时间, 增加获救生还的机会。

抗浸服通常分为A、B 两类[3]。A 类抗浸服作为紧急救生服使用, 由抗浸层和保暖层组成, 抗浸层被覆在保暖层的外面, 当浸泡在水中时, 能够有效防止外界水进入服装内。内部保暖层一般用棉或丝制成,里面用羽绒或其它保暖性好的合成纤维充填。B 类抗浸服是具有抗浸功能的工作服。这类服装适合于一般航空、水面作业, 也可以满足在大雨或暴风雪环境里的使用。由于使用目的不同, 两类抗浸服在一些性能指标上的要求有一些差异, 具体比较见文献1 。

此外, 根据阻水性能不同, 可以分为“干式”和“湿式”两类[4]。干式抗浸服不允许外界水以任何形式进入服装内部; 湿式抗浸服允许有限的水进入服装内, 由穿着者的体温逐渐使之变暖。

1.1  抗浸服及抗浸层面料的发展状况

抗浸服和抗浸层面料的发展与新材料、新技术的发展紧密相连, 特别是高分子材料的进步大大推动了抗浸面料性能的提升。抗浸服的发展大致经历了以下四个阶段:

1、早在上世纪20 年代英军即开始试穿第一代抗浸服[5]。1967 年Mk10 抗浸服开始在英国空军“鬼怪”式飞机上服役, 在5℃ 的水中可以为飞行员提供12 h 的防护。这种抗浸服在穿着时非常臃肿。Mk 10的连身内抗浸服采用文泰尔( Ventile ) 128 制造, 腰部以下衬文泰尔134, 以满足耐静水压的要求。这种抗浸服在渗人500ml水时, 其防护性能仅下降25 % ; 渗水1600-1700 ml时, 仍旧可以在2℃ 的水中提供1.5 h 的防护。

平时穿着时, 水蒸汽比较容易从文泰尔织物中的孔隙中扩散出去; 一旦浸泡在水中, 棉纤维膨胀, 由于织物原本非常紧密, 因此织物中的孔隙被封闭, 阻止液态水向织物内部渗透。另外, 这种织物需要经过拒水整理, 纤维表面呈现疏水性, 以提高织物的抗渗透性能。虽然文泰尔织物所用原料的品质很高, 但是由于织物密度过高, 在织造过程中受到的机械作用力很大, 因此纤维实际损伤较大, 影响织物的耐久性;

其次，同样由于织物紧密程度很高.遇水润湿后，织物变得非常硬。最后，需要指出，尽管其透气性和透湿性很好.但是当穿着者活动强度较高时，仍然无法满足穿着者的舒适性，湿气会在服装内冷凝。

    2、1931年.DuPond公司成功地开发出第一个面向市场的合成橡胶聚合物-Neoprene.即氯丁橡胶[6-7]。Neoprene制成乳液后可用来做发泡材料.继而加工成薄层材料。这些薄层材料可用于制作各种湿环境中使用的服装，诸如雨衣、潜水服、救生服，海上作业服等。制作抗浸服时，通常用Neoprene涂层织物做最外层的防水层，另外手腕、脚腕的密封圈、颈部密封圈、面罩等也都采用Neoprene制成。Neoprene涂层织物制成的抗浸服防水效果非常好，可以满足任何海事组织对抗浸服提出的保护要求，但是有一个严重的缺点一不透湿。穿着这种面料制作的服装，人活动时产生的汗气、汗液无法从体表排出，很容易产生粘湿、发闷等不舒适感，严重时服装内冷凝的汗液还可能结冰使人冻伤，因此只适于制作紧急遇险场合救生用的A型抗浸服，不宜制作可长时间穿用的B型抗浸服。但是由于其出众的防水性能，至今在防寒抗浸要求很高的场合仍然被大量使用，尚无替代产品。

    为解决透湿问题，这种抗浸服必须与其它功能性服装配合使用并且在服装结构上采取一些透气性的设计。

    3、随着美国Core公司对聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜-Core-Tex的成功开发，出现了利用这种薄膜层合织物制造的新型抗浸服。

   PTFE薄膜经过拉伸处理，每平方英寸内有90亿个微孔，平均孔径为O.2—5.Oµm，这一特点使得Gore-Tex成为防水透气性能俱佳的材料[8]。Gore-Tex织物在耐l00cm水柱压力的同时可以获得5000g／m2·24h的透湿量，大大提高了服用的热湿舒适性。有实验证明[4],盐水对Gore-Tex织物的防水透湿性和耐久性没有影响，这意味着用其制作的抗浸服同样适用于执行海域任务。目前，采用微孔PTFE薄膜制造的抗浸服主要是针对透湿量要求较高、需要长时间穿用的高端产品或对抗浸功能要求较低的产品，例如可替代传统飞行服的抗浸服或一些水面作业的防护服等。由于技术含量高，该织物的成本也很高。

    值得注意的是，微孔PTFE薄膜的防水透湿性仅在“理论”上是完全成立的。尽管Gore-Tex在暴雨、暴风雪等极端环境中有良好的表现，但是在实际应用中，特别是较长时间浸没在水中的情况下，由于多种因素的影响和制约.其防水性能受到一定的影响。为了满足更高的抗浸性能要求，Gore公司专门开发了Immersion Technology织物[10]。这种织物仍然采用了三层层压的工艺，内层织物改用一种特殊的针织物，保证长时间服用的舒适性和织物的耐久性。

    4、我国从l972年开始研制防寒抗浸服，供飞行员执行任务时使用。目前使用的防寒抗浸服的抗浸面料主要是4-4.2涂胶布，在15℃的水温下能够满足抗浸6h的要求。但不透湿[11]，国内正在研制的面料是聚氨酯微孔发泡防水透湿织物，该织物由高强织物底布与聚氨酯涂层复合而成，其透湿、防水、强度等各项指标基本满足抗浸服战技指标的要求.但仍不理想.需作讲一步的研究^

   1.2  根据大量调研结果，目前商用抗浸服的主要特点是：

    (1)多种产品采用氯丁橡胶涂层织物或微孔PTFE薄膜作为抗浸层材料，PVC和PU涂层很少使用：

    (2)氯丁橡胶涂层抗浸服的结构通常比较简单，多应用在紧急救生、对防寒抗浸性能要求高的场合，基本没有透湿性；

    (3)采用微孔FFFE薄膜的抗浸服结构复杂，为了保持透湿性能，其它层相应地也需要考虑透湿问题，可应用于多种场合，由于舒适性较好，可长时间穿着进行各种作业；抗浸性能逊于氯丁橡胶涂层材料，而且服装维护困难；

    (4)几乎所有的抗浸服表层面料都采用尼龙织物，组织结构多为牛津纺，这样做可以提高面料表面的耐磨性, 保护抗浸涂层或抗浸薄膜。

1.2  抗浸层面料的新进展

对于抗浸服而言, 面料除了需要具有良好的阻水性能外, 服装结构和附件设计也有很高的要求, 以保证快速穿着和在水中的密封性, 因此国内外与抗浸服相关的发明和研究主要集中在这两方面[12-14] , 针对抗浸服面料的则甚少。

为了改善穿着者的热湿舒适性, 面料的透湿性能越来越受到重视。例如Mustang 公司的M AC100采用了Total Comfort system 技术[25]。从图1 中可见, 透湿薄膜层为该织物提供了阻水、

透湿的功能, 内层织物通过芯吸导线和芯吸衬布以特殊的结构与泡沫材料缝制在一起, 提供导湿

、保暖的功能。由于制造工艺复杂, 该面料制作的抗浸服主要为高性能飞机上的飞行员配备。如果想获得符合SO LA S 标准的保暖性, 仍需内穿保暖服。此外, 还有其它一些与服装结构相关的设计。

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图I  Total Comfort System 防寒抗浸面料解析

从上面对抗浸服的介绍中可以看到, 如果强调防水性能, 那么热湿舒适性会大受影响; 强调热湿舒适性, 织物的防水性能又会受到影响。如欲二者兼顾, 抗浸服面料在结构上势必非常复杂, 技术难度大, 成本高。造成这一状况的固结在于, 抗浸织物需要面对“干态-湿态”, 两种截然不同的环境, 而自身并不具备对环境变化做出响应的能力。

水凝胶材料是一种智能材料, 它的一个重要的特性是在一定的环境刺激下(包括单一刺激和复合刺激) 体积相会发生突变, 这一过程可逆并且可以重复很多次。如果将智能凝胶高分子材料引入功能纺织品开发设计领域, 通过接枝改性的方法使纤维表面形成凝胶层, 纤维在原有物理机械性能保持基本不变的情况下, 可以获得凝胶聚合物对环境变化做出响应的能力。对抗浸织物而言, 如图2 所示, 在干态的环境中, 凝胶分子处于收缩状态, 织物中的孔隙开放, 透气透湿性能良好; 织物一旦浸人水中, 凝胶层迅速溶胀, 将织物中的各级孔隙封闭, 阻止水向织物内部渗透, 那么可以实现智能化的杭浸功能。凝胶层溶胀,封闭织物孔隙。

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图2凝胶化织物对干态一湿态环境响应示意图

按照这一思路, 贺昌城首先在织物表面凝胶化改性方面作了探索性的工作[11]。他利用电子束辐照引发接枝的方法对涤纶织物进行改性, 涤纶纤维表面成功地形成PAAc (聚丙烯酸) 水凝胶层。改性后的织物明显具备PAAc 凝胶的溶胀特性[27-29], 研究结果表明利用水凝胶开发智能型抗浸服面料是可行的。

笔者采用自由基引发接枝的方法对涤/棉织物进行改性, 棉纤维表面形成PMMa(聚丙烯酸胺) 凝胶层, 改性后织物的主要性能如表1所示。

 

表1  PMMa 接枝改性涤/ 棉织物主要性能

 

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注: 涤/ 棉织物,JT/ C ( 65/35 ) 13 t x 2 x 398 x 216 , 平纹

平衡透水率V1(ml/m2/s ) =

水流出体积(ml)

 

水流出时间( s ) x 织物有效面积(m2)

 

织物透水率越低, 说明在一定的水压下, 单位时间内透过织物的水量越少, 织物的抗浸性能越好; 反之, 织物的抗浸性能越差。

将水凝胶高分子材料引入功能纺织品开发设计领域, 通过接枝改性的方法在纤维表面形成智能凝胶层, 织物在原有物理机械性能保持基本不变的情况下, 获得了对环境变化做出响应的能力。然而随着研究的不断深人, 有许多问题有待进一步解决, 诸如更为有效的接枝改性方法、更高的响应强度和更快的响应速度、织物自身结构对抗浸性能的影响等等。

2、总结

智能化是抗浸服和抗浸层面料今后的发展方向。智能型抗浸服的开发涉及高分子材料改性、织物功能整理和织物组织结构设计等多个学科的知识, 只有以最终应用性能为出发点, 综合考虑需要解决的问题, 取长补短, 才能使智能型抗浸服面料的综合服用性能满足实际需要, 彻底解决防护性和舒适性之间的矛盾。

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