聚氨酯涂层剂的应用性能研究vqq-12

王树根1   权衡2    张晓红2  （1．教育部生态纺织重点实验室，江南大学 纺织服装学院，江苏 无锡，214122。2. 西安工程大学 纺织与材料学院，陕西 西安  710048）

资料来源：第七届后整理年会征集稿

 

【摘要】为探讨聚氨酯应用性能与其物理、化学结构及组成的关系，制备了三组具有不同结构及组成的亲水性聚氨酯涂层材料。测试了涂层织物的防水性、透湿性等主要应用性能；还采用了广角X衍射仪（WAXD）及表面张力/接触角测定仪研究了材料的聚集态结构及其表面性能。研究结果表明：涂层织物的透湿性及防水性主要取决于聚氨酯涂层材料中亲水性醚键的含量以及硬链段与软链段的比例。

【关键词】聚氨酯；防水透湿；结构；性能

【中图法分类号】TS195.2　   文献标识码：A

 

纺织品的聚氨酯涂层整理是后整理中新发展的一种加工技术。涂层整理能使织物的正反面产生不同的功能 。聚氨酯涂层织物具有防水透湿功能，防水透湿织物又称为“可呼吸织物” [1-3]。 其主要特点是既能防雨防风又能将人体形成的汗液、汗气蒸发，避免在衣服内凝结，保持服用者干爽、舒适。

聚氨酯类涂层剂是聚酯或聚醚等柔性链段和异氰酸酯刚性链段嵌段共聚的高聚物，分子链中刚柔链段相间排列。 聚氨酯的许多性质，如玻璃化温度、熔点、模量、弹性、抗张强度、吸水性等，都可以通过改变聚醚预聚物的种类和分子量，二异氰酸酯的种类，软硬链段的比例，扩链剂的种类和用量等来实现[4 ]。聚氨酯类涂层剂的优势在于：涂层柔软富有弹性，涂层强度好，且具有抗湿和通气性能，耐磨、耐洗、耐干洗等[5]。本文在制备了一系列聚氨酯涂层剂基础上，对聚氨酯的有关性能作了研究。

1 实验

1.1 聚氨酯膜的制备

将实验室合成的一系列聚氨酯在聚四氟乙烯板上流延成膜，制成不同厚度的聚氨酯膜 。

1.2 织物涂层

涂层工艺：浸轧拒水整理剂→ 烘干（90℃，2min）→ 焙烘（150℃，2min）→ 干法涂层→ 烘干（90℃，2min）→ 焙烘（150℃，2min）→ 后拒水处理

1.3 聚氨酯性能测试

1.3.1 透湿汽性能测试    透湿杯法（蒸发法）：GB/T 12704-91

1.3.2 抗渗水静水压测试  抗渗水静水压试验法：FZ/T  01004-91

1.3.3 广角X射线衍射

测试在15～20oC下进行。工作电压40kV、工作电流100mA、Cu靶、Ni滤波(Ka射线)、扫描范围5～50o、速度8o/min、每隔0.02o采集一个点。

1.3.4 表面性能（静态润湿角）

室温下测试聚氨酯涂层剂薄膜与水的接触角， 在薄膜不同处进行多次测量后取其平均。

2 结果与讨论

2.1 涂层织物的透湿性能与防水性能

表1 聚酯/聚醚嵌段共混型聚氨酯涂层剂

Table 1: Polyester/polyehter block compounded polyurethane coating agents

项 目

硬段百分含量质量%

硬段平均分子量Mh

软段平均分子量Ms

醚键百分含

量质量%

A-1

15.8

319.0

1700

5.5

A-2

19.8

419.7

5.1

A-3

23.5

522.2

4.9

A-4

26.8

622.4

4.7

A-5

30.9

760.2

4.4

B-1

17.5

318.2

1500

10.0

B-2

21.9

420.6

9.5

B-3

25.8

521.6

9.0

B-4

29.4

624.6

8.6

B-5

33.6

759.0

8.0

C-1

19.6

316.9

1300

15.7

C-2

24.4

419.6

14.8

C-3

28.6

520.7

14.0

C-4

32.4

623.1

13.2

C-5

36.9

760.2

12.4

 

表2 聚酯/聚醚嵌段共混型聚氨酯涂层剂各项性能

Table 2: The properties of polyester/polyehter block compounded polyurethane coating agents

 

序

号

A

B

C

防水性

kPa

透湿性kg/m2

·24hr（37 oC）

防水性

kPa

透湿性g/m2

·24hr（37 oC）

防水性

kPa

透湿性kg/m2

·24hr（37 oC）

1

8.88

1.98

7.8

1825

4.9

2.23

2

14.1

1.87

9.4

2256

7.0

1.82

3

14.3

1.47

7.4

1519

7.4

1.84

4

14.3

1.48

10.9

1646

8.3

1.91

5

15.7

1.03

12.3

1498

8.0

1.77

由表1，2数据可得到以下结论：

① 在相同硬段百分含量的条件下，涂层织物的透湿性能随PEG1000含量的增加而提高（图1）；而其防水性能却在下降（图2）；

涂层织物的透湿性能随PEG1000含量的增加而提高是因为环氧乙烷提高了水分子在聚氨酯聚合物中的溶解度。一方面，亲水性醚键（- O-）浓度较高，使得水分子在其间沿“分子阶梯”传递时阶梯较短，因而移动更加容易；另一方面，当高分子物浸入水中时，水分子会向亲水性高聚物内部扩散渗透。亲水的醚键为此提供了动力，分子中这种亲水性基团越多，涂层剂的溶胀就越大。对涂层织物而言，亲水性强则必然会伴随着其防水性能的下降。因此，PEG1000用量的提高还受到其涂层织物耐水压性能的制约。

② 在相同软段组成的条件下（组内），硬段百分含量越高，涂层织物的透湿性能下降（图3）；同时，其防水性能却不断获得增强（图4）；

除了上面所述的原因外，聚氨酯涂层剂的临界转变温度Tg随硬段含量的增加而升高也是一个不容忽视的原因。

图1  涂层剂中醚键百分

含量与涂层织物透湿性间的关系

图2  涂层剂中醚键百分

含量与涂层织物防水性间的关系

   

图3  涂层剂中硬段百分

含量与涂层织物透湿性间的关系

图4  涂层剂中硬段百分

含量与涂层织物防水性间的关系

③ 由A组到C组，尽管材料的软段百分含量及其平均分子量均在下降，但其透湿性却在提高，防水性在下降。这说明，涂层剂中醚键的含量对材料应用性能的影响比软段百分含量及软段平均分子量显著。

2.2 聚氨酯膜的结构与性能

2.2.1 X射线衍射

选择三只具有不同DTA谱形的聚氨酯，对其进行了结晶性能的研究（图略）。结果显示：三只聚氨酯的WAXD衍射峰半高宽值相当大，说明在聚氨酯材料中存在许多结晶完整性较差的晶粒；材料的WAXD谱图半高宽分布较宽，预示了聚氨酯中同时存在有大量非结晶大分子及少量具有不同结晶程度的结晶大分子。

2.2.2表面性能（静态润湿角）

 

图5 A～C组聚氨酯防水透湿涂层剂亲水性能（行为A～C；列为1～5）

由表1和图5可看出：聚氨酯涂层剂材料的表面亲水性与其醚键百分含量近似呈线型反比关系。随聚氨酯中醚键含量的提高，其与水的接触角明显下降。这与易于弯曲聚集，并可与水形成氢键的醚键有关。

3 结 论

3.1 影响涂层织物透湿及防水性能的主要因素为软段的结构组成、分子量及硬段含量和涂层剂中醚键的百分含量。 

3.2 重点讨论了PU干法直接防水透湿涂层，所制备的聚氨酯膜属无孔膜。聚氨酯中亲水性组分含量越高，涂层织物的透湿性越好，但却会引起耐水性的下降。
 
参考文献：

[1]Painter C.J. Waterproof, Breathable Fabric Laminates: A Prospective from Film to Market Place[J]. Journal of Coated Fabrics, 1996,26(10):107-130.

[2]Danial J.,Colhlke J.T. Gore-tex waterproof breathable laminates[J]. Journal of Coated Fabrics,1996,16(7):28-37.

[3]张旺笋,郑琪,顾振亚.防水透湿织物加工技术的进展[J].产业用纺织品,2000,18(6):4-8.

[4]陈福泰,多英全.PEG嵌段热塑性聚氨酯弹性体的形态结构和性能[J].高分子材料科学与工程,2001,17(5):55-58.

[5]王炜,华载文.聚氨酯微乳液防水透湿涂层剂的研制[J].纺织学报,2000,21(6): 57-60.