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防水透湿面料的发展与现状

防水透湿面料的发展与现状
人们在日常生活中,经常要接触水,这样就引起人们对穿着的衣物提出了防水的要求,从而客观上促进了防水面料的产生。据文献记载1,早在公元1600年以前,中美和南美的居民就生产出了防水面料。以后随着高分子科学的发展,多种合成材料出现,作为涂层材料,作用于面料上,制成防水面料。
早期的涂层防水面料,有一定的防水效果,但不透湿,防水不透湿面料对服用者产生不舒适甚至低温寒冷的后果2。
防水不透湿面料存在的这些问题,使人们寻求一种可呼吸(breathable)面料。在二战期间,Shirley学院的研究人员最先研制出防水透湿面料(WBF)2,主要用于军事、户外活动、医生手术服等。
在涂层法制备防水透汽面料方面,最先利用的涂层材料为丙烯酸和聚氨酯系列3。在60年代末和70年代初期,很多学者对涂层面料进行了大量的研究。在80年代以前,一般是利用溶液或溶剂体系产生的聚合物来作为涂层体系4。自80年代以来,水溶性涂层材料的研究引起了很多研究者的兴趣。现在研制成功的水溶性涂层防水材料,主要为聚氨酯(PU)及其改性产品4。
80年代中期,又出现了一种新的涂层工艺--放电涂层。此种技术是利用物理和化学手段,借助等离子体镀膜技术,在面料面进行改性,使其具有憎水、防水能力5——14。
在防水面料的发展过程中,粘贴薄膜式防水面料起到了一个很重要的作用。此类防水面料的代产品为Gore-Tex膜面料。Gore-Tex膜是W.L.GoreAssociatesInc.的PTFE膜产品商品名15,于1969年首次研究成功16。日本的NITTOElec.Inc.生产的MICROTEX也属此类膜17。Gore-Tex面料在产业和技术上的成功,大大激发了聚合物成膜研究和发展,特别是在美国和日本18。
由以上可知,从不同的防水机理和生产方法来看,防水面料可分为:紧密面料型防水服装,涂层型防水面料和粘贴薄膜型防水面料。
1.紧密面料型防水服装
1.1紧密面料防水及传湿机理
紧密型防水面料是利用改变面料结构而达到防水透湿的目的。由于此类面料是最早研制成功的防水透湿面料2,其主要机理为:水汽在纱线空隙之间简单的扩散;纤维束之间的毛细管传递;在单根纤维之间的扩散。
第一种机理,水汽传递过程是由沿面料从内到外的水蒸气压力梯度控制的。当纱线之间的空隙较小时,第二种传递机理所起的作用就很重要了。对于第三种机理,主要涉及水蒸汽吸附在面料内面纤维上,通过纤维扩散,在面料外面解吸。由吸水或亲水纤维(如羊毛、,棉花和粘胶等)织成的紧密面料水蒸汽传递能力比类似结构的不吸水或憎水性纤维织成的面料要强得多19。
对防水面料所能耐的静水压P,可用Laplace‘s方程得出20:
γ为润湿液体的面张力,r为孔的半径,θ为润湿液体对孔壁的接触角。
要提高耐水压,可通过减小纱线之间的孔大小,或增大接触角来实现,而增大接触角一般通过对面料进行憎水处理来实现。
1.2紧密防水面料发展与特点
紧密型防水服装,主要有早期的全棉Ventile型和现在的超细聚酯纤维面料。
Ventlie型面料是由低捻棉纱以牛津布的形式织成,此结构使布面平整,面料紧密但不僵硬2。在干态下,人体排汗产生的水汽在纱线之间的空隙中穿过亲水纤维扩散和通过纤维束进行毛细管传送21。在遭到雨淋时,棉纤维的亲水性引起纱线溶胀,使纱线之间的空隙从10μm减小到3μm21。
现在的紧密型防水面料,多用超细聚酯或尼龙纤维为原料织成22,23。在此类面料中,纤维之间、纱线之间紧密排列,使得面料在不进行憎水整理的情况下,也能耐水压104——105Pa2。纤维纱线之间形成毛细管,由于毛细管效应,能很好传输水蒸汽。
2.涂层防水透湿面料
涂层法是指面料直接或间接地进行涂层,使面料具有防水性,透汽性是通过产生微孔结构或使其具有亲水性而得到的24。根据其防水透汽机理,可分为三种类型:微孔涂层法,亲水性涂层法,微孔亲水结合法。
2.1微孔涂层法
微孔涂层具有防水透湿功能,主要是由于水汽分子和雨滴尺寸有很大的不同,水汽分子直径一般为4×10-4μm25,雨滴的直径通常为102μm2。涂层的微孔大小一般为2μm2,因此,即使是最小的雨滴由于面张力作用也不能透过微孔,而水汽能自由通过。
早在1967年,Fonseca.G.F26得出了泡沫涂层微孔防水面料的传湿速率经验公式:
wvt为传湿速率,B为孔隙率,T为厚度,d为微孔直径,A为常数。
Tagawa等人根据Hager-Posuille方程得出了传湿量公式27:
W为传湿量,d为微孔直径,ρ为传输物质密度,n为孔数,g为重力加速度,L为涂层厚度。
从上式看出,传湿量与孔数、厚度成反比,这与传湿速率一致,传湿量与孔径的四次方成正比,这与传湿速率、防水要求相反。
微孔涂层面料具体实施方法有:泡沫涂层,相分离相转换,等离子体法。
泡沫涂层典型例子为Pfersee/CibaGeigy公司的DICRYLAN体系24。相分离法代产品为PERMUTEX系统、“ENTRANT”和“ULTREX”24。
相转换法也称“干式法”。利用此方法UCB.SpecialtyChemicals/B公司研制开发了Ucecoat/2000(s)系列产品24。
等离子体法H.K.Yasuda在此方面有过专门研究28——31。此种技术一般是在面料上形成一层微孔薄膜,此薄膜一般为憎水物质(如PTFE和其它碳氟化合物),由于其憎水性优良,因此此类防水面料具有一定的耐水压能力。
2.2亲水性涂层法
利用含有亲水性基团(-OH,-COOH,-NH2等)的物质进行涂层,所形成的阻挡层,一般为致密实心层,起到防水的作用,涂层聚合物本身含有的某些基团可以吸收、扩散和解吸水蒸气,能很好地透湿24。
亲水性透湿高聚物的基础研究工作主要集中于60年代和70年代。现在,亲水高聚物主要有26改性的聚酯、聚酰胺和聚氨酯。
3.粘贴薄膜型防水透湿面料
此种技术,是把功能性膜粘贴到面料上。粘合剂却起到了一个很重要的角色,粘合剂主要有两种24:一种为透湿型,可连续涂层;另一种为不透湿型,只能以网点式(dot-wise)粘合,不致于破坏透湿性。
此类面料按所用的功能性膜分类可分为:微孔膜型,致密亲水膜,微孔亲水结合膜。
3.1微孔膜
微孔膜防水透湿机理与微孔涂层类似,其成膜方法为:水溶性聚合物分散体形成泡沫,干燥后压制成膜;相分离法,湿法凝固;“干式”凝固拉伸成膜。
前几种方法主要应用于PU膜系列,此类膜可直接利用在成膜过程产生的缺陷而成微孔。例如Porelle膜和REPEL膜24。
利用拉伸成膜法的典型例子为Gore-Tex膜。它是通过把烧结挤出的PTFE棒,加热到稍低于327℃16,再以较高的速率进行二维拉伸而制得的。通过电镜观察,可以发现,Gore-Tex膜有很多结节(spinal),结节之间由原纤连接,结构较规整。结节形成了很多微小的孔隙,孔隙率可达96%(一般在25%——96%之间)16,因此透湿性很好。Gore-Tex膜微孔一般为0.02——15μm16,具有优良的防水能力。Gore-Tex膜面料把防水(耐水压1.75kg/cm2)与透湿很好地结合在一起,是第一个同时满足防水与透汽的面料。此类面料结构如同“三明治”,分三层,外层一般为尼龙面料,内层为针织品,中间为不连续粘合的Gore-Tex膜34。
3.2致密亲水膜防水透湿面料
致密亲水膜防水透汽面料是指利用亲水型高聚物(含有亲水型基团或侧链)制成致密实心膜,再粘到面料上。其防水透湿机理同此类涂层面料。
此类防水透汽面料的典型产品有SYMPATEX膜面料(PET膜),BIONII膜面料(PU膜),EXCEPOR-U(Polyaminoacid-urethane膜)。
4.防水透湿面料的比较
各类面料都有其能生存下来的优势,也有其需要改进的不足,现分别进行阐述。
紧密型面料,其优势主要在于:工艺简单,主要是纱线和丝纤度的变化;制成的衣物悬垂性好,透湿性好。
但其面料耐水压太低(在三种机理面料中是最低的),这大大限制了它的应用范围。棉型Ventile面料遇水变僵硬,不利于穿着35,这也是此类面料缺点之一。
涂层面料其优势为:生产工艺的成本较低;亲水性涂层以水为溶剂,成本低,污染少;亲水性涂层可按传统工艺进行;放电法涂层为干式过程,过程简单,产生污染环境的废液少。
涂层法也存在很多制约因素;涂层法以有机溶剂体系为主,溶剂回收设备费用较高,且易造成环境污染;面料涂层处理后,悬垂性和柔软性变差;防水耐久性差,附着牢度差;微孔涂层过程,要产生连续均匀的微孔结构工艺较难控制;亲水性涂层透湿性相对低一些;放电涂层处理过程条件高,一直未能实现工业化。
粘贴薄膜型面料,特别是Gore-Tex面料,具有优良的性能;防水效果好,附着牢度高。但其难以独占市场或大范围推广,关键的障碍是:二维拉伸制膜工艺复杂,成本太高,成衣价格高,其柔软性、悬垂性不令人满意。
5.结束语
防水面料的发展,从有文献记载到现在,有几百年的历史,在此期间,逐渐形成了紧密型、涂层型和粘贴薄膜型三大种类,这三大种类各有其特点和使用范围,很难说哪一种能完全取代另外两种,以后情况会怎么样呢?
笔者认为,防水透湿面料应该在发挥本身优势的基础上,改进其存在的不足,并不断探索新品种,新方法。对紧密面料来说,应该在纤维细度、纤维类型和合理调整纱线结构上下功夫,超细旦纤维的应用,共聚法纺制本身具有防水、憎水功能的纤维都是很好的尝试。
涂层法应该探求新的涂层体系,由有机溶剂型彻底向水溶液型发展。放电涂层也是一个很好的方向,放电涂层在光学和电子工业上取得了很大的成功,如能充分发挥其优势,探索出适合面料或其它高聚物涂层的工艺和设备,将对此领域有很大的影响。
粘贴薄膜法,应简化工艺降低制膜成本,或寻求其它低成本可替代Gore-Tex膜的制膜技术,粘合剂也应该向大众化发展。
防水透湿面料随着其技术的发展与改进,性能的提高,它与人们的生活将会更加密切,尤其在军事、国防和一些恶劣环境中的作用会越来越明显。wXE9SdUEi


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