概述了一般防水透濕織物的透濕機理及制備方法、智能型防水透濕織物的智能透濕機理及防水透濕
織物的研究新進展。
關鍵詞:織物,防水透濕,機理,智能
隨著生活水平的不斷提高,人們對服裝的舒適性和功能性的要求也越來越高。早期的防水透濕織物防水效果雖好,但透濕能力一般較差。人穿著這類服裝在劇烈運動時,大量汗液由于無法以蒸氣的形式排出,結果在衣服內部形成冷凝水, 使人感覺粘濕而不舒適。為克服這一缺陷,近年來,人們開發出具有良好的防水和透濕性能的防水透濕產品(國外稱呼吸型織物) 。呼吸型織物當然并不能像人和動物一樣真正的呼吸[1] 。由于人體服裝微氣候內的溫度、濕度比外界高,與外界形成較大的溫濕差,呼吸型織物就是利用這種溫濕差作為趨動力將人體排出的汗氣導走,從而讓人感到舒適。
1 防水透濕織物的防水透濕機理[2]
防水透濕織物可以有多種方法實現,具體原理也各不相同。可利用水蒸氣分子和水分子的巨大差異實現,如果設法在織物上形成某種“孔”,使孔徑的大小介于水滴和水蒸氣分子之間,則可以使織物只允許水蒸氣分子通過,而阻止水滴的透
過,從而使織物既具有防水功能,又具有良好的透濕效果。而致密親水膜防水透濕織物則是通過度梯度下傳遞水蒸氣;通過親水膜的疏水鏈段阻止液態水的滲透。
2 防水透濕織物的加工方法
防水透濕織物的加工方法有三種:超高密結構法、微孔技術法和致密親水膜技術法[3] 。
2. 1 超高密結構法
著名的Ventile 織物是最早的以超高密結構法生產的防水透濕織物[4] 。當織物被潤濕后,纖維發生膨脹,纖維間的間隙減小,從而阻止水的滲透。近年來,多用聚酯、尼龍、醋酸纖維素等的超細纖維制備高密織物,再輔以拒水整理,達到比Ventile 織物更好的防水效果,而且織物輕薄,手感柔軟。
2. 2 微孔技術法
微孔防水透濕織物是根據水滴與水蒸氣分子大小相差懸殊,設計織物微孔膜上的微孔直徑小于水滴而大于水蒸氣分子,織物外側的水滴不會穿過織物滲透到織物內側,而人體本身散發的汗蒸氣則能夠通過微孔擴散到外界,從而使織物具備防水透濕的功能。微孔技術法的典型代表織物是美國W.L. Gore &Associates (戈爾) 公司制備的Gore2Tex 織物。Gore2Tex 薄膜主要是由聚四氟乙烯雙向拉伸微孔薄膜構成,厚約25μm, 開孔率為82 %, 孔徑為0. 2～5μm, 約為水滴的兩萬分之一, 比水蒸氣分子大700 倍,透濕量大于4 000 g/ (m 2 ·24 h) ,透氣量小于0. 1 mL/ (cm 2 ·s) ,因而具有良好的防水、透濕、防風功能。適用于運動和戶外服裝。
2. 3 致密親水膜技術法
致密親水膜防水透濕織物是通過親水膜親水鏈段的化學吸附,在一定的溫度和濕度梯度下,傳遞水蒸氣;通過親水膜的疏水鏈段阻止水的滲透。如Sympatex 織物,Sympatex 薄膜是由親水的聚酯嵌段高聚物制成的沒有微孔的實心體,汗氣蒸發的水分子以親水涂層的親水鏈段為階梯從織物內部散失到外界。因為親水涂層內部的溫度、濕度比外界要高,因而這種傳導只能由內到外單方向進行,從而使織物具有良好的透濕性能。又由于這種親水涂層是無孔的,所以即便是刮風下雨,風和雨滴也不能透過親水涂層,因而具有良好的防風隔雨性能。而且Sympatex 薄膜厚度僅為10 μm , 具有重量輕,手感柔軟和水蒸氣由里向外擴散距離短等優點。因而廣泛用于運動服和休閑服。
3 防水透濕織物新發展
前述三種方法制備防水透濕織物已經應用于工業生產,但仍有不足之處,如利用織物本身緊密結構制備的防水透濕織物耐水壓太低;親水膜技術制備的防水透濕織物懸垂性和柔軟性差;透濕性相對較低,附著牢度差;而微孔技術制備防水透濕織物則工藝復雜,成本高,限制了其推廣和使用。隨著消費觀念的改變和科學技術的進步,人們正在產品的功能開發上吸收和移植現代新技術,以提升現有防水透濕織物的檔次。
3. 1 智能型防水透濕織物
考慮到穿著者的舒適性,對于紡織服裝的透濕氣性能在不同環境下的要求是不同的,高溫下要求高的透濕性能以保證良好的排熱排汗性,而低溫時較低的透濕氣性可保證保暖性,然而一般的織物無法達到這種功能性要求。利用形狀記憶聚氨酯智能膜制備的防水透濕織物,其透濕氣性能能夠隨外界溫度的變化而變化,能更好地調節人體服裝內的微氣候,適合各種條件下穿著[5 ] 。
3. 1. 1 形狀記憶聚合物的形狀記憶原理[6 ]
要使聚合物具有固定形變及恢復形變的機械行為,聚合物中必須具備兩相,即可逆相與固定相,其中固定相的玻璃化轉變溫度要比可逆相的玻璃化轉變溫度高,而可逆相的玻璃化轉變溫度又要略高于操作溫度。由于在操作溫度范圍內固定相一直處于玻璃態、結晶態、互穿網絡或交鏈點狀態,因此,它能像橡膠一樣恢復形變,在形狀恢復過程中提供所需的彈性恢復力。當溫度升高到可逆相的高彈態時,聚合物能在外加載荷下產生高彈形變;當溫度驟冷到其玻璃態時,由于此時處于玻璃態的可逆相的應力比固定相的彈性恢復力要大,產生的形變即使在去除外加載荷狀態下也不能恢復,就是所謂的形變被“凍結”。一旦溫度升高到可逆相玻璃化轉變溫度以上,抵制固定相彈性恢復的因素被消除,分子鏈的布朗運動使得可逆相的應力釋放、柔性加強,結果聚合物由于固定相的彈性恢復而恢復到初始形態。因而聚合物在一系列熱機械處理下,顯現出了既能像塑料那樣能固定形變,又能像橡膠那樣恢復形變這兩種機械性能。
3. 1. 2 形狀記憶聚氨酯的結構及其制備方法[7 ]
聚氨酯是在大分子主鏈上含有氨基甲酸酯基結構單元的高分子化合物的總稱,由多異氰酸酯與多元醇反應制得。為了獲得所需要的性能,常用小分子二元醇或二元胺進行擴鏈。對于形狀記憶聚氨酯,由于其性能的要求,所用多異氰酸酯為二異氰酸酯,多元醇為齊聚物二元醇,擴鏈劑多為小分子二元醇。由芳香族的二異氰酸酯與具有一定分子量的端羥基聚醚或聚酯反應生成氨基甲酸酯的預聚體,再用丁二醇等擴鏈后可生成具有嵌段結構的形狀記憶聚氨酯。這種嵌段聚氨酯分子有軟段(聚酯或聚醚鏈段) 和硬段(氨基甲酸酯鏈段) 兩部分組成,而這兩部分鏈段的聚集狀態和熱行為等各不相同。其中由線型聚酯或聚醚構成的軟鏈段部分的玻璃化轉變溫度較低,并具有一定的結晶度,且熔點不高,為可逆相;而作為硬鏈段的氨基甲酸酯聚集體由于其分子間存在著氫鍵,因而具有較高的玻璃化轉變溫度,該聚集體聚集成的微區起物理交聯點的作用,因而該鏈段作為固定相。濕織物[8 ]
形狀記憶聚氨酯在玻璃化轉變溫度區域,由于分子鏈微布朗運動而使透濕氣性有質的突變, 而且形狀記憶聚氨酯膜的透濕氣性能可以隨著外界溫濕度的改變而改變。將形狀記憶聚氨酯應用于紡織品上,合理設置其溫度突變的范圍,就可以在不同環境下滿足穿著者對舒適性的要求,從而實現智能透濕的效果。同時由于形狀記憶聚氨酯為無孔膜,故可以保證良好的防水效果。采用這種形狀記憶聚氨酯制備防水透濕織物可以通過紡絲得到紗線并賦予紗線有記憶功能,也可作為織物涂層劑進行織物功能性涂層處理,如采用無孔層壓/ 涂層方式等,避免了微孔在使用過程中易阻塞的缺點。日本三菱重工生產的形狀記憶聚氨酯及其防水透濕織物Diaplex 產品,防水性能(抗水壓) 達到1961133～3921266 kPa , 透濕量達018 萬～112 萬g/ (m 2 ·24 h) ,并且具有良好的抗冷凝性, 不僅適應于一般條件下穿著,而且在特殊環境下其防水透濕保暖性能隨溫度變化而變化,始終保持良好的舒適性。
3. 2 離子束濺射鍍膜法制備防水透濕織物[9 ]
濺射法是鍍膜工業中已廣泛應用的技術,具有薄膜與基底結合力強、可沉積物質范圍廣等優點。聚四氟乙烯濺射在聚酯纖維織物上形成高度憎水的氟碳高分子膜。聚四氟乙烯膜僅沉積于纖維上,原織物的孔隙結構得以保留,故可兼具防水透濕功能;這種干法涂層為化學鍵合,牢度好;由于膜透明且僅幾個微米厚,故可保留原織物的手感、風格和顏色; 濺射鍍膜過程中不使用有機溶劑,不存在環境污染問題。齊宏進、王東等的研究表明[10 ] ,未經濺射的聚酯纖維織物滴上水滴后立即鋪展滲入織物毛細
孔中,而濺射后的織物在織物表面形成了一層不同于聚四氟乙烯的氟碳膜,使水與織物的接觸角遠遠超過90°,從而提高織物的拒水性。此外離子束濺射基本不影響織物的透濕性。因而離子束濺射法是制造防水透濕織物的一種新方法。
3. 3 環保型防水透濕聚酯織物
由于人們環保意識的日益增強,開發環保型產品已被各廠家所認可。近來日本帝人公司開發了具有經濟、濕織物Athtoma[11 ] 。該織物是用100 % 的聚酯纖維通過涂層或疊壓薄膜(樹脂) 生產的,可以回收再利用。
形狀記憶聚氨酯的制備方法與普通聚氨酯的制備方法相同,既可以用澆注法直接制得制品,也
可以采用雙螺桿擠出機,先制得粒料,然后再注射成型。對于熱塑性的形狀記憶聚氨酯多采用先制
成粒料再成型的方法(成型前粒料必須除去水分, 否則會使物性下降,外觀變差,成型溫度為180～
220 ℃);對于熱固性的形狀記憶聚氨酯,則多采用澆注法。
3. 1. 3 由形狀記憶聚氨酯制備的智能型防水透濕
帝人公司一直開發和銷售100 % 聚酯高密防水透濕織物。然而,這種不經過涂層或疊壓的高密織物抗高水壓能力有限,同時,使用聚亞胺酯樹脂或碳氟樹脂增加抗水壓性能的涂層或疊壓織物在回收方面很困難。為解決此問題,帝人公司成功地開發了不用聚亞胺酯樹脂的Athtoma 織物。該織物是一種經防水透濕后整理的機織物,可以回收和再利用,具有良好的經濟價值,抗水壓和透氣性能優異,具有持久的抗水性,可經受反復的洗滌。
3. 4 蛋白質織物
回歸自然也是當今人們所追尋的一個潮流, 不少人減少對合成纖維的利用而重新重視天然纖
維。日本和服一般由絲織物制成,日本小松精練公司從廢棄的舊和服中提煉出絲蛋白,以這些彈性的絲蛋白調配聚氨酯樹脂,以涂層、層壓和熱復合三種方式制備防水透濕織物Proteintex , 用于縫制大衣、防寒夾克、運動裝及戶外服裝等。Pro2 teintex 織物具有良好的穿著性能,尤其是三層復合織物,除具有高防水高透濕等優良性能外,耐久性也很好,而且既輕又薄,易剪裁[12] 。
4 展望
防水透濕織物已經歷了一個相當長的發展階段,現代新技術的發展將使防水透濕織物更趨完善,使防水透濕織物除了具備優良的防水透濕功能外,兼具其他特殊服用功能。如戈爾公司與杜邦公司聯合,在Gore2Tex 的Teflon 膜上嵌入導電的納米粒子,開發新一代Gore2Tex 抗靜電防水透濕工作服[13] 。
另外,防水與透濕是始終矛盾的,可以考慮用接枝聚合的方法對拒水性纖維進行改性,提高其吸濕放濕能力,從而達到防水透濕的目的。日本有人對此進行了初步探索,用電子線接枝聚合方法將丙烯酸類的親水性單體接枝在疏水性聚丙烯非織造物上,然后用烷基季銨鹽處理,再對其進行含氟等離子體處理,使織物具有拒水性和吸放濕性。
[1] A Guide to the Performance of Modern Waterproof Fab
[2] 潘鶯,王善元. Core2tex 防水透濕層壓織物的概述. 中國紡織大學學報,1998 , (5) : 110～114
[3] 周小紅,王善元. 防水透濕織物的加工及發展趨勢. 絲綢,2002 , (8) : 49
[4] Ashok Kumar Yadav. Brethability in Polymeric Coatings. Man2made Textiles in India ,2002 , (2) : 57～60
[5] 張建春. 高新技術在紡織工業中的應用和發展前景. 毛紡科技,2001, (3) : 3～8
[6] 朱光明,梁國正. 具有形狀記憶功能的高分子材料. 化工新型材料,2002 , (2) : 20～23
[7] 白子文,張旭琴等. 形狀記憶聚氨酯. 合成橡膠工業,1999 , (3) : 184～187
[8] Hu J L , Yan H J . Influence of Processing Conditions on the Microstructure and Properties of Shape Memory Polyurethane Membranes. Textile Research Journal , 2003 , (2) : 172～178 rics.proofs , 2003
http :/ / www. Bluedome. htm. Understanding Water2
[9] 齊宏進,徐翠等. 離子束濺射法在PET 基防水透濕
織物制造中的應用. 紡織學報,2000 ,21(5) : 53～55
雙重功能[14] ,但是所得織物的拒水性不如含氟微
[10] 王東,齊宏進. 磁控濺射法制備防水透濕織物的性能孔膜織物,這還有待人們更深入的研究。研究. 棉紡織技術,2002 ,30(1) : 17～19
[11] 透氣舒適性面料將逐漸成為服用面料的首選. 國際
服裝網. 市場分析
[13 ] Anti2Static Workwear with Teflon PTFE and Nanotechnolo2 gy. Melliand ,2002 , (7～8) ,E109
[14] 何中琴譯. 同時具有拒水和吸放濕功能的纖維改性. 印染譯叢,2001 , (4) : 39～46 Development of Waterproof and Moisture Permeable Fabric
Shao Gaiqin (Tianjin Polytechnic University)
Abstract
:
The mechenism and preparating methords of waterproof and moisture permeable fabric , especially the
mechenism of intelligent waterproof and moisture permeable fabric , were discussed , the new develop2
ments of waterproof and moisture permeable fabric were introduced.
Keywords : fabric , waterproof and moisture permeable , mechenism , intelligent
|