新型高檔面料篇——防水透濕功能性面料
來源：防水透濕織物的研究
防水透濕紡織品是新型高檔面料中較重要的一類，近年來發(fā)展迅速，廣受歡迎。同時(shí)，由于其較高的附加值受到各面料生產(chǎn)廠家的重視，新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷面世。防水透濕織物是指水在一定壓力下不浸入織物，而人體散發(fā)的汗液卻能以水蒸氣的形式通過織物傳導(dǎo)到外界，從而避免汗液積聚冷凝在體表與織物之間以保持服裝的舒適性，它是一種高技術(shù)、獨(dú)具特色的功能性織物。
隨著紡織加工技術(shù)的發(fā)展，防水透濕織物成為一種新型高檔紡織品，它集防水、透濕、透氣、擋風(fēng)、保暖于一體，這類服裝穿在身上，既能防雨防風(fēng)，又能排汗透氣，穿著舒適，因外稱之為"可呼吸織物"(breathable)。人們?cè)谌粘Ｉ钪?，需要接觸水，進(jìn)行室外活動(dòng)或工作，這樣就對(duì)服裝提出了防水，能抵御雨水和風(fēng)寒的要求，但同時(shí)對(duì)其透氣、透濕性也有一定的要求。如果汗液不及時(shí)散發(fā)，潮濕度增大，既產(chǎn)生潮悶之感，又會(huì)造成大量的熱量散失。防水透濕織物就是這樣一種織物，能自動(dòng)調(diào)節(jié)透濕性，使體內(nèi)排出的汗液及時(shí)散發(fā)至外界，同時(shí)又能夠抵御外界水的穿透和寒風(fēng)的侵襲，從而起到透濕保暖的作用，使人體感覺非常舒適。
防水透濕織物首先被開發(fā)用在軍服、防護(hù)服的生產(chǎn)上，現(xiàn)在已廣泛用于運(yùn)動(dòng)服、旅行包、帳篷等的制造。此外，防水透濕織物還可作外傷敷料，使傷口皮膚干燥，細(xì)菌不侵入，也可作外科醫(yī)生工作服和無塵工作室的防塵工作服。
防水透濕織物的生產(chǎn)方法及透濕機(jī)理
緊密型防水透濕織物
采用超細(xì)纖維(細(xì)度小于：1dtex)緊密織造，使織物的經(jīng)緯交織間的間隙或織物復(fù)合物的孔徑界于水滴最小直徑(100μm)與水蒸氣或空氣的直徑(0.0004μm)之間，達(dá)到防水透濕的目的。因此，其透濕機(jī)理主要是水汽在紗線空隙之間的簡(jiǎn)單自然擴(kuò)散、纖維束之間的毛細(xì)管傳遞以及在單根纖維間的擴(kuò)散。
水氣在紗線空隙之間的擴(kuò)散和在纖維束之間的毛細(xì)管傳遞是由織物從內(nèi)到外的水蒸汽壓力梯度所控制的。水汽在單根纖維間的擴(kuò)散主要涉及水蒸氣吸附在織物內(nèi)表面纖維上，通過纖維擴(kuò)散，在織物外表面解吸。當(dāng)紗與液態(tài)水接觸時(shí)，孔隙或毛細(xì)管提供了毛細(xì)吸水能力，在毛細(xì)管上產(chǎn)生的附加壓力P(pa)，與界面張力a的關(guān)系如下:
P(pa)附加壓力=2αcosθ/R
α為液氣界面張力(N/m)，20℃時(shí)水的α值為0.0725，θ為材料與液體的接觸角，R為孔徑。隨著纖維細(xì)度的減少，孔隙直徑R按同比例減少，由此可見：表示孔隙或毛細(xì)管的排液能力的附加壓力隨孔徑的減小而增大，故超細(xì)纖維對(duì)液態(tài)水的排放是十分有利的[1]。
緊密織物的產(chǎn)品有超高密織物、特高密織物，最早研制出的是一種稱為Ventile的相當(dāng)緊密的全棉高支高密織物，干態(tài)時(shí)人體排汗產(chǎn)生的水汽在紗線之間的空隙中通過親水纖維擴(kuò)散和通過纖維束進(jìn)行毛細(xì)管傳送，透濕性較好，在遭雨淋時(shí)，棉纖維的親水性引起紗線膨脹，使紗線之間的空隙從10μm減少到Bμm、在短時(shí)間內(nèi)能防止水的滲透，但手感變得僵硬，不利于穿著。現(xiàn)在的緊密型防水織物多是超細(xì)聚酯或尼龍纖維織物，纖維之間，紗線之間緊密排列，耐水壓達(dá)104-l05Pa，如經(jīng)防水處理，可獲得長(zhǎng)期的防水效果。高密織物輕薄耐用、透濕性好、柔軟、懸垂性好、防風(fēng)，但防水性差、織物撕裂性能差，紡紗需特殊處理(紗線和細(xì)纖度)，生產(chǎn)成本高，加工困難。
涂層型防水透濕織物(Coating finish fabrics)
用涂層工藝涂布，封閉織物表面的孔隙，獲得防水性，其透氣性則是通過涂層劑在織物表面形成含有大量微孔的薄膜或薄膜中的親水性基團(tuán)的傳遞通道而獲得的。制備涂層劑的高聚物有聚氯乙烯、聚乙烯、聚氯丁橡膠等，近年來，聚氨酯材料(polyurethane，簡(jiǎn)稱:PU)除具有良好的防水透氣性以外，其良好的耐磨性、抗化學(xué)及水解性、耐低溫性、彈性使其在應(yīng)用的范圍和自身性能的改善方面得到極大的發(fā)展，且具有廣闊的應(yīng)用前景。
微孔涂層法(Micro-porous flim)
雨滴的直徑通常為l00μm-30000μm，而水蒸氣分子直徑為0.0004μm，微孔涂層的防水透濕織物是根據(jù)水汽分子和雨滴尺寸相差懸殊的事實(shí)，設(shè)計(jì)微孔的大小，一般為2-5μm，織物外側(cè)的水滴由于表面張力不會(huì)滲入，而水蒸汽能自由通過從而具有防水透濕功能。
在織物上形成微孔的方式主要有：濕凝聚法、干法涂層法、泡沫涂層法。
濕凝聚法
濕凝聚法是最早有美國(guó)杜邦(DuPont)公司研制成功，利用聚氨酯溶于DMF等水溶型有機(jī)溶劑而不溶于水的特性，將溶于DMF的聚氨酯涂層液涂敷到織物上，放置于水中，由于聚氨酯不溶于水，而DMF與水可以互溶，使得水與聚氨酯內(nèi)的DMF發(fā)生置換，通過雙向擴(kuò)散，水不斷從樹脂溶液中萃取出溶劑DMF進(jìn)入水相，水則進(jìn)入聚氨酯涂層膜中，使聚氨酯發(fā)生凝固，形成皮膜，在皮膜中形成大量相互貫通的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，孔隙直徑在0.5-2μm之間。透濕性可達(dá)4000g/m2·24h，耐靜水壓力200cm。代表性品牌有日本東麗(Toray)公司的"Entrant"，美國(guó)Burlington公司的"Ultex"，英國(guó)Nylaperm公司的"Tarka"。
干法涂層法
將聚氨酯樹脂的有機(jī)溶液(如甲苯、丁酮)，加入水中制備W/O乳液，然后在織物上涂層，在不同溫度下蒸發(fā)，低沸點(diǎn)的溶劑首先蒸發(fā)，水在涂層中的比例不斷提高，當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，聚氨酯析出，并形成大量微孔。
透濕性約為4000g/m2·24h，防水性為2.45×105Pa(25000mmH2O)，該法工藝簡(jiǎn)單，但有機(jī)溶劑的揮發(fā)，易造成環(huán)境污染。代表產(chǎn)品有比利時(shí)UCB Special Chemical公司Ucecoat 2000。
泡沫涂層法
采用聚氨酯中加入陽(yáng)離子或非離子表面活性劑，在涂層過程中，加入發(fā)泡劑形成泡沫狀，涂敷到織物上，當(dāng)空氣從膜中逸出后，膜形成微孔，從而使其有透濕性能。由于微孔存在，其防水性較差。代表產(chǎn)品有Ciba Geigy公司開發(fā)的Dicrylan(丙烯酸酯類)系列。
致密親水膜涂層法(Hydrophilic Film)
這是一種防水性好，又具有透氣性的加工方法，透氣性機(jī)理明顯不同于微孔薄膜。利用高分子物質(zhì)分子鏈中含有一定量的親水性基團(tuán)(-OH、-COOH、-NH2)，這些基團(tuán)作為水分子的階石，水分子由于氫鍵和其他分子間力，在高濕度一側(cè)吸附水分子，通過大分子鍵的熱運(yùn)動(dòng)，由親水基團(tuán)傳遞到低濕度一側(cè)解吸，形成"吸附-擴(kuò)散-解吸"過程，達(dá)到透氣目的，其防水性來自于薄膜自身的連續(xù)性和較大的表面張力，是一層致密的實(shí)心層。無論是溶劑型還是水性涂層劑，采用直接涂層法，溶劑揮發(fā)或水分揮發(fā)而形成無孔薄膜。由于膜中沒有微孔，防水性能好，透氣性稍遜。一般在織物表面需拒水整理，否則會(huì)在表面形成層水膜，影響透氣性，透氣量可達(dá)4500g/m2·24h，耐水壓可達(dá)數(shù)十萬(wàn)帕。代表產(chǎn)品有英國(guó)Baxenden化學(xué)公司生產(chǎn)的Witcoflex Staycool、X-Liner等，比利時(shí)UCB Special Chemicals公司的Ucecoat NPU產(chǎn)品，德國(guó)Bayer公司的Impraperm，日本東紡制造公司的BionⅡ，日本三菱化成公司的Excepor U等。
薄膜層壓型防水透濕織物(laminated fabrics)
此工藝是將具有防水透氣功能的薄膜(通常是微孔薄膜)，采用特殊的粘合劑，層壓或粘結(jié)到各類織物上，獲得防水透氣的效果。1976年，PTFE(聚四氟乙烯)膜防水透濕的層壓織物Gore-tex研制成功。功能性膜分為微孔型、致密親水膜和微孔親水結(jié)合膜。微孔膜防水透濕機(jī)理與微孔涂層類似，其成膜方法有水溶性聚合物分散體形成泡沫，干燥后壓制成膜；相分離法；"干式"凝固拉伸成膜。致密親水膜的防水透濕機(jī)理如同親水性涂層，利用親水性高聚物制成致密實(shí)心膜而后粘貼到織物上。典型的產(chǎn)品有Gore-tex織物，Sympatex膜織物(PET膜)，BionⅡ膜織物(PU)。
防水透濕織物的發(fā)展趨
防水透濕織物的加工方法已經(jīng)逐步形成，目前處于技術(shù)完善與產(chǎn)品迅速發(fā)展階段，不同加工方法生產(chǎn)的防水透濕織物由于機(jī)理的差異，也各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。緊密織物技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，織物手感、懸垂性和透濕性好，而防水性較差。微孔膜防水透濕織物的防水和透濕的載體不同，前者是膜，后者是微孔故能兼顧防水性和透濕性，但微孔易堵塞。致密膜防水透濕織物的防水和透濕載體是相同的，雖不存在堵塞的問題，難以同時(shí)保證優(yōu)良的防水性和透濕性。隨著人們消費(fèi)觀念的改變和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，防水透濕織物的加工向綠色加工、增加織物的多功能性、降低成本方面發(fā)展。
環(huán)保型聚氨酯涂層劑的開發(fā)
當(dāng)前聚氨酯涂層，不管是干法還是濕法生產(chǎn)，所用的聚氨酯涂層劑大多是溶劑型，含有70%左右的DMF、甲乙酮、甲苯等有機(jī)溶劑，這些溶劑對(duì)環(huán)境造成污染，易燃易爆，且溶劑回收困難，濕法加工的設(shè)備中溶劑回收裝置價(jià)格昂貴，而干法的直接排放造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，發(fā)展水乳性聚氨酯涂層膠，在生產(chǎn)過程用水代替有機(jī)溶劑，減少環(huán)境污染，降低成本，有重要的社會(huì)意義。美國(guó)Polytech公司的Urcatech就是在這方面著手，而被譽(yù)為"面向新世紀(jì)的高科技產(chǎn)品"。近年來，水性聚氨酯涂層劑的研究開發(fā)也較活躍，但和國(guó)際先進(jìn)水平尚有一段距離，所以，該領(lǐng)域的科研人員也深知肩上的重?fù)?dān)，正抓住機(jī)遇，迎頭趕上。
調(diào)溫功能聚氨酯的應(yīng)用
聚乙二醇PEG(polyethylene glycol)在織物用聚氨酯涂層中具有透濕和熱調(diào)節(jié)雙重作用。80年代中后期，美國(guó)vigo等曾提出將PEG應(yīng)用于織物功能整理，采用將PEG與2D樹脂同浴與織物交聯(lián)的方法，使織物具有耐久性的熱調(diào)節(jié)功能，現(xiàn)多采用將PEG作為多元醇組分與異氰酸酯單體等合成PU聚合物進(jìn)行涂層整理，發(fā)現(xiàn)隨著PEC用量增加，透濕性和熱調(diào)節(jié)性能同時(shí)增加，而且在熱調(diào)節(jié)作用的溫度區(qū)間透濕性具有突變現(xiàn)象。PEG是具有蓄能保溫作用的物質(zhì)，當(dāng)溫度下降到PEG的結(jié)晶溫度(TG)溫度附近，PEG鏈段開始結(jié)晶，親水基團(tuán)活動(dòng)性變差，透濕(氣)性急劇降低，起到擋風(fēng)保溫作用。
當(dāng)溫度升高接近PEG的熔融溫度(Tm)時(shí)，聚合物體積膨脹，親水基團(tuán)的空間自由體積增大，微布朗運(yùn)動(dòng)加劇，大量水分子借助親水基團(tuán)的"化學(xué)階梯石"從高濕度一側(cè)遷移到低濕度一側(cè)解吸，透濕率大增，起到排濕去熱作用，充分表現(xiàn)出透濕性和熱調(diào)節(jié)性能之間的協(xié)同效應(yīng)[6]。在合成反應(yīng)：根據(jù)需要的熱活性溫度區(qū)域和熱活性大小進(jìn)行PU分子設(shè)計(jì)，使高聚物的相變溫度處于人體正?；顒?dòng)的范圍，在環(huán)境溫度變化或人體活動(dòng)出汗時(shí)，穿著者都會(huì)感到舒適。
多功能防水透濕織物
涂層織物已是國(guó)際市場(chǎng)上發(fā)展最迅猛的紡織新產(chǎn)品，在服裝，裝飾及產(chǎn)業(yè)用布方面得到了廣泛應(yīng)用。目前，賦予織物單一的防水、防紫外線、阻燃，耐氣候變化等功能的產(chǎn)品很多，但產(chǎn)品單一，故應(yīng)開發(fā)多功能產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的要求。如在PU涂層劑中滲入金屬粉末如陶瓷粉，形成金屬層，反射人體的輻射熱，同時(shí)向人體輻射遠(yuǎn)紅外線，使織物保暖性提高，并能促進(jìn)人體微循環(huán)具有保健功能[7]。在PU涂層劑中加入甲殼質(zhì)，不僅可以提高透氣性和吸濕性，還可賦予織物抗菌性能以及優(yōu)良的手感。有記憶功能的聚氨酯智能膜是利用聚酯硬段和軟段結(jié)合的特征，設(shè)計(jì)其具有適當(dāng)?shù)牟ＡЩ瘻囟?，在高于或低于該玻璃化溫度較小范圍內(nèi)，具有調(diào)節(jié)透濕性的功能。選用適當(dāng)氨基酸與多元醇組分混合，再與異氰酸酯組分無規(guī)或嵌段加聚，制成改性聚氨酯，可以大大提高織物的透氣性，據(jù)報(bào)道如三菱化成Excepor-U，******透氣量可達(dá)7000g/m2·24h。
雖然防水透濕織物開發(fā)的時(shí)間不長(zhǎng)，但已成為各國(guó)紡織品產(chǎn)品開發(fā)的主要項(xiàng)目，防水透濕織物是一種現(xiàn)代的高檔產(chǎn)品，根據(jù)其不同的防水透濕機(jī)理主有緊密織物型，涂層型和薄膜層壓型三種，不同的生產(chǎn)工藝而使它們各具特色。隨著人類生活環(huán)境的不斷改變，人們對(duì)織物多功能性需求的不斷提高，防水透濕織物具有很大的開發(fā)潛力。在涂層材料中，聚氨酯以其獨(dú)特的性能備受青睞，具有廣闊的應(yīng)用前景。
