n w    w w w w

baner

In order to view this object you need Flash Player 9+ support!

Get Adobe Flash player
首页 技术资料 行业资讯 织物面料防水透湿整理技术近况
large small default
织物面料防水透湿整理技术近况

杨栋梁 全国染整新技术推广应用协作网

1 前言
人们很早就向往织物能同时具备防水(和防风)又有透湿功能,这种表面上看来似乎是矛盾的要求,经过五十多年的不断开发,在最近20年来,已进入寻常人们的生活圈子。其应用范围,除主要的高性能职业运动服和便服外,在医药和保健用品,以及特殊用途(如防护服等)也获得了长足开拓,被誉为会呼吸的织物(Breathable Fabrics),其开发的历程简况如下。
最初实现具有防水透湿功能的织物是Ventile,它是100%纯棉的紧密织物,主要供部队用。其原理是织物受湿后棉纤维截面积膨胀,使织物中纤维间的孔隙缩小,以致水的渗透需要极高的压力。随着合成纤维细旦、超细旦高收缩长丝的超高密织物(每平方超过7万根)出现,又结合超级拒水整理技术,使这类产品的防水透湿和穿着舒适性又有了很大的提高。
1969年由R.W.Gore开发具有划时代意义的多微孔PTFE薄膜,取名Goretex的层压或(复合)织物,是1971年问世,是防水透湿织物开发过程中重要的进展。其第一代产品推出市场是1976年,不久又根据市场反映,改进的第二代产品是
1978年投放市场的;之后又陆续开发了弹性和保温二类系列产品,近年新一代Gore windstopper产品出现在市场上了。随后,荷、日、英国等有关企业也开发出多微孔或无孔聚氨酯薄膜和无孔共聚酯薄膜层压织物,层压织物成为防水透湿功能产品中的主力军。
在上世纪八十年代,在涂层的技术中,以聚氨酯为代表的干/湿工艺技术的研发,对开发防水透湿功能产品起巨大的推动作用。
据资料称,上世纪80年代以来,防水透湿织物正迅速在欧洲市场上迅速增加,用量达4000万米,价值超过27000万英磅。最初是层压织物统治市场,至1996年涂层织物的市场占有率已达55%,其中英国市场占欧洲总量的30%以上。而D&K咨询公司的市场调研资料表明(1996.11~1997.7),曾预测至2000年,西欧市场防水透湿织物达4500万米。另外,由荷兰Akzo-Nobel公司开发的Sympatex层压织物在西欧市场上的占有率为70%,并不断向外开拓市场中。

近年国内的休闲装和便服面料中使用有呼吸功能的层压织物(如针织或梭织物与薄膜粘合)或涂层织物明显增加,为此本文拟对这类面料的加工技术作一简单介绍。

 

2 防水透湿产品的性能要求
服装所要的防水透湿功能,首先要符合穿着人的舒适感,根据J.H.Keighley对人类作各种运动时,其所产生的透湿量测得的数据如表1所示:
表1

而人们在不同状态下所作的功及与人体皮肤表面水份蒸发关系如表2,3所示。
表2

表3

由上表可知,人在活动时,其功率为300瓦时,一天的水份蒸发量为11500g/24hrs,若人的衣料以3M2计,则约需要4000g/M2·24hn的透湿量。
人体发散的热量,有辐射、传导、对流和蒸发四个途径,其热量分配如表4所示,由此服装散发热是一小部分而已。有文献报导:人在静止状态,每个成年人每天无感出汗量为700-1200g;在32-35℃的室外搬运货物时,则每小时会排出l200-2000g的汗水,这是有感出汗。
表4

最近,必须指出:作为防水透湿材料,应具有良好的拒水性能,否则织物表面呈湿润状态,表面形成水膜,会阻止衣服内水蒸汽向外散发,而产生"闷热"和"发粘"的不舒适感。因此,作为高质量的防水透湿加工,最后应经耐久性拒水整理。

3 防水透湿涂层的原理
防水透湿这两个功能一般看来是矛盾的,为了既要防水又要透湿,从宏观的物理学判断只要使涂层布的微孔直径控制为0.2-5µ范围即可。因为水蒸汽分子的直径为0.0004µ;而各种雨雾的直径为:雾20µ,轻雾200µ,毛雨400µ,小雨9OOµ,大雨3000-4000µ,暴雨6000-10000µ.

当微孔(一般小于2µ)的涂层膜的两面存在汽压差和温度梯度时,空气和水蒸汽可由曲折贯通的微孔渠道通过。透湿量WVT可由下式表示:
WVT=AB/T+0·71d(l-B) …………(1)
上式中:A-常数
B-开孔率%
T-膜厚度
d-孔径
当开孔率和膜厚度一定时,随着孔径的减少而透湿量增加。
透湿的另一类渠道是功能性透湿,即通过膜的‘分子间孔’或亲水性基团。此时透湿量WVT可用下式表示:
WVT=DS×(P1-P2)/L …………(2)
上式中: D-扩散常数
B-溶解度系数
L-膜的厚度
P1-P2 膜两个表面间的水蒸汽分压差
涂层织物要防水,除了上述所说的孔径要小到一定程度以外,还要加大它与水的接触角,如图1所示,即要符合下列公式所示的原理(LAPLAC公式);

上式中: H-耐水压 cm
T-水的表面张力 dyn/cm
S-水的密度 g/cm3
g-重力加速度 cm/sec2
e-涂层布中小孔内壁水的接触角度
r-涂层布中小孔半径 cm
为了加大接触角,就要降低涂层的临界表面张力。经下列防水剂处理后其临界表面张力(dyne/cm)可达如下水平:
有机氟类(甲基丙烯酸全氟酯类) 26
聚甲基含氢硅氧烷 41
脂肪族拒水整理剂 45

 

4 透湿性的简易测试法
(一)透湿性能的表示方法
1、透湿量
WVT= G/t·A (g/m2h或 g/m2·24h) ……… (4)
上式中: G-重量变化(从直线上看)g
t-时间,h
A-试验口面积, m2

2、透湿性(WATER VAPOR PERMEANE)
透湿性=WVT/△P=WVT/S(R1-R2) ……… (5)
透湿性的单位按ASTM C677-71为g/(m2·24h·mmHg)
△P为试样两面的水蒸汽压力差,mmHg(有的采用帕做单位,lmmHg=133.3Pa)
S为测试温度时的饱和水蒸汽压力,mmHg(有的采用Pa)
R1为水蒸汽压力高的一面的相对湿度,用分数表示
R2为水蒸汽压力低的一面的相对湿度,用分数表示

3、透湿系数(WATER VAPOR PERME-ABILITY)在美国ASTM E96-80中,计算式为:
透湿系数=透湿性×厚度 ……………(6)
透湿系数的单位为:米制PElM-cm(但有的地方采用ng/m·s·Pa)
国内有的部门,计算透湿系数采用下述两种公式:
一种是;PV=1.157×10△9·WVT·d/△P……………(7)
PV为透湿系数,g·cm/(cm2·s·mmHg)
WVT为透湿量,g/( cm2·24h)
d为试样厚度,cm
△P为试样两侧的水蒸汽压差,mmHg
另一种是;PV=8.68×1012×WVT·d/△P …………(8)
Pv为透湿系数,g·cm(cm2·s·Pa)
WVT,d,△P这三者单位都同前。

 

(二)简易测定法
可参考国家标准塑料透湿性试验方法(GB1037-70),自行研制一套测定程序,结果也较好。这方法是:
1、取一只直径16cm干燥器,下放变色硅胶600g盖好,放人鼓风烘箱申,在温度为38℃的条件下预热1小时。
2、取3只透湿杯,用移液管注人温度约为38℃的蒸馏水15ml,杯口放试样,试样两侧周围衬橡胶垫圈,旋上杯帽,旋紧。
3、取出干燥器,置入已装试样的透湿杯(杯子放硅胶上,为使放平,可下垫小铝合),放回烘箱,恒温约2小时。
4、又取出干燥器(此时准确计时),在己调好的分析天平上按次序迅速称量透湿杯,旋即把干燥器又放回烘箱。
5、过1小时,再取出干燥器(此时准确计时),按上述次序同法称量。
6、计算透湿量,其单位为:g/( m2·24h),三只平均。
上述方法的注意点:
① 几个透湿杯的内径和深度定要一致,加水体积也要准确。若水面与试样距离不一致,则使结果不一致。
② 透湿杯上若沾上灰沙,很易影响螺口密封性。螺纹处可用少量硅脂涂抹,但不能沾污试样。
③ 一次测试所用杯子只数固定为3只。
④ 一次测试只能测一种布样(即3只杯子上的试样,以及涂层面的方向,都相同)。
⑤ 温度要仔细控制为38±3.0℃此对结果影响很大。
⑥ 干燥器内放入试样,在烘箱内恒温2小时后一般都可达到透湿速度恒定,此时才能第一次称重。
透湿杯的材料可用金属(优质热铝,铝镁合金,或不锈钢等),也可用塑料,如图2所示(按GB1037-71);


它具有良好的机械强度和耐辐射性能,尽管其疏水性略逊于PTFE,但它的易加工性能是PTFE所无法比拟的。由于PVDF易于制成多孔性材料,可用作压电膜、蒸馏膜等,已成为膜领域的新兴材料,但PVDF微孔膜用于防水透湿织物未见报道。
PVDF微孔膜防水透湿复合织物的制备
将PVDF、溶剂和添加剂置于圆底烧瓶中,于恒温水浴中加热搅拌直至PVDF完全溶解,脱泡后制得涂层浆,然后直接涂于PET织物,涂层后的织物预挥发一段时间后浸人凝固浴,即发生相转化成膜,经清水冲洗后,在PET织物上形成PVDF微孔膜。
PVDF微孔膜防水透湿复合织物的性能
表6、7分别列出了PVDF微孔膜及其复合织物的性能。
表6 PVDF及PTFE微孔膜性能参数比较

*此数值恐有误应85%左右-(注)
表7 PVDF与PTFE微孔膜防水透湿织物性能比较

由表6、7可知,PVDF微孔膜性能参数基本达到PTFE微孔膜水平,且其复合织物具有较高的防水性和透湿性,能满足服用的需要。PVDF微孔膜复合织物之所以具有好的防水透湿性,应归功于微孔膜的不对称结构(图3)。图中的海绵状紧
密表层的孔径在lμm之内,能保证良好的防水性,而下面的指状孔层孔径较大(可达几个μm),又是直孔,传质阻力小,传递速度大,使水汽分子能迅速透过。另外,指与指之间也是海绵状微孔,能进一步增加透湿功能。
研究证明,用PVDF微孔膜制取防水透湿织物是完全可行的。

(三)干法微孔涂层
干法制备微孔涂层,据介绍有多种方法,兹列举一二于后:
1、凝固涂层法:将特种聚氨酯溶于溶剂后,加入适量水,制成W/O型涂层浆,涂布后先低温烘干,主要是溶剂蒸发,此时聚氨酯在水中凝固析出,再高温烘干,便可形成微孔涂层。例如比利时UCB公司Ucecoat 2000及其配套用剂,用这种方法涂层后,若涂布量达20-40g/m2(干重)时,耐水压可达3000m/m,透湿量(2O℃时)1500、(37℃时)3000g/ m2·24hrs。



5 防水透湿涂层织物的加工方法
(一)层压法
防水透湿涂层产品中,最引人注目是采用微孔聚四氟乙烯薄膜或微孔聚氨酯薄膜与织物复合后,产生防水透湿功能,关于此项技术作者于"印染"上(1987年13,1,50-55)作过介绍,这里不再重复,以下补充一些新的情况。
我国经几年的研究,己完成年生产能力300万米伸拉聚四氟乙烯微孔薄膜生产线,设备设计原理和主要产品指标与美国Gore公司相当,在卤素灯加热、激光测厚,计算机拖动控制技术等方面有所创新。
针对PTFE薄膜表面光滑、极性小、粘合困难等问题,一是研制开发了聚醚酯热熔粘合剂和耐低温有机硅粘合剂,使层压织物的低温柔软性优于美国Gore公司产品;二是采用电晕辐射处理PTFE薄膜改善其粘着性能。
我国1997年年底投产,产品应用于部队极寒高寒地区防护服,公安部的多功能服,南级考察服,海水油田作业服,海军出海服等。产品与美军同类服装性能对比见表5所示。
表5 [文献8 p4-9]

(二)湿法
聚氨酯溶于强极性溶剂二甲基甲酰胺中,涂布在织物上后,在凝固液发生相转化形成相互贯通的微孔薄膜,关于此项技术,请参阅"印染"(1986年12,6,41/47),这里不再重复;兹将最近我国自行开发的聚偏氟乙烯微孔涂层介绍于后。
近年来,各种具有防水透湿性的膜不断开发出来,这些膜大多可用于服装面料。防水透湿膜透湿机理中最重要的是微孔膜机理,即利用水蒸汽分子和雨滴体积的巨大差别来实现防水和透湿两者矛盾的统一。一般将微孔直径控制在0.2-
2Oμm之间,达到允许水蒸汽的透过,而阻止水滴的通过。
世界上公认的最先进的防水透湿织物GoreTex是利用聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜与织物复合而成,但由于该微孔膜的制备需要特殊的设备与工艺,产品加工难度大、成本高、产品价格昂贵,在很大程度上限制了其推广应用。
PVDF是单体偏氟乙烯的均聚物,分子式为


它具有良好的机械强度和耐辐射性能,尽管其疏水性略逊于PTFE,但它的易加工性能是PTFE所无法比拟的。由于PVDF易于制成多孔性材料,可用作压电膜、蒸馏膜等,已成为膜领域的新兴材料,但PVDF微孔膜用于防水透湿织物未见报道。
PVDF微孔膜防水透湿复合织物的制备
将PVDF、溶剂和添加剂置于圆底烧瓶中,于恒温水浴中加热搅拌直至PVDF完全溶解,脱泡后制得涂层浆,然后直接涂于PET织物,涂层后的织物预挥发一段时间后浸人凝固浴,即发生相转化成膜,经清水冲洗后,在PET织物上形成PVDF微孔膜。
PVDF微孔膜防水透湿复合织物的性能
表6、7分别列出了PVDF微孔膜及其复合织物的性能。
表6 PVDF及PTFE微孔膜性能参数比较

*此数值恐有误应85%左右-(注)
表7 PVDF与PTFE微孔膜防水透湿织物性能比较

由表6、7可知,PVDF微孔膜性能参数基本达到PTFE微孔膜水平,且其复合织物具有较高的防水性和透湿性,能满足服用的需要。PVDF微孔膜复合织物之所以具有好的防水透湿性,应归功于微孔膜的不对称结构(图3)。图中的海绵状紧
密表层的孔径在lμm之内,能保证良好的防水性,而下面的指状孔层孔径较大(可达几个μm),又是直孔,传质阻力小,传递速度大,使水汽分子能迅速透过。另外,指与指之间也是海绵状微孔,能进一步增加透湿功能。
研究证明,用PVDF微孔膜制取防水透湿织物是完全可行的。

(三)干法微孔涂层
干法制备微孔涂层,据介绍有多种方法,兹列举一二于后:
1、凝固涂层法:将特种聚氨酯溶于溶剂后,加入适量水,制成W/O型涂层浆,涂布后先低温烘干,主要是溶剂蒸发,此时聚氨酯在水中凝固析出,再高温烘干,便可形成微孔涂层。例如比利时UCB公司Ucecoat 2000及其配套用剂,用这种方法涂层后,若涂布量达20-40g/m2(干重)时,耐水压可达3000m/m,透湿量(2O℃时)1500、(37℃时)3000g/ m2·24hrs。

2、发泡涂层法:在涂层剂中用化学发泡或机械发泡制成涂层浆,涂布后,低温烘干,经轧光再经焙烘即可形成微孔涂层,唯此法微孔大小很难控制,质量波动较大。
3、填充涂层法:例如涂层浆中加入陶瓷粉或一定规格CMC等作填料,使高聚物与填料间形成孔隙(CMC可用水洗去)。兹举汽巴公司曾推荐一个工艺介绍,供参考。
织物预处理:浸轧→烘干l00℃→轧光12O℃
浸轧液组成:
醋酸60% 4ml/Kg
Kniltex FA conc 2Oml/Kg
Miltex Catayot ZO 3ml/Kg
Oleophlbol CB 30ml/Kg
Phototex FTC 2Oml/Kg
悬浮刮刀涂布,涂布量12g/m2(干态)→烘干15O℃→冷轧光(压力dN/cm)→焙烘(18O℃×3Osec)
涂层浆组成:
Dicrylan PC 1O00份
Kniltex FA cone 5O份
石油溶剂 1000份
Oleophobol CB O-50份
氨水 20份

 

(四)无孔干法涂层
聚氨酯类涂层剂的分子结构中含亲水基团或在其主链上有亲水组分的,经涂布烘干后,形成无孔薄膜,可通过亲水基团或氢键对水分子的吸附-传递-解吸,实现湿气的散发。仅这类涂层的透湿性能较微孔型稍差些而已。是近年的新动向。兹将湿法涂层(照片-1)、干法微孔涂层(照片-2)和干法无孔涂层(照片-3)三种涂层截面的照片及性能比较如下

即照片1和2的涂层是多微孔结构及特征较容易获得高的透湿性,透气性,然而在长时间雨淋的条件下,水蒸汽会透过表面微孔结构渗人内部,故不适于重负荷的用途。照片2的涂层系表面无孔结构,具有完全防水性能,但其透湿性较照片1和2低甚多,故两者适用范围不同。
提高无孔涂层的透湿性的关键是如何发挥聚氨酯分子结构中软段分子的作用,即导入亲水性的软段分子,作为吸附和释放本分子的部分,并利用软段分子呈螺旋立体结构造成空隙,以利水蒸汽穿透,可以图4示意之。

据称大日本油墨化学公司Chsvon NYT-20就是按此设想而开发的产品,因而使该产品能产生较高透湿性,据称ChsvonNYT-20的透湿性与膜厚的关系,如图5所示。

图5 SRISVON NYT-20的膜厚与透湿度
为此干法无孔涂层的透湿性,控制膜的厚相当重要,从实用要求需在10μ以上为好。

 

 


相关文章: