[材料知识][图文]防水透气织物的发展--ULTREX

科学技术的发展也推动纺织业不断向前发展，21世纪的服装将向着穿着舒适化、功能化及回归自然等方向发展。各种智能织物，功能织物得到广泛的关注与发展。防水透气织物就是其中之一。
　　防水透气织物是指织物既能防雨防风，又能排汗、透气、穿着舒适，在穿着过程中使水在一定压力下不浸透织物，而人体散发的汗液等却能以水蒸气的形式通过织物或传导到外界，而不在人体表面与织物之间冷凝积聚，保持穿着者干爽、温暖。 人们对穿着舒适性，功能性要求的不断提高，促使我们采用各种新型技术来改善织物的各项性能，不同工艺、技术的复合是赋予织物新功能的主要手段，其中织物的涂层/层压技术是重要的方法之一。
　　织物涂层/层压是织物与高分子聚合物的复合，它不仅保留织物原有的功能，更增加了覆盖层的功能，织物涂层/层压技术给纺织业制造功能性织物提供了更多的可能性，大大拓宽了纺织品的用途，应用领域也越来越广，不仅使用于衣用纺织品的生产，而且其应用扩大到鞋业，民事或军工制服，极端气候条件下的服装，防油布，帐篷，包裹等。
　　织物的防水透气机理 织物的防水透气机理有物理透湿和功能透湿，主要有以下四种方式：
　　一是利用水滴的最小直径与水汽或空气的直径之间的差异来实现，既采用织物的经纬交织间的孔隙或织物复合物的孔径介于最小直径与水汽或空气的直径之间，达到防水透气的目的，基于这一原理设计的防水透气的织物有超细高密织物、特高密度的棉织物等。这类织物的透湿类型属于纱线间孔隙的自然扩散。高密织物由于轻薄耐用，透湿性好，柔软、悬垂性好，防风，广泛用于体育、户外活动服装上。主要缺点是防水性差，由于织物密度大，织物的撕裂性能差，纺纱必须特殊处理，生产成本高，加工困难。
　　二是采用微孔薄膜使薄膜微孔（微孔直径大约在1nm）的孔径介于水滴与湿气之间，将薄膜与织物复合赋予织物防水透气功能，如图1。微孔高聚物薄膜可以与织物通过层压或涂层工艺与织物复合从而赋予复合体防水透气功能。微孔的产生有多种方式：可通过对薄膜的双向拉伸产生微孔，也可在高聚物上填加填料（如陶瓷）使高聚物与填料之间形成孔隙，也可以通过相分离（聚氨酯的湿法）产生微孔，还可以机械方式利用打孔技术（如激光）使无孔膜产生空隙达到透气的目的。
　　三是利用高聚物膜的亲水成分提供了足够的化学基团作为水蒸气分子的阶石，水分子由于氢键和其它分子间力，在高湿度一侧吸附水分子，通过高分子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸，形成"吸附--扩散--解吸"过程，达到透气的目的，如图2。亲水成分可以是分子链中的亲水基团或是嵌段共聚物的亲水组分；其防水性来自于薄膜自身膜的连续性和较大的膜面张力。利用薄膜与织物进行层压/涂层赋予织物防水透气功能。
　　四是利用形状记忆高聚物的特性，形状记忆高聚物在玻璃化转变温度区域，由于分子链微布朗运动而使透气性有质的突变，而且其透气性能随外界温度的变化而变化，即智能化功能，尤如人体皮肤一样，能随着外界温湿度的改变而调节，如图3。采用这种形状记忆聚氨酯产生防水透气织物可以采用无孔层压/涂层方式，减少了由于微孔而在使用过程中产生微孔阻塞等缺点，更重要的是织物的透湿气性能能随着人体温度的变化而变化，达到"智能"效果，使其适宜于各种条件下穿着。 图1 微孔性透气原理 图4 形状记忆pu透气与温度关系 图2 亲水性透气原理 低温下分子间孔隙(Tg) 图3 形状记忆功能透气原理 聚氨酯的发展及其在防水透气纺织上的应用 用于防水透气织物的高聚物起初有聚氯乙烯（PVC），聚乙烯，聚氯丁橡胶和其它各种合成橡胶等，由于其透湿气性能差，穿着此类服装活动时，大量汗液无法以水蒸气形式排出，在服装内部形成冷凝水，人体有粘湿、发闷等不舒适感，虽然有良好的防水性能，但服用性能有待于进一步提高。后来发展的聚四氟乙烯层压薄膜，热塑性聚氨酯（TPU）的涂层和层压织物具有良好的透湿气性能，发展也最快，尤其是热塑性聚氨酯材料具有良好的耐磨性、抗化学及水解性、防虫蛀，发霉、耐低温性、易着色、工艺操作选择范围大等优点，不管是在应用的范围，还是在自身性能的改善等方面都得到极大的发展。 不同类型的防水透气聚氨酯 聚氨酯用于织物的涂层整理，不仅在原料类型上还是在生产工艺上都有不同形式，根据防水透气的原理可生产出各种各样的防水透气产品。聚氨酯涂层剂有溶剂和水分散两大类，其中溶剂型又有单组分与双组分之分，不同类型的涂层剂有不同涂层工艺选择。 1 微孔聚氨酯 微孔性涂层主要是使聚氨酯在成膜过程中形成微孔，这些孔隙直径小于2mm，能阻止水滴（平均直径100mm），却允许水蒸气分子（平均直径0.0004mm）通过，从而获得防水透气性。产生微孔的方式有：泡沫法，相分离法，相转化法三种方式。
　　泡沫涂层法：采用聚氨酯中加入阴离子或非离子表面活性剂，在涂层过程中加入发泡剂形成泡沫状涂敷到织物上，当空气从膜中逸出后膜形成微孔，从而使其有透气性能，但由于微孔的存在，其防水性能较差。聚氨酯的发泡有机械发泡和化学发泡等多种方式。涂层的方式大都采用直接涂层法。

　　相分离法：相分离法主要是使聚氨酯溶于易挥发溶剂中，溶剂挥发过程中聚氨酯凝聚形成微孔。主要有两种方式：（1）湿法浸渍凝聚：当溶于DMF的聚氨酯涂液涂敷到织物上，放置于水中，由于聚氨酯不溶于水，而DMF与水可以互溶，使得水与聚氨酯内的DMF发生置换，当水干燥后在聚氨酯膜上形成微孔。如Toary公司的ENTRANT，美国Burlington公司的Ultrex等。（2）盐凝聚法：聚氨酯乳液由于盐的加入产生凝聚成微孔膜，如Stahi（ICI）/NL公司的Porelle薄膜。 n 相转化法：聚氨酯溶液含有非溶剂成分（甲苯/丁酮），选择适当的蒸发梯度，聚氨酯凝聚成微孔薄膜，如比利时UCB Special Chemicals公司的Ucecoat 2000（S）。
　　2 亲水性无孔聚氨酯涂层：聚氨酯涂层剂中含有亲水基团或分子主链上含有亲水成分，涂层之后，溶剂挥发形成无孔薄膜，通过亲水基团或氢键对水分子的吸附--传递--解吸作用达到透湿的目的。由于膜中没有微孔，因此防水性能很好，但透湿气性能有待于提高。另外，这类涂层织物的缺点是需要表面经拒水整理来改善防水性。这类产品有英国Baxenden化学公司生产的Witcoflex Staycool、X-liner等，德国Bayer公司的Impraperm。
　　3 亲水与微孔的复合：结合亲水性涂层与微孔性薄膜特点，在微孔薄膜上加一层亲水性无孔膜，对微孔薄膜进行亲水性整理来改善微孔薄膜的防水性，但亲水性整理要保证不影响原有的透湿气性。如美国3M公司生产的Thintech品牌，日本Toray公司新近开发的Entrant GII则将两种聚氨酯材料复合，内层聚氨酯含微孔和超微孔（<0.5mm），利用其类似于"芯吸"作用，达到防水透气效果。
　　4 形状记忆聚氨酯无孔薄膜：由上述提及到的形状记忆聚氨酯薄膜的透湿气性随着温度的改变而改变，如图4，而且在其玻璃化转变温度区域有很大改变，根据这特性把聚氨酯的玻璃化转变温度设置到人体温度变化范围内，当人体温度变化时其透湿气性能也随之改变，就如人体皮肤一样，达到智能透湿效果，由于膜为无孔膜，因此防水性很好。日本三菱重工业公司生产的形状记忆聚氨酯及其防水透气织物Diaplex产品，其防水性能达到20,000~40,000mmH2O水柱，而透湿气行达到8,000~12,000g/m2/24h。而且具有良好的抗冷凝性，它不仅适用于一般条件下的穿着，而且适合在极端环境条件下的穿着，其防水透气保暖性能随温度变化而改变始终保持穿着者有良好的舒适性。
　　

聚氨酯涂层的最新进展
　　1 形状记忆聚氨酯 形状记忆聚氨酯在纺织中的应用形式既可以进行纺丝得到纱线赋予纱线有记忆功能，也可以作为织物涂层剂进行织物的功能性涂层；还可以作为整理剂对织物进行功能性整理（形状记忆功能）。利用它的透湿气性可受温度控制，而且温度是在室温条件下，来充分改善织物的穿着舒适性。形状记忆聚氨酯在Tg范围变化区，其透湿气性有明显的改变。将Tg设定在室温,则涂层织物能起到低温(Tg)高透湿气的散热作用；薄膜的孔径远远小于水滴平均直径起到防水效果。从而使织物在各种温度条件下具有良好的穿着舒适性。三菱重工业公司（日本）用形状记忆聚氨酯涂层的织物"Azekura" 不仅可以防水透气而且其透湿气性可以通过体温加以控制，达到调节体温的作用。
　　2 调温功能聚氨酯 近年来人们正在致力于开发一种新型的聚氨酯材料，除防水透气外，还兼并调温功能，从而进一步提高了穿着者的舒适性，最初美国农业部南方实验室的Vigo，Frost等人发现，经聚已二醇（PEG）浸渍的面料，具有储存热的功能，即受热时吸收热量，遇冷时放出热量。这种技术应用于聚氨酯织物涂层上，PEG作为聚氨酯的一种组分，通过选择设计PEG的聚合度和含量，使PEG所构成的软段的玻璃化转变温度处于人体感觉舒适的温度范围，这样，环境高于临界温度时，高聚物发生相变吸热，同时聚合物体积膨胀，亲水基团空间体积增大，热运动加剧，使透湿气量增加，排热排汗加快，使人感到凉爽；当环境温度低于高聚物临界温度时，PEG链段结晶，高聚物相变放出热量，同时，布朗运动减小,透气性能降低，起到挡风保温作用。这样透湿气性与温度调节同时发挥协调作用。这样穿着者在环境温度多变或人体发热出汗等情况下，都会感到舒适。
　　3 涂层工艺上的革新 无污染聚氨酯的研究开发：研究一种完全水分散，无溶剂污染的涂层剂是当前发展的热点与难点。当前PU涂层不管是干法还是湿法生产，所用的PU溶液大都是溶剂型的，含有70%左右的二甲基甲酰胺（DMF）、甲苯、甲已酮等有机溶剂，这些溶剂对操作者有一定的危害，易燃易爆，还污染环境，溶剂的回收难等问题。近几十年来，人们的环保意识不断加强，有关的劳动保护、安全、环境保护等法规日益加强，因此发展水乳性聚氨酯涂料在生产过程中用水代替有机溶剂，以减少环境污染及对人体危害，有重要的现实意义。水乳性聚氨酯得到重视也是发展的热点。 改善防水透气性能：一方面结合微孔涂层与亲水无孔涂层各自的优点，在微孔涂层的基础上进行亲水涂层整理，在不影响微孔透气性的同时增加织物的防水性和改善其耐用性，如在使用中不易造成微孔堵塞等；另外，在PU涂层剂中填加其它添加剂，不仅可以提高PU薄膜的透气性，而且还赋予织物防菌等功效以及优良的手感，如加入甲壳质来改善PU的透气性、吸湿性的同时，并具有一定的抗菌作用；在树脂中渗入金属粉末，形成金属层，反射人体的辐射热，向人体辐射远红外线，使织物保暖性提高，并促进人体微循环的功能。 结语 防水透气织物是一种高附加值的产品，不同生产工艺生产的产品各有其特色，在涂层材料中，聚氨酯涂层材料具有广泛的应用前景，其中功能性聚氨酯（调温性，形状记忆性）的开发及其在纺织上的应用，对改善涂层织物舒适性具有重要的意义，也是当前防水透气织物发展的重要方向之一。