新型高檔面料篇——防水透濕功能性面料
來(lái)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(lái)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(guò)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钪校枰佑|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(jué)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(wú)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(guò)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(jiàn)：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(guò)親水纖維擴(kuò)散和通過(guò)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?，F(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(guò)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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程，達(dá)到透氣目的，其防水性來(lái)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(wú)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(wú)孔薄膜。由于膜中沒(méi)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(wèn)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(guò)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(lái)，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瘻囟龋诟哂诨虻陀谠摬ＡЩ瘻囟容^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(wú)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，最大透氣量可達(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。
