防水透濕織物的研究進(jìn)展

丁子寒, 初曦, 鄒婷婷, 邱華*, 沈海生

(1.江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.南通賽暉國(guó)際貿(mào)易股份有限公司，江蘇 南通 226011)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)生活的提高，人們對(duì)于紡織品的關(guān)注不只局限于織物的強(qiáng)度和耐用性能，對(duì)于織物的外觀設(shè)計(jì)、舒適性和功能性也愈加關(guān)注。在戶(hù)外運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求服裝可以抵抗外界的雨露，同時(shí)防止汗液在服裝與人體之間積聚冷凝。

防水透濕功能服裝被人們形象地稱(chēng)為“可呼吸面料”[1]。這是因?yàn)樗环矫婵梢宰柚挂簯B(tài)的水分子進(jìn)入，保護(hù)人體不受外界風(fēng)雨的侵害，另一方面可以使氣態(tài)水分子透出，將人體活動(dòng)所產(chǎn)生的汗液及時(shí)排放到外界空氣中，達(dá)到防水導(dǎo)濕的效果。這種織物廣泛運(yùn)用于T恤衫、沖鋒衣、滑雪鞋等產(chǎn)品中，有助于提高服裝的舒適性能。文中通過(guò)分析織物防水透濕機(jī)理，闡述了織物防水透濕功能的實(shí)現(xiàn)方法，以期對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 防水透濕織物的種類(lèi)

1.1 按照加工方式分類(lèi)

防水透濕織物按照加工方式可分為高密織物、涂層織物和層壓織物[2]。不同加工方式所對(duì)應(yīng)的織物各有特色。

高密織物產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，它的密度可達(dá)到普通織物的20倍。在晴朗天氣時(shí)，紗線孔隙大約為10 μm，此時(shí)織物具有良好的透氣透濕性，而當(dāng)空氣濕潤(rùn)時(shí)，纖維吸收水分體積迅速增大，紗線孔隙縮小到3～4 μm，并能起到一定防水的功效。以細(xì)號(hào)棉紗織成的平紋Ventile織物是高密織物的代表[3]。涂層織物是將具有防水透濕功能的整理劑均勻涂覆于織物上表面，形成一層連續(xù)不透水的高分子薄膜，其防水性能優(yōu)異，但是透濕性能較差。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的整理劑有有機(jī)氟系整理劑和有機(jī)硅系整理劑。SHAO J等[4]采用絲素蛋白(silk fibroin,SF)和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone, PVP)改性水性聚氨酯(water polyurethane，WPU)制劑，制備了一種新型防水透濕涂料，實(shí)現(xiàn)了理想的防水透氣效果。層壓織物是指在一定的溫度、壓力、膠黏劑的作用下，將防水透濕功能膜與普通織物相復(fù)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，集多種優(yōu)點(diǎn)于一身，且不用擔(dān)心各材料的相容性問(wèn)題。周珊珊等[5]采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)熱熔膠制備出聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)防水透濕層壓織物，其透濕量、剝離強(qiáng)度、防水性等性能均可滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。趙磊等[6]將熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyyrethane,TPU)熱熔膠彈性體均勻?yàn)⒃跍炀]機(jī)織物表面，然后平鋪高透PU膜，在一定溫度和壓力的復(fù)合作用下，制備出的層壓織物具有良好的防水透濕性。

1.2 按照防水透濕機(jī)理分類(lèi)

防水透濕織物按照防水透濕機(jī)理可以分為兩類(lèi)，分別為親水性無(wú)孔膜和疏水性微孔膜[7]。

親水性無(wú)孔膜有兩類(lèi)，分別是TPU和Symp-atex。TPU防水透濕膜表面呈無(wú)孔結(jié)構(gòu)，因此可以有效提高織物的耐水壓性，防水效果好，同時(shí)引入的親水基團(tuán)作為橋梁，將水分子傳輸?shù)酵饨鏪8]，但其導(dǎo)濕速率慢，且透濕量不高。Sympatex本質(zhì)上是一種共聚多醚酯的高科技產(chǎn)品，它具有無(wú)孔、堅(jiān)韌、親水的特點(diǎn)，且防水性能相比同類(lèi)產(chǎn)品十分優(yōu)異。Sympatex通過(guò)薄膜內(nèi)外壓力差實(shí)現(xiàn)兩側(cè)水分交換，但它的透濕性仍有很大的改善空間。目前市場(chǎng)上主要的親水無(wú)孔產(chǎn)品有德國(guó)新保適公司的Sympatex層壓織物、英國(guó)Baxanden公司的Wilcoflex Staycool和日本的Prooface涂層織物等，均具有優(yōu)良的防水透濕功能[9]。

疏水性微孔膜的代表產(chǎn)品是美國(guó)Gore公司生產(chǎn)的Gore-Tex防水透濕織物。Gore-Tex是采用雙向拉伸法制成的PTFE薄膜，其化學(xué)穩(wěn)定性好，耐熱性好，防水、防風(fēng)性能優(yōu)異，適合制作沖鋒衣、登山服等戶(hù)外服裝[10]。由于人們對(duì)環(huán)保性和舒適性需求的提高，PTFE織物不易降解、透濕量較小的缺點(diǎn)使其運(yùn)用受限。HAO X等[11]先將抗靜電、抗菌、防水處理后的聚對(duì)苯二甲酸類(lèi)塑料(polyethylene terephthalate,PET)織物與PTFE微孔膜層壓處理，然后在其表面涂覆聚氨基甲酸酯(polyurethane,PU)溶液，制成的織物可以分離空氣和液體中的SARS病毒，并且可以達(dá)到較高的舒適度。此后，郝新敏等[12]也研發(fā)了相似的防水透濕織物，該織物具有防水、透濕、防風(fēng)、病毒隔離和防護(hù)等多種功能。劉延波等[13]制備出一種用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)代替PTFE的功能膜，經(jīng)測(cè)試它的抗剝離強(qiáng)度和透濕量均優(yōu)于PTFE拉伸膜層壓織物，僅耐靜水壓值低于PTFE層壓織物，但仍然可以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化使用要求。

2 防水透濕機(jī)理

目前，實(shí)現(xiàn)織物防水與透濕的統(tǒng)一是防水透濕織物研究的重要課題，這要求織物既可以在雨雪等濕潤(rùn)的天氣下防止水滲透使人體產(chǎn)生不適感，又可以使人體排出的汗液迅速透出擴(kuò)散至空氣中。

織物實(shí)現(xiàn)其防水透濕性有3種機(jī)理：①利用空隙自然擴(kuò)散機(jī)理設(shè)計(jì)具有防水透濕功能的高密織物[14]。通常采用精梳高支棉紗或超細(xì)纖維為原料，并進(jìn)行拒水處理，使其兼具防水和透濕的效果。②微孔防水透濕機(jī)理。各種形態(tài)下水的直徑見(jiàn)表1[15]。利用水蒸氣與水滴直徑的巨大差異，使微孔直徑大于水蒸氣的直徑而小于水滴直徑，即微孔直徑基本為 0.2～5 μm，從而發(fā)揮攔截雨水排出汗液的作用[16]。③高分子間“孔”親水基團(tuán)透濕機(jī)理。水分子依靠氫鍵和其他分子間作用力沿著親水鏈上的親水基按“吸附—擴(kuò)散—解吸附”的順序從高濕度側(cè)傳遞到低濕度側(cè)，從而達(dá)到透濕目的[17]。

表1 各種形態(tài)下水的直徑

3 防水透濕膜的制備方法

目前，防水透濕膜的制備方法有很多，但是所選擇的加工手段要與功能實(shí)現(xiàn)機(jī)理相適應(yīng)，并須考慮面料的終端用途和工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。常見(jiàn)的加工方法主要有5種，分別為雙向拉伸法、熔融擠出法、相分離法、閃蒸法和靜電紡絲法[18]。

雙向拉伸法是在低于材料熔點(diǎn)而高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，對(duì)初生膜進(jìn)行橫向和縱向拉伸，形成孔徑在0.2～0.3 μm之間的微孔。Gore-Tex 防水透濕膜便是由雙向拉伸法制備的。將干燥的PTFE細(xì)粉采用冷壓和燒結(jié)技術(shù)制備成初胚，然后在高溫狀態(tài)下進(jìn)行縱橫向快速拉伸，最后進(jìn)行熱定型，得到防水透濕微孔膜[19]。其透濕量達(dá)3 934.8 g/(m2·d)，滲水水壓可高達(dá)565 kPa，但是該工藝耗時(shí)、耗財(cái)，難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)[20]。

熔融擠出法可分為吹塑薄膜擠出和平擠薄膜擠出，適用于親水性薄膜和涂層[21]。吹塑薄膜擠出法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，吹脹比可控；平擠薄膜擠出法則可以得到較厚的薄膜。

相分離法通常用來(lái)制備疏水微孔膜。將聚合物與高沸點(diǎn)易揮發(fā)的溶劑相溶合，利用膜具制成膜狀。利用聚合物和溶劑沸點(diǎn)的差異，形成聚合物的富集相和溶劑的富集相[22],其中聚合物為連續(xù)相，而溶劑為分散相[23],然后加入適當(dāng)?shù)妮腿?，使溶劑揮發(fā)，從而在聚合物薄膜上形成微孔。

閃蒸法也稱(chēng)急驟紡絲法。將成纖高聚物溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲芯鶆蚧旌?，然后通過(guò)噴絲孔快速?lài)姵?，在一定的速度和壓力下，溶劑迅速揮發(fā)，聚合物拉伸固化成極細(xì)纖維，最后在成網(wǎng)簾上形成纖網(wǎng)[24]。這種方法制造出的產(chǎn)品強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，耐撕裂和耐穿刺等防護(hù)性能好，并且防水透氣，具有廣闊的發(fā)展前景。

靜電紡絲法多應(yīng)用于疏水性多孔膜。在高壓電場(chǎng)中，聚合物溶液或熔體從毛細(xì)管中噴射出來(lái)，在電場(chǎng)力的作用下拉伸成纖，最后在接收裝置上成膜。靜電紡納米纖維膜直徑小，比表面積大，孔隙率高且孔道連通性好。在聚合物中添加一些功能性助劑或無(wú)機(jī)粒子可制成多組分紡絲液，使功能膜具有更多功能。例如將銀、溴、銅、鋅等離子加入到紡絲液中，使紡絲液具有抗菌、阻燃、防靜電等功能[25]。同時(shí)，加入輔助電機(jī)和附加電壓，或改變噴絲裝置制造多級(jí)結(jié)構(gòu)靜電紡纖維。JU J等[26]通過(guò)直接靜電紡絲復(fù)合法制備由純TPU納米纖維膜(疏水性)和TPU/TBAC樹(shù)狀納米纖維膜(親水性)組成的雙層膜(四丁基氯化銨 (tetrabutylammonium chloride,TBAC))，將這種雙層膜用作防水透氣材料，具有濕氣單向傳輸性能和良好的屏蔽性能。

4 防水透濕織物的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 防水透濕織物的智能化

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為實(shí)現(xiàn)防水透濕服裝的智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。面料的智能化也是紡織品發(fā)展的重要方向，將大大改善人們的生活質(zhì)量。

智能調(diào)濕服裝是防水透濕智能服的代表。在高溫的狀態(tài)下，需要服裝具有高透濕性能，以使汗液快速排出保持人體干燥舒適；在低溫狀態(tài)下，需要服裝具有低透濕性能，以便更好達(dá)到封閉性，從而維持人體的熱量。調(diào)節(jié)好人體與服裝之間的“微氣候區(qū)”，對(duì)于提高服裝的舒適性能有著重要的意義。具有調(diào)濕功能的聚氨酯智能膜是智能調(diào)濕膜的一種。聚氨酯智能膜通過(guò)調(diào)節(jié)聚氨酯樹(shù)脂硬鏈段和軟鏈段的比例，使其擁有適當(dāng)?shù)牟ＡЩ瘻囟萚27]，從而達(dá)到調(diào)濕的作用。當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時(shí)，材料中分子布朗運(yùn)動(dòng)較大，產(chǎn)生的分子間隙變大，水汽分子穿過(guò)分子間隙擴(kuò)散到外界空氣中，透濕量增加，有利于人體汗液排出；當(dāng)溫度低于玻璃化溫度時(shí)，分子間隙迅速縮小，透濕量減小。由于此智能膜具有無(wú)孔結(jié)構(gòu)，因此防水性較好。同屬智能防水透濕織物的有日本的Diaplex和美國(guó)的Qualitex產(chǎn)品[28]。

目前防水透濕織物亟需解決的問(wèn)題是材料對(duì)于溫度感應(yīng)的靈敏度問(wèn)題以及原料的環(huán)保問(wèn)題[29]。隨著紡織工藝的進(jìn)步，可以考慮制備超細(xì)或中空的纖維；也可以用無(wú)機(jī)離子處理材料表面，提高織物的比表面積；還可以考慮采用光催化或等離子體處理等手段對(duì)織物進(jìn)行單面整理，提高吸濕性能。

4.2 防水透濕織物的多功能化

隨著人們生活水平的提高，對(duì)服裝的多功能性的需求日益強(qiáng)烈。在織物具備防水透濕功能的同時(shí)，要盡可能滿(mǎn)足人們的其他需求，提高生活質(zhì)量。例如，PTFE是一種含氟聚合物，具有“三高兩憎”的特性，即高表面活性、高熱穩(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性，憎水、憎油，因此可以用它制造防水透濕易去污微孔膜。Gore公司將高耐熱的Silicone發(fā)泡體添加到PTFE微孔膜上，在難燃面料與里料之間形成空氣隔熱層，應(yīng)用到消防服裝中使其透氣舒適。

崔俊杰等[30]選用多孔綿、TPU薄膜，以機(jī)織物為面層，搖粒絨為基材，利用濕固化聚氨酯熱熔膠膠黏劑，通過(guò)2或3次層壓復(fù)合試制系列復(fù)合織物樣品，基本解決防水透濕服裝在極地保暖性能不足的問(wèn)題。

采用相分離技術(shù)制造具有特殊功能的微膠囊也可以賦予織物更多的特性。在含有殼層聚合物和功能型芯層聚合物的混合溶液中加入適當(dāng)?shù)娜軇沟脷影緦訌娜軇┲蟹蛛x出來(lái)，形成微膠囊，再將微膠囊整理到織物上，使服裝在防水透濕的同時(shí)具有一定的功能，如芳香型微膠囊、防紫外線微膠囊、抗菌除臭微膠囊等。

在防水透濕涂層劑中加入其他添加劑，也是改善織物品質(zhì)的重要手段[31]。王可等[32]將熒光材料稀土鋁酸鍶粉末混于PU樹(shù)脂作為膠料制備熒光防水透濕薄膜，并和細(xì)旦尼絲紡基布層壓貼合，開(kāi)發(fā)了熒光防水透濕面料。經(jīng)檢測(cè)產(chǎn)品的熒光性能、防水透濕性能和物理性能優(yōu)異，可應(yīng)用于高檔熒光防水透濕特種防護(hù)面料。

綜上所述，研發(fā)織物時(shí)，可將其防水透濕功能與其他功能相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的新型面料。

4.3 防水透濕織物的環(huán)?；?/h3>

紡織面料的環(huán)?；乾F(xiàn)代生產(chǎn)加工的重要課題，包含了從面料生產(chǎn)到服裝后整理的各環(huán)節(jié)。當(dāng)前的紡織品加工處理中多使用甲苯、聚氨酯、二甲基甲酞胺等有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑可以溶解部分不溶于水的有機(jī)化合物，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，但它具有易揮發(fā)，難以回收的特點(diǎn)，且對(duì)環(huán)境和人體都有很大危害，因此相關(guān)環(huán)保法規(guī)對(duì)有機(jī)溶劑的使用進(jìn)行了限制。以水為介質(zhì)的水性聚氨酯有著不易燃、氣味小、不污染環(huán)境、節(jié)能、操作加工方便等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代溶劑型聚氨酯已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[33]。

逐漸商品化的含氟整理劑分解后會(huì)產(chǎn)生全氟辛烷磺?；衔?，是一種極難降解的有機(jī)污染物。應(yīng)用防水劑涂層整理后的織物，多次洗滌后可能會(huì)發(fā)生整理劑脫落的現(xiàn)象，不僅防水透濕功能減弱，而且對(duì)人體和環(huán)境具有潛在的威脅。引入SiO2等納米顆粒處理無(wú)氟防水透濕膜，增大比表面積，構(gòu)建多級(jí)結(jié)構(gòu)粗糙表面，可提高織物表面的可潤(rùn)濕性。

Sympatex是一種安全環(huán)保的新型材料，它在加工處理、廢物降解以及焚燒的過(guò)程中都不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，完全無(wú)污染。并且它具有優(yōu)良的防水、防風(fēng)、耐彎曲、耐磨損性能，可廣泛運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)服、鞋類(lèi)、配飾中[34]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技創(chuàng)新的不斷推進(jìn)，高新紡織機(jī)械、新型纖維材料、高端生產(chǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為紡織業(yè)的發(fā)展提供了動(dòng)力。為促進(jìn)紡織業(yè)的發(fā)展、滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要，發(fā)展功能性紡織品日趨重要。在靈活利用各種機(jī)理實(shí)現(xiàn)功能性的同時(shí)，吸收和嫁接新興技術(shù)，推動(dòng)紡織業(yè)從“汗水型”走向“智能型”。

防水透濕功能織物可滿(mǎn)足人們對(duì)舒適性的需求，具有非常廣闊的前景，它既能避免惡劣天氣下雨雪的入侵，也能使人體汗液快速排出。在制造產(chǎn)品時(shí)要注意分析不同加工方式和透濕機(jī)理制成的防水透濕織物所擁有的不同特點(diǎn)，同時(shí)考慮到工藝難易和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。伴隨著高分子材料學(xué)的發(fā)展以及制造方法的研發(fā)改進(jìn)，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)具有高防水透濕性且對(duì)環(huán)境友好的多功能織物。