防水透湿膜在纺织领域的应用研究进展_李成才.pdf

本期特稿Special Feature20纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2防水透湿膜在纺织领域的应用研究进展作者简介：李成才，男，1990年生，讲师，主要研究领域为防水透湿膜和油水分离膜技术的开发。通信作者：郭玉海，研究员，E-mail：。作者单位：浙江理工大学。文|李成才郭玉海Abstract:Waterproof and moisture-permeable membranes are polymer film materials with dual functions of waterproof and moisture permeability.Functional textiles with water permeability resistance and water vapor permeability can be prepared by laminating fabrics with such membranes.So far,according to the principle of waterproofing and moisture permeability or the mechanism of preventing liquid water penetration and water vapor transmission,waterproof and moisture-permeable membranes can be divided into three types,i.e.,microporous ones,non-porous ones and two-component ones.This paper summarizes the characteristics and mechanisms of these three types of membranes,concluded related performance evaluation methods and applications in the textile field,and looks forward to the development trend.Key words:waterproof moisture-permeable membrane;functional textiles;performance evaluation按照防水透湿原理或阻止液态水渗透和水蒸气传输的机理，防水透湿膜可分为微孔型薄膜、无孔型薄膜、双组分型薄膜 3 种。1.1微孔型防水透湿薄膜微孔型防水透湿薄膜是由高分子聚合物经过特殊加工制备而来。其表面含有大量细小的通孔，微孔直径一般小于 2 m。因此，大气中直径为20 m左右的雾滴、直径为400 m左右的小雨滴、甚至直径大到数千微米的暴雨滴都不能透过薄膜；而直径为0.000 4 m左右的水汽和空气，在薄膜的内、外表面存在适当的浓度梯度时，则会通过气体的扩散和对流方式自由地通过孔道，微孔型防水透湿薄膜就具备了防水透湿的功能。目前微孔型防水透湿薄膜一般是由聚四氟乙烯（Polytetrafluoroeth-ylence，简称PTFE）、聚烯烃及其卤素衍生物、聚氨酯Research Progress on the Application of Waterproof and Moisture-permeable Membranes in Textile Field摘要：防水透湿膜是一种具有防水和透湿双重功能的高分子薄膜材料，与纺织面料经层压复合后可制备出兼具耐水渗透性和水蒸气透过性的功能性织物。目前，按照防水透湿原理或阻止液态水渗透和水蒸气传输的机理，防水透湿膜可分为微孔型、无孔型、双组分型 3 种。文章对这 3 种防水透湿膜的特点、作用机理进行了总结，并归纳了其性能评价方法以及在纺织领域的应用现状，同时对其发展趋势进行了展望。关键词：防水透湿膜；功能性织物；性能评价中图分类号：TB34 文献标志码：A随着人们生活水平的提高，纺织品已经由最初遮体御寒的基本功能向美观、舒适、时尚、防护方向发展，防水透湿织物就是其中的典型代表。防水透湿膜是一种兼具防水和透湿双重功能的膜材料，其与纺织面料经过特殊工艺复合，即可制造出具有独特防护性和舒适性的功能性纺织品。本文主要介绍了防水透湿膜的主要类型、特点及作用机理，总结了防水透湿膜评价方法及其在纺织领域的应用现状，并对其未来发展趋势进行了展望。1防水透湿膜主要类型及特点DOI:10.16481/ki.ctl.2023.02.011本期特稿Special Feature21纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2（Polyurethane，简称PU）等聚合物制备而成。1.1.1PTFE微孔膜PTFE分子结构式如图 1 所示。由图 1 可知，其主链为碳链结构，由于氟原子半径较大，可以将碳原子完全包覆，同时CF键具有较高的键能，使得PTFE具有了独特的性能，如极好的表面润滑性、耐化学性、耐热耐气候性等。同时，PTFE分子表面张力低，具有较好的憎水性，是优良的防水材料。图 1PTFE分子结构式目前PTFE微孔膜的制备方法多采用双向拉伸法，其制备流程如图 2 所示。由图 2 可知，其制备可采用异步拉伸和同步拉伸两种方式。所制备的膜表面具有蜘蛛网状的微孔结构，双向拉伸法制备PTFE微孔膜的基本性能如表 1 所示。图 2PTFE微孔膜制备流程1962年，美国人GORE率先研制出一种具有微孔结构的PTFE微孔薄膜，并在1976年采用层压复合技术成功将该薄膜应用于纺织领域，赋予产品防水、透湿、防风、保暖等功能。但由于该薄膜孔隙率高，易吸收人体汗液中的盐分和油脂，同时在洗涤时，部分洗涤剂会残留在膜孔内，导致膜自身防水性能下降，因此随着穿着时间的延长，第一代PTFE微孔膜覆膜面料的防水性能降低，严重时可能会出现面料渗水的现象。目前市面上的微孔型PTFE防水透湿薄膜主要应用于羽绒服和羽绒被面料。1.1.2聚烯烃及其卤素衍生物微孔薄膜用于纺织领域的聚烯烃微孔薄膜一般是在聚丙烯熔体中加入填充粒子后进行牵伸，在牵伸时填充粒子周围的膜发生撕裂形成微孔。所选充填物质的粒子必须非常细小，最好与膜材料不相容，如纳米碳酸钙、PTFE粒子等。在牵伸时，膜与粒子周围分离，发生撕裂，撕裂纹的尺寸在微米级或次微米级，使得微孔膜具有防水透湿性，其透湿量为2 500 g/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009）。目前市场上有Celgard 2400（聚丙烯膜）和EXXAIRE（聚乙烯膜）两种微孔膜，这两种膜不仅能防水，而且能阻止血液或其他体液通过。其价格比较便宜，所以广泛用于制造“用即弃”类的医疗卫生用品，如女性卫生用品、婴儿纸尿裤、成人失禁用品等。奥地利SML兰精机械有限公司于2002年推出婴儿纸尿裤生产线，其所产纸尿裤外层的透气薄膜为线性低密度聚乙烯（LLDPE）中充填约50%的碳酸钙，经过挤压、冲膜、冷却、牵伸、轧花而成。据了解，其透湿量为15 000 g/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009）。用增塑聚氯乙烯制成的膜具有良好的耐磨、耐折叠性能，但不透气。如果在增塑聚氯乙烯中加入聚乙烯粉末（粒径约100 m），在凝胶熔融后（聚乙烯粒子也在聚氯乙烯中熔融），冷却的膜经受弯曲拉伸，熔融的聚乙烯和聚氯乙烯之间的缝隙被拉开，彼此虽仍相连，但增加了涂层膜的透湿性，当膜厚为 1 mm时，其透湿量为2 400 4 800/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009）。这种聚氯乙烯膜不像发泡聚氯乙烯那样由含微孔的薄壁组成，而是熔融的聚乙烯在聚氯乙烯膜中形成小纤维结构，所以保持了聚氯乙烯膜原来的强韧耐磨性。该涂层膜与涤纶织物复合后，可用作透气的鞋面材料。1.1.3PU微孔膜PU全称为聚氨基甲酸酯，具有高强度、耐化学性、耐磨、耐低温、耐油等特点，在高分子薄膜材料行业应用范围较广。PU分子链结构中，软段与硬段交替存在，根据PU软段基团的不同可分为聚醚型PU和聚酯型PU。PU中亲水基团的存在使膜具有一定亲水性，并且PU膜的亲水性能够随着膜内外湿度的变化而变化，说明膜的透湿性能随着湿度的变化而变化。PU的硬段一般由异氰酸酯基团构成，使膜具备疏水性能，能够阻止水滴通过。软段和硬段的共同作用使得PU膜具有防水透湿功能。英国Porvair公司的Porelle薄膜是微孔聚醚脲烷结构的聚氨酯，其通过溶液相转化法和干法涂层制备，基本类型包括P-55、P-30和P-55FR，表面形貌如图 3 所示。该薄膜广泛应用于户外运动服装、工作服装等的面料中，且由于其悬垂性好、手感柔软，适合做重量轻的表 1双向拉伸法制备PTFE微孔薄膜的基本性能性能参数测试标准耐静水压/mH2O0.2 20GB/T 4744 2013纺织品 防水性能的检测和评价 静水压法透湿量/（g（m224 h）1）4 000 17 000GB/T 12704.1 2009 纺织品 织物透湿性试验方法 第 1 部分：吸湿法透气量/（m3（m2s）1）0.01GB/T 5453 1997纺织品 织物透气性的测定克重/（gm2）3 20使用温度/150 250本期特稿Special Feature22纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2运动服装。薄膜贯通孔径为 1 m，水蒸气可以快速通过薄膜，而水滴难以渗透，膜透湿量为8 000 15 000 g/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009），耐静水压高达15 mH2O（参照GB/T 4744 2013）。另外错综复杂的孔道结构能有效阻止空气自由通过，使得覆膜面料具有较好的防风性能。（a）上表面（b）截面（c）下表面图 3Porelle薄膜SEM图国内对纺织领域用PU微孔膜的研究相对较晚，目前烟台万华聚氨酯股份有限公司是该领域的龙头企业，其生产的PU微孔膜通过溶液相转化法制备，不仅具有良好的防水性能（耐静水压可达10 mH2O（参照GB/T 4744 2013），而且透湿量可以达到2 000 10 000 g/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009），可满足多样化需求。1.1.4静电纺丝纳米纤维型微孔膜随着静电纺丝技术的发展，通过静电纺丝技术制备的PU及其共混物微孔薄膜也在纺织领域崭露头角。KANG等通过静电纺丝法制备出PU微孔膜，该膜的耐静水压为3.6 kPa（参照GB/T 4744 2013），防水性能较差，难以实际应用，但为静电纺丝膜在防水透湿领域的发展积累了技术经验。LI等将PU和氟化聚氨酯（FPU）混合后通过静电纺丝法制备出PU共混膜，该膜不仅防水性能较好，耐水压可达86 kPa（参照GB/T 4744 2013），而且具有11 900 g/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009）的高透湿量。静电纺丝法制备的纤维膜中纤维随机交叉堆积排列（图 4），产品不仅具有传统PU膜的柔软手感，又克服了其在克重、厚度、透气等方面的缺点。随着材料、工艺和设备的突破，目前静电纺丝纳米纤维型微孔膜已经进入实际应用，韩国Finetex EnE公司、意大利RESPILON公司、丹麦Fibertex公司均有自己的静电纺丝纳米纤维型微孔防水透湿膜品种。国内苏州中科纳威新材料有限公司已实现年产200万m高性能纳米纤维防水透气膜，产品已经应用于户外运动产品领域。图 4静电纺丝纳米纤维型微孔膜SEM图1.2无孔型防水透湿薄膜无孔型防水透湿薄膜虽名为无孔膜，但实际上并非绝对无孔隙。无孔型防水透湿薄膜通常是亲水性高聚物薄膜，所用聚合物是由硬链段和软链段组成的共聚物。其中硬链段部分是由疏水性基团组成，能够阻挡水滴通过，起到防水作用。软链段部分由亲水性基团组成，能吸收人体散发的湿气，将水汽由内部通过“吸附扩散解析”迅速向外传递。即利用亲水性基团将水汽传递出去，达到高透湿的