聚氨酯防水透氣涂層織物的進(jìn)展
聚氨酯防水透氣涂層織物的進(jìn)展
新型紡織品向人們提供各種優(yōu)異的服用功能,防水透氣織物就是其中之一.防水透氣織物也叫防水透濕織物,國(guó)外又稱“可呼吸織物”.消費(fèi)者可以指望穿在身上的外衣,既能防雨防鳳,又能排汗、透氣、穿著舒適.這類織物從根本意義上不同于傳統(tǒng)意義上的‘雨衣”.實(shí)際上,有些品種巳經(jīng)開(kāi)始受到時(shí)裝界的青睞[5].其主要特征是能夠較快地將人體形成的汗液、汗汽蒸發(fā)排出,避免在衣服內(nèi)凝結(jié),保持服用者干爽、溫暖的感覺(jué).國(guó)外有人曾對(duì)獲得了人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的大致出汗量作了研究.服裝透氣性低于人體出汗量時(shí),人就有悶熱感.因此,透氣性大小是衡量織物服用舒適性的重要指標(biāo),特別是運(yùn)動(dòng)服.
防水透氣織物首先被開(kāi)發(fā)用在軍服、防護(hù)服的生產(chǎn),現(xiàn)在巳廣泛用于運(yùn)動(dòng)服、旅行包、帳篷等的制造.國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)這類面料的需求逐年增加,1996年產(chǎn)量巳達(dá)6700萬(wàn)平方米[1],國(guó)內(nèi)這類產(chǎn)品也正在開(kāi)發(fā)中.
1.1高密度織物
采用超細(xì)纖維(細(xì)度小于1dtex)緊密織造,使紗線間隙小到不允許水滴通過(guò),有些紗線,遇水膨脹,間隙會(huì)變得更?。欢鴮?duì)于直徑僅為萬(wàn)分之四微米的水蒸汽分子,通道卻是足夠?qū)挸?,從而達(dá)到防水透氣的目的.
1.2簿膜層壓
此工藝是將具有防水透氣功能的薄膜,通常是微孔簿膜,采用特殊的粘合劑,層壓或粘接到各類織物上,獲得防水透氣的效果[3]。聚四氟乙烯微孔薄膜復(fù)合織物即屬此類,筆者也研究開(kāi)發(fā)成功。
1.3織物涂層
將被加工的織物,用直接或轉(zhuǎn)移涂層工藝涂布,涂層封閉織物表面孔隙,獲得防水性。其透氣性,則是通過(guò)成形過(guò)程中在涂層內(nèi)部形成的大量微孔,或親水性“分子梯級(jí)通道”而獲得[2].
上述方法都巳得到應(yīng)用。但加工成本都較高,性能也有待不斷改善。80年代后期,采用聚氨酯材料(PU)制成的涂層或薄膜的研究異?;钴S,新工藝、新品種不斷面世,引起各國(guó)的廣泛關(guān)注。采用聚氨酯防水透氣材料,除可獲得滿意的防水透氣性外,其優(yōu)異的彈性、耐寒性以及滑潤(rùn)的手感,特別是相對(duì)低的加工成本,深受消費(fèi)者和生產(chǎn)廠家的青睞,發(fā)展前景廣闊,科技含量及附加值高,國(guó)外已有十幾個(gè)品牌。國(guó)內(nèi)研究雖尚屬起步,但極有發(fā)展前途。
2具有防水透氣功能的聚氨酯
按獲得透氣性機(jī)理的不同,聚氨酯涂層織物或薄膜層壓織物可分為以下幾類。
2.1微多孔聚氨酯
其防水透氣機(jī)理是依靠成膜時(shí)形成大量的微孔.這些孔隙小于2?m,能阻止水滴(平均直徑100?m),卻允許水蒸汽分子(平均直徑為0.0004?m)通過(guò)[5],從而獲得防水透氣性。成膜方式有以下三種。
2.1.1濕凝聚法
早由美國(guó)杜邦(DuPont)公司研制成功[6],采用水凝聚以形成微多孔聚氨酯膜.較流行的做法是,將聚氧化丁烯二醇(PBA)/4,4-二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)/1,4丁二醇,或PBA/4,4-二環(huán)己烷基二異氰酸酯(H12MDI)/1,4-BD,按摩爾比1:3:2,制成聚氨酯樹(shù)脂的有機(jī)溶液,如二甲基甲酞胺(DMF)溶液。成形工藝是:將此溶液在織物上涂層,通過(guò)水浴浸水,水與二甲基甲酞胺能很好相溶,但水不是PU的溶劑,通過(guò)雙向擴(kuò)散,水不斷從樹(shù)脂溶液中萃取出溶劑二甲基甲酰胺進(jìn)入水相,同時(shí)水則進(jìn)入PU涂層膜中使聚氨酯逐漸由溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài),后產(chǎn)生聚氨酯固體沉淀而成膜。在形成皮膜的過(guò)程中,由于凝固相脫液收縮,在涂層膜中形成大量相互貫通的指狀或蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu),孔隙直徑在0.5?m~2?m之間,表面孔徑0.5?m左右[8]。該工藝的加工成本低于Gore-Tex的一半,透濕性可達(dá)到約4000g/m2·24h,耐靜水壓約200cm。這類產(chǎn)品已被知名的運(yùn)動(dòng)服生產(chǎn)廠家如Nike,Puma,Adidas,Umbro等采用[8]。具有代表性的品牌有日本東麗(Toray)公司的“Entrant”,美國(guó)Burlington公司的“Ultrex”,英國(guó)NylaPenn公司的“Tarka”等[9]。
同這類方法類似的還有鹽凝聚法,即將PU乳液涂布,加鹽使其破乳沉積,也可形成微多孔膜.采用這一工藝的有英國(guó)Stahi(ICI)/NL公司的Permutex,英國(guó)Porvail/GB生產(chǎn)的Porelle薄膜[10]。
2.1.2油包水W/O乳液法(又稱干法)
將聚氨酯樹(shù)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),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),聚氨酯則以多孔形式析出,并形成大量微孔。透氣性約4000g/m2·24h。但加工過(guò)程中有溶劑揮發(fā),防水性可達(dá)2.45×105Pa(2500mmH2O)[11].此工藝簡(jiǎn)單,在普通涂布機(jī)上即可進(jìn)行,但易環(huán)境污染是其主要缺點(diǎn)。采用這種方式的有比利時(shí)UCBSpecialChemicials公司的Ucecoat2000(s)[11],日本東螺公司以二甲基甲酰胺/對(duì)苯二甲酸二丁酯作為溶劑也獲得成功[2]。
2.1.3泡沫涂層法
這種加工方式采用在聚氨酯樹(shù)脂中加入陰離子或非離子表面活性劑,在聚氨酯形成過(guò)程中,另加發(fā)泡劑(如酸和水)以終形戍泡沫狀PU,得到校粗糙的氣固兩相晶胞結(jié)構(gòu),再經(jīng)壓破,形成孔隙。這種加工可獲得較高的透氣性,但防水性不夠好,Pfersee(Ciba)公司開(kāi)發(fā)的Dicrylan系列,即為這類產(chǎn)品[10]。
2.2聚氨酯無(wú)孔薄膜
這是一種防水性好,又具有透氣性的加工方式。透氣性機(jī)理明顯不同于微孔薄膜。其采用聚氨酯材料中含有一定量的親水性基團(tuán),這些基團(tuán)首先以氫鍵形式“捕獲”人體散發(fā)的水蒸汽分子,由于PU大分子鏈段的熱遣動(dòng),形成瞬時(shí)孔隙,并加上內(nèi)外水蒸汽壓差的推動(dòng),水蒸汽從蒸汽壓高的一面“傳遞”到另一面,即從接觸皮膚的一面,傳到周圍環(huán)境,達(dá)到防水透氣、穿著舒適的目的。這類涂層織物表面需經(jīng)后拒水整理,否則被雨淋濕后,會(huì)在表面形成一層水膜,影響透氣性。一般工藝是將聚四甲撐乙二醇醚(PTMG)與乙二醇聚醚(PEG)混合物/MDI/l,4-BD按1:3:2摩爾比,合成PU乳液,經(jīng)涂層后溶劑蒸發(fā),在織物上成膜,透氣量可達(dá)4500g/m2·24h,耐水壓可達(dá)數(shù)十萬(wàn)帕[6],但透氣性隨涂層膜厚度不同而有差異.這類常見(jiàn)的商品中有英國(guó)Baxenden化學(xué)公司生產(chǎn)的WltcoflexStayCool、X-Liner等,比利時(shí)UCBSpecialChemicals公司的UcecoatNUP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ExceporU等[10]。
3聚氨酯涂層的新研究
3.1調(diào)溫功能聚氨酯
近年來(lái),人們正在致力于開(kāi)發(fā)一種新型聚氨酯材料,除防水外,還兼有透氣和調(diào)溫功能,這更提高了織物的服用舒適性。初,美國(guó)農(nóng)業(yè)部南方實(shí)驗(yàn)室VigO、Frost等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)聚乙二醇浸漬過(guò)的面料,具有儲(chǔ)熱功能,即受熱時(shí)吸收熱量,遇冷時(shí)放出熱量[12,13]。
這項(xiàng)技術(shù)很快被轉(zhuǎn)移到PU涂層上。聚乙二醇作為聚氨酯合成的多元醇組分,通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)PEG的聚合度和含量,使得聚氨酯中的聚乙二醇相區(qū)的相變轉(zhuǎn)化溫度,恰好在人們感覺(jué)舒適的溫度范圍.這樣,環(huán)境高于熔融溫度時(shí),涂層相變吸熱,同時(shí)聚合物體積膨脹,親水基團(tuán)空間自由體積增大,熱運(yùn)動(dòng)加劇,使透氣量增大,排熱排汗加快,使人有涼爽的感覺(jué);當(dāng)環(huán)境低于結(jié)晶溫度時(shí),PEG鏈段結(jié)晶,PU涂層相變放出熱量,同時(shí)封閉孔隙,由于親水基團(tuán)活性降低,透氣性減小,從而獲得良好的擋風(fēng)和保暖性能.織物的這種“智能”型調(diào)溫功能,可大大提高其服用性能,獲“空調(diào)織物”的美譽(yù)。美國(guó)Polytech公司已經(jīng)椎出的Ureatech即為此類[14]。.日前這類聚氨酯涂層材料的研究,還處在初始階段,距工業(yè)化還有一段路程,但可以預(yù)見(jiàn),經(jīng)科研技術(shù)人員的努力,這種產(chǎn)品將很快面世,并廣泛應(yīng)用[18]。目前,筆者正致力于這種調(diào)溫功能的防水透氣PU水分散涂層劑的合成及其應(yīng)用的研究。
3.2提高織物透氣性的研究
透氣量的大小,從某種意義上講,決定了織物的服用舒適性。為提高織物透氣性,在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行改進(jìn),近的研究成果集中在以下方面。
3.2.1氨基酸改性聚氨酯[15]
選用適當(dāng)?shù)陌被崤c多元醇組分混合,再與異氰酸酯組分無(wú)規(guī)或嵌段加聚,制成改進(jìn)型涂層或薄膜,可以大大提高織物的透氣性.據(jù)報(bào)道,這類產(chǎn)品如三菱化成的Excepor-U,大透濕量可達(dá)7000g/m2·24h。
3.2.2兩種類型的聚氨酯復(fù)合[15]
將親水性聚氨酯制成多孔狀,或?qū)⒍嗫仔徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行親水處理,微孔結(jié)構(gòu)與親水性結(jié)構(gòu)兩種機(jī)理共同作用,從而獲得更滿意的透氣效果。美國(guó)3M公司生產(chǎn)的Thintech品牌即為這種方式。比利時(shí)UCB公司也采用將Ucecoat2000(s)形成的微孔膜加涂UcecoatNPU2307整理劑的工藝。日本Toray公司新近開(kāi)發(fā)的EntrantGll則將兩種聚氨酯材料復(fù)合,內(nèi)層聚氨酯含微孔和超微孔(<0.5?m=,利用其類似于“芯吸”作用,抽吸皮膚上的水分,擴(kuò)散到外層,再排放到空氣中,提高排汗作用。
3.2.3聚氨酯涂層添加劑[16]
采用在聚氨酯涂層劑中添加其他物質(zhì)的方法.不但可以提高PU薄膜的透氣性,而且還賦予織物殺蟲(chóng)、滅菌的功效,以及優(yōu)良的手感。甲殼質(zhì)是貝殼類水生物和動(dòng)物的鱗甲質(zhì)的提取物,其化學(xué)結(jié)構(gòu)如下:
甲殼質(zhì)類似于纖維素大分子,但2位上的酰胺基團(tuán),使其不溶于大部分有機(jī)浴劑,并具抗微生物性。甲殼質(zhì)具有較高的吸濕性和釋濕性,并有一定的抗微生物性.在涂層劑中摻入一定量的甲殼質(zhì)后,會(huì)對(duì)汗液、體液保持清潔,并具有一定醫(yī)療保健作用.如日本Asahikaseid的“Biochiton”。除此之外,加入羊毛屑、蠶絲屑、鱗質(zhì)粉、纖維素粉等,旨在提高織物透濕量的研究均有報(bào)道[14]。這些粉末加入時(shí)溫度高,待冷卻固化時(shí),體積縮小,發(fā)生相分高,在涂層膜內(nèi)部及粉屑周圍形成微隙,增加透濕性[1]。
3.3無(wú)污染聚氨酯的研究開(kāi)發(fā)
研制一種完全水分散、在合成和應(yīng)用過(guò)程中無(wú)溶劑污染的PU涂層劑一直是科技工作者的心愿。日前的加工工藝,無(wú)論是濕法,還是干法,在加工過(guò)程中都采用一定量易揮發(fā)性的有機(jī)溶劑,存在環(huán)境污染問(wèn)題。如果把PU制成水溶性涂層劑,在烘干過(guò)程中交聯(lián)成膜,不但可以大大地降低生產(chǎn)成本,而且可克服環(huán)境污染問(wèn)題,所以這方面的研究也很活躍。美國(guó)Polytech新推出的Ureatech,據(jù)稱就是在這方面著手,而被譽(yù)為“面向新世紀(jì)的高科技產(chǎn)品”,國(guó)內(nèi)也有這方面的研究報(bào)道[17]。
3.4金屬和陶瓷涂層
在不影響原有防水透濕性的前提下,在樹(shù)脂中摻入金屬粉末,形成金屬層,反射人體的輻射熱,減少熱量散失。這種涂層適合用作冬季或高寒地帶登山運(yùn)動(dòng)員等運(yùn)動(dòng)服袋,如日本東麗公司的Entrantthermo,日本旭化成的Lyonthermo[15]。當(dāng)PU中摻入具有較高遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的陶瓷粉后,這種涂層則具有吸收陽(yáng)光的能量或人體熱量,向人體輻射遠(yuǎn)紅外線,使織物保暖性能提高,并具促進(jìn)人體微循環(huán)的功能[19]。如日本東麗公司的Megaclon,日本旭化成的VeraV,日本鐘紡的Masonic。有些陶瓷還具有吸收氨、硫化氫等異昧的功能,混入涂層后,成為除臭的防水透氣織物,如日本尤尼吉可公司Permilan和Deodrant。
4結(jié)束語(yǔ)
防水透氣及特殊功能涂層織物屬于一種高科技含量、高附加值的產(chǎn)品,多種加工技術(shù)構(gòu)成防水透氣等功能涂層織物家族,而聚氨酯系列屬于具有開(kāi)發(fā)潛力,多姿多彩的一個(gè)分支.西方各國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均投入大量人力、財(cái)力競(jìng)相開(kāi)發(fā)研究,國(guó)內(nèi)研究還較少.另外,美國(guó)、日本也把這類產(chǎn)品作為面向新世紀(jì)的高科技產(chǎn)品.作為在紡織品市場(chǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究,我國(guó)這個(gè)領(lǐng)域的科技工作者應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇,迎頭趕上。pt1Hov
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