聚氨酯防水透氣涂層織物的進展
聚氨酯防水透氣涂層織物的進展
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，國外又稱“可呼吸織物”．消費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”．實際上，有些品種巳經(jīng)開始受到時裝界的青睞[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．國外有人曾對獲得了人在運動時的大致出汗量作了研究．服裝透氣性低于人體出汗量時，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，特別是運動服．
防水透氣織物首先被開發(fā)用在軍服、防護服的生產(chǎn)，現(xiàn)在巳廣泛用于運動服、旅行包、帳篷等的制造．國際市場上對這類面料的需求逐年增加，1996年產(chǎn)量巳達6700萬平方米[1]，國內(nèi)這類產(chǎn)品也正在開發(fā)中．
1．1高密度織物
采用超細纖維（細度小于1dtex）緊密織造，使紗線間隙小到不允許水滴通過，有些紗線，遇水膨脹，間隙會變得更小．然而對于直徑僅為萬分之四微米的水蒸汽分子，通道卻是足夠?qū)挸?，從而達到防水透氣的目的．
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，則是通過成形過程中在涂層內(nèi)部形成的大量微孔，或親水性“分子梯級通道”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常活躍，新工藝、新品種不斷面世，引起各國的廣泛關(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、耐寒性以及滑潤的手感，特別是相對低的加工成本，深受消費者和生產(chǎn)廠家的青睞，發(fā)展前景廣闊，科技含量及附加值高，國外已有十幾個品牌。國內(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
其防水透氣機理是依靠成膜時形成大量的微孔．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[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，制成聚氨酯樹脂的有機溶液，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，通過雙向擴散，水不斷從樹脂溶液中萃取出溶劑二甲基甲酰胺進入水相，同時水則進入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，透濕性可達到約4000g／m2·24h，耐靜水壓約200cm。這類產(chǎn)品已被知名的運動服生產(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Burlington公司的“Ultrex”，英國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Stahi（ICI）／NL公司的Permutex，英國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）
將聚氨酯樹脂的有機溶液（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，當達到一個臨界值時，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。但加工過程中有溶劑揮發(fā)，防水性可達2.45×105Pa（2500mmH2O）［11］．此工藝簡單，在普通涂布機上即可進行，但易環(huán)境污染是其主要缺點。采用這種方式的有比利時UCBSpecialChemicials公司的Ucecoat2000（s）[11]，日本東螺公司以二甲基甲酰胺/對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脂中加入陰離子或非離子表面活性劑，在聚氨酯形成過程中，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）公司開發(fā)的Dicrylan系列，即為這類產(chǎn)品［10］。
2．2聚氨酯無孔薄膜
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，這些基團首先以氫鍵形式“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，形成瞬時孔隙，并加上內(nèi)外水蒸汽壓差的推動，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4500g／m2·24h，耐水壓可達數(shù)十萬帕［6］，但透氣性隨涂層膜厚度不同而有差異．這類常見的商品中有英國Baxenden化學(xué)公司生產(chǎn)的WltcoflexStayCool、X-Liner等，比利時UCBSpecialChemicals公司的UcecoatNUP產(chǎn)品，德國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，人們正在致力于開發(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，美國農(nóng)業(yè)部南方實驗室VigO、Frost等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)聚乙二醇浸漬過的面料，具有儲熱功能，即受熱時吸收熱量，遇冷時放出熱量［12，13］。
這項技術(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，通過選擇和設(shè)計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，恰好在人們感覺舒適的溫度范圍．這樣，環(huán)境高于熔融溫度時，涂層相變吸熱，同時聚合物體積膨脹，親水基團空間自由體積增大，熱運動加劇，使透氣量增大，排熱排汗加快，使人有涼爽的感覺；當環(huán)境低于結(jié)晶溫度時，PEG鏈段結(jié)晶，PU涂層相變放出熱量，同時封閉孔隙，由于親水基團活性降低，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。美國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，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)上不斷進行改進，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?shù)陌被崤c多元醇組分混合，再與異氰酸酯組分無規(guī)或嵌段加聚，制成改進型涂層或薄膜，可以大大提高織物的透氣性．據(jù)報道，這類產(chǎn)品如三菱化成的Excepor-U，大透濕量可達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)進行親水處理，微孔結(jié)構(gòu)與親水性結(jié)構(gòu)兩種機理共同作用，從而獲得更滿意的透氣效果。美國3M公司生產(chǎn)的Thintech品牌即為這種方式。比利時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、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，使其不溶于大部分有機浴劑，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，會對汗液、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道[14]。這些粉末加入時溫度高，待冷卻固化時，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無污染聚氨酯的研究開發(fā)
研制一種完全水分散、在合成和應(yīng)用過程中無溶劑污染的PU涂層劑一直是科技工作者的心愿。日前的加工工藝，無論是濕法，還是干法，在加工過程中都采用一定量易揮發(fā)性的有機溶劑，存在環(huán)境污染問題。如果把PU制成水溶性涂層劑，在烘干過程中交聯(lián)成膜，不但可以大大地降低生產(chǎn)成本，而且可克服環(huán)境污染問題，所以這方面的研究也很活躍。美國Polytech新推出的Ureatech，據(jù)稱就是在這方面著手，而被譽為“面向新世紀的高科技產(chǎn)品”，國內(nèi)也有這方面的研究報道[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動員等運動服袋，如日本東麗公司的Entrantthermo，日本旭化成的Lyonthermo[15]。當PU中摻入具有較高遠紅外發(fā)射率的陶瓷粉后，這種涂層則具有吸收陽光的能量或人體熱量，向人體輻射遠紅外線，使織物保暖性能提高，并具促進人體微循環(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
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發(fā)潛力，多姿多彩的一個分支．西方各國和日本等發(fā)達國家均投入大量人力、財力競相開發(fā)研究，國內(nèi)研究還較少．另外，美國、日本也把這類產(chǎn)品作為面向新世紀的高科技產(chǎn)品．作為在紡織品市場具有競爭力的產(chǎn)品的開發(fā)和研究，我國這個領(lǐng)域的科技工作者應(yīng)當抓住機遇，迎頭趕上。pt1Hov
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