電紡膜夾層防水透濕層壓織物的研究進(jìn)展*

張 麗 王嬌娜 李從舉

(1.北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100029;2.北京市服裝材料研究開發(fā)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100029)

電紡膜夾層防水透濕層壓織物的研究進(jìn)展*

張 麗1，2王嬌娜1，2李從舉1，2

(1.北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100029;2.北京市服裝材料研究開發(fā)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100029)

介紹了防水透濕織物及其防水透濕機(jī)理。與其他薄膜相比，用靜電紡絲技術(shù)制得的電紡膜作為防水透濕層壓織物功能膜有很大優(yōu)勢(shì)。電紡膜具有可控性，可以通過(guò)改變紡絲液的原料和紡絲工藝條件制成不同性能的薄膜，進(jìn)行層壓后使層壓織物具有不同水平的防水透濕性。綜述了用于防水透濕織物中的電紡膜的研究進(jìn)展，并對(duì)其在防水透濕層壓織物中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

靜電紡絲，層壓織物，防水透濕，機(jī)理，應(yīng)用

防水透濕織物是指具有防水透濕性能的織物。織物的防水透濕性能就是指織物在一定壓力水的作用下，水不能滲透到織物內(nèi)部，而人體散發(fā)的汗液蒸氣卻能夠通過(guò)織物擴(kuò)散或傳遞到外界，不在體表和織物之間積聚冷凝［1］。防水透濕織物是一種獨(dú)具特色的中高檔功能性織物。防水透濕織物除了可以用于民用(如戶外運(yùn)動(dòng)服、休閑服)，軍用(如空軍飛行員、船員、執(zhí)行海陸軍行動(dòng)等特種兵的服裝)，醫(yī)用(多功能防護(hù)服)等服裝方面外，還可以用于汽車內(nèi)飾、座椅墊及頂棚布，勞動(dòng)防護(hù)布等產(chǎn)業(yè)方面，所以防水透濕織物一直是科研工作者研究的重點(diǎn)之一，主要研發(fā)的品種有高密度織物、涂層織物和層壓織物。

不同類型的防水透濕織物的防水透濕機(jī)理有所不同。防水透濕織物的防水透濕機(jī)理有孔隙自然擴(kuò)散機(jī)理、膨脹機(jī)理、微孔擴(kuò)散機(jī)理以及親水性基團(tuán)通過(guò)“吸附—擴(kuò)散—解吸”傳遞水蒸氣分子機(jī)理［2］等，其中以微孔擴(kuò)散機(jī)理最為重要。微孔擴(kuò)散機(jī)理是根據(jù)水滴(直徑為100～300 μm)與水蒸氣分子(直徑0.000 3 ～0.000 4 μm)大小的巨大差異設(shè)計(jì)微孔，使微孔直徑介于水蒸氣分子直徑與水滴直徑之間，從而保證人體散發(fā)的汗蒸氣能順利通過(guò)微孔擴(kuò)散到外界，而織物外側(cè)的雨雪等凝聚態(tài)的水滴不能滲入到織物內(nèi)部，進(jìn)而使織物具有防水透濕的功能［3-4］。

我國(guó)通常采用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜/面料層壓后，涂覆聚氨酯(PU)溶液的方法加工防水透濕織物。該織物具有防水、透濕、防風(fēng)等性能，同時(shí)還具備病毒隔離和防護(hù)等多種功能［5-6］。這些防水透濕織物的初始性能很好，但經(jīng)過(guò)幾次水洗后其防水透濕性能就會(huì)下降很多［7］。Gore-Tex織物被認(rèn)為是最先進(jìn)的防水透濕織物，但其不僅工藝條件要求苛刻、成品價(jià)格高，而且美國(guó)Gore公司長(zhǎng)期以來(lái)控制著其生產(chǎn)專利，難以廣泛民用。因此，近年來(lái)很多研究者致力于研究性能優(yōu)異、價(jià)格相對(duì)低廉的防水透濕織物，將目光轉(zhuǎn)向了靜電紡絲技術(shù)。

1 靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲技術(shù)是基于高壓靜電場(chǎng)作用下導(dǎo)電流體產(chǎn)生高速噴射的原理［8］。用靜電紡絲技術(shù)制得的電紡膜纖維直徑在幾十納米到幾百微米［9］。還有報(bào)道說(shuō)，由靜電紡絲技術(shù)制得的納米纖維，最大的特點(diǎn)是其直徑范圍一般在3～51 nm［10］，比用常規(guī)方法制得的纖維直徑要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。電紡膜纖維比表面積大(是常規(guī)纖維的1 000倍以上)，孔隙率高，纖維精細(xì)程度和均一性高，長(zhǎng)徑比大［11］。電紡膜被廣泛應(yīng)用于過(guò)濾材料［12］、光學(xué)或化學(xué)傳感器［13］、電極材料［14］和生物支架材料［15］，而作為防護(hù)層用于服裝是在納泰科美國(guó)陸軍士兵中心對(duì)在極惡劣的環(huán)境下提供保護(hù)的目的上發(fā)展起來(lái)的，用電紡膜作為防護(hù)層提高了織物的可呼吸性和防風(fēng)性［16］。電紡膜具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［17］，在內(nèi)外界存在壓差或濕度差的情況下允許水蒸氣和空氣自由通過(guò)彎曲的微孔，而這種微孔結(jié)構(gòu)不允許水滴通過(guò)但能迅速地轉(zhuǎn)移水蒸氣。電紡膜還可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行層壓后賦予服裝防護(hù)性以及舒適性［18］。電紡膜與目前用于防水透濕層壓織物的薄膜相比，不僅在防水透濕方面占有優(yōu)勢(shì)，而且在阻隔細(xì)菌、核武器和生化毒氣等防護(hù)方面有很大的優(yōu)勢(shì)［19-22］。此外，還可以在紡絲液中加入一些納米粒子［19］，使電紡膜除具有上述功能外還具有更多的附加功能。例如:在紡絲液中加入銀，使其具有除臭、抗靜電、抗菌和防輻射等功能;在紡絲液中加入納米ZnO，使其具有抗紫外線的功能［23］;在紡絲液中加入納米TiO2，賦予其抗紫外線的功能。在靜電紡絲過(guò)程中，纖維隨機(jī)取向、交錯(cuò)排列，使得纖維膜表面比較粗糙，便于纖維膜與其他織物黏合，因此以電紡膜作為功能膜的防水透濕層壓織物可以制成集更多附加功能于一體的紡織品。

2 層壓技術(shù)

采用層壓技術(shù)成功地解決了防水與透濕之間的矛盾，特別是以微孔膜作為功能膜的防水透濕層壓織物，將防水透濕性和防風(fēng)保暖性集于一體，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。層壓方法主要分為壓延法、焰熔法、熱熔法和黏合劑法四種，其中黏合劑法又可簡(jiǎn)單分為濕法、干法和干濕法三種工藝［1］。

黏合劑法中的干濕法復(fù)合工藝特別適合用于服用方面的防水透濕層壓織物。以微孔膜作為功能膜的防水透濕層壓織物在穿用一段時(shí)間后，人體散發(fā)的汗液中的雜質(zhì)和油脂會(huì)隨同汗液一起停留在薄膜中，薄膜上附著的親水性物質(zhì)會(huì)使層壓織物的防水性下降，且薄膜中的微孔會(huì)被汗液中的雜質(zhì)堵塞，影響層壓織物的透濕性。干濕法工藝是在電紡膜與面料之間采用干法工藝，而在電紡膜與里料之間采用濕法工藝，這樣雜質(zhì)和油脂很難到達(dá)薄膜中，使膜得到保護(hù)，可延長(zhǎng)層壓織物的使用壽命。

3 基于電紡膜的防水透濕層壓織物的研究進(jìn)展

Schreuder-Gibson等［16］對(duì)一些關(guān)于電紡膜作為防護(hù)層的性能與抗張強(qiáng)度進(jìn)行了描述，也報(bào)道了膜結(jié)構(gòu)對(duì)透濕、透氣、氣溶膠過(guò)濾、孔隙率和膜化學(xué)活性提高的影響，表明納米纖維層在特種層壓織物中有很大的應(yīng)用潛能。例如聚酰胺66(PA 66)電紡膜、聚苯并咪唑(PBI)電紡膜、PU電紡膜與傳統(tǒng)的膜相比，具有可呼吸性、氣流阻力大和氣溶膠過(guò)濾性能，用其層壓后的織物可用于軍事服裝和運(yùn)動(dòng)服。

辛東坡等［24］研究了靜電紡納米纖維的含氣性，分析了影響透濕性的因素(材料、厚度、纖維體積含量);將同等厚度的聚丙烯腈(PAN)靜電紡納米纖維非織造布與聚酯(PET)紡粘非織造布進(jìn)行比較，前者具有相對(duì)較好的透濕性，但其透濕性還不能滿足人對(duì)熱舒適性的要求;就此問題還提出了改善納米纖維非織造布透濕性的途徑，如改變靜電紡絲的原料和紡絲過(guò)程參數(shù)，在原料中引入親水性基團(tuán)以及進(jìn)行后整理等。辛東坡等［17］還研究了納米纖維的熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在相同條件下，將納米纖維非織造布與其他非織造布熱性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)靜電紡納米纖維非織造布在熱傳遞性質(zhì)方面具有很大的優(yōu)越性，從而證明其具有良好的保暖性，為其在服裝上的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

Lee［23］比較系統(tǒng)地研究了基于電紡膜的層壓織物的透濕性、透氣性與膜面密度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，層壓織物的透濕量隨膜面密度的增大而減小，透氣性也會(huì)隨膜面密度增大而變差。同時(shí)，還研究了在一定條件下在紡絲液中加入ZnO，進(jìn)行靜電紡絲，用得到的納米纖維膜進(jìn)行層壓，層壓織物除具有防水透濕功能外還具有抗紫外線功能。

Tsai等［25］研究發(fā)現(xiàn)，靜電紡PU材料具有很高的水汽透過(guò)率(MVTR)以快速驅(qū)散人體產(chǎn)生的熱量，且具有很高的防風(fēng)性能，靜電紡PAN纖維也具有同樣的性質(zhì)，用在防護(hù)服上有很好的防風(fēng)性。Lee等［26］用靜電紡絲技術(shù)得到聚丙烯(PP)納米纖維非織造布，其水蒸氣傳輸功能和對(duì)空氣的滲透率都比普通的織物好，而且舒適性也更好，可用于防護(hù)服。

利用電紡膜比表面積大、孔隙率高和密度低等特點(diǎn)，用其作夾層生產(chǎn)的防護(hù)服不僅能夠過(guò)濾細(xì)沙、擋風(fēng)，不妨礙水蒸氣的擴(kuò)散，可保證服裝的舒適性，而且對(duì)氣溶膠有很好的阻擋性能，從而對(duì)生化武器有很好的防護(hù)性［27］。與以木炭作為吸附劑的防護(hù)服相比，電紡膜夾層的層壓織物質(zhì)量輕，能在有效防止毒氣入侵的同時(shí)不妨礙水蒸氣和空氣的傳輸，保證了服裝的舒適性。

Yoon等［18］為滿足不同的消費(fèi)者需求，采用靜電紡絲技術(shù)制成不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的防水透濕層壓織物，還將基于PU電紡膜的防水透濕層壓織物與傳統(tǒng)的防水透濕層壓織物(高密度織物、微孔層壓織物、親水性無(wú)孔PU涂層織物)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:采用合適的層結(jié)構(gòu)、底層以及層壓工藝制成的基于電紡膜的層壓織物比高密度織物具有更好的防水性，比其他微孔膜層壓織物和涂層織物有更好的透濕性和透氣性;采用靜電紡絲技術(shù)制得的防水透濕材料能夠填補(bǔ)防水透濕織物在防護(hù)和舒適性方面的空缺，新材料的引進(jìn)將會(huì)在市場(chǎng)上為消費(fèi)者提供更多的選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

電紡膜與其他膜材料(如微孔PTFE膜、親水性無(wú)孔PU膜等)相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，除具有防水透濕性能外，還具有可呼吸性、良好的保暖性和很高的水汽透過(guò)率，而層壓技術(shù)又可將各種材料的功能疊加在一起。因此，用電紡膜作為防護(hù)層制作防水透濕層壓織物更符合防水透濕層壓復(fù)合織物向輕便化、舒適化、綠色化和多功能化發(fā)展的趨勢(shì)。

采用靜電紡絲技術(shù)，通過(guò)控制原料和紡絲條件 (如高聚物溶液的濃度、紡絲時(shí)間、接收距離、電壓、進(jìn)料速度等)可以獲得不同性能、不同纖維直徑、不同孔隙率和不同厚度的電紡納米纖維膜，層壓后可以獲得透濕性好、透氣性好、防水性好、防風(fēng)性好的不同水平的防水透濕層壓織物，用于運(yùn)動(dòng)服、登山服、保暖服、隔熱服、手術(shù)服、防護(hù)服、消防服、雪地靴、手套、睡袋和帳篷等，滿足不同的消費(fèi)者的需求。

［1］潘鶯，王善元.Gore-tex防水透濕層壓織物的概述［J］.中國(guó)紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，24(5):110-114.

［2］徐旭凡，周小紅，王善元.防水透濕織物的透濕機(jī)理探析［J］.上海紡織科技，2005，33(1):58-60.

［3］張建春，黃機(jī)質(zhì).防水透濕織物的發(fā)展與展望［J］.棉紡織技術(shù)，2003，31(2):69-72.

［4］WEI Zhaohui，GU Zhenya.A study on novel waterproof and moisture-permeable poly(vinylidene fluoride)micropore membrane-coated fabrics［J］.Applied Polymer Science，2001，79:801-807.

［5］張建春，黃機(jī)質(zhì)，郝新敏.織物防水透濕原理與層壓織物生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2003:2-21.

［6］郝新敏，張建春，周國(guó)泰，等.可重復(fù)使用透濕型SARS防護(hù)服材料的研究［J］.西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，17(3):206-211.

［7］郭玉海，陳建勇，張建春，等.新型多功能復(fù)合膜及其層壓紡織品的研究［C］//第三屆紡織涂層、復(fù)合、功能紡織品技術(shù)交流會(huì)資料集，2007.

［8］吳易潘，李新新，馮喜增.電紡技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.生命科學(xué)，2009，21(4):599－605.

［9］LI D，XIA Y N.Electrospinning of nanofibers:reinventing the wheel? ［J］.Advance Materials，2004，16(14):1151-1170.

［10］吳大誠(chéng)，杜仲良，高旭珊.納米材料與應(yīng)用技術(shù)叢書——納米纖維［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［11］徐志娟，林雪春.電紡絲制備納米纖維綜述［J］.國(guó)外塑料，2009，27(9):41-45.

［12］SCHREUDER-GIBSON H，GIBSON P，TSAI P，et al.Cooperativecharging effects of fibers from electrospinning of electrically dissimilar polymers［J］.Int Nonwovens J，2004，13(34):39-45.

［13］WANNATONG L，SIRIVAT A .Electrospun fibers of polypyrrole/polystyrene blend for gas sensing applications［J］.PMSE Preprints，2004，91(35):692-693.

［14］KIM C，PARK S H，LEE W J，et al.Characteristics of supercapacitor electrodes of PBI-based carbon nanofiber web prepared by electrospinning［J］.Electrochimi Acta，2004，50(39):877-881.

［15］KHIL M S，BHATTARAI S R，KIM H Y，et al.Novel fabricatedmatrix via electrospinning for tissue engineering［J］.J Biomed Mater Res B，2005，72B(13):117-124.

［16］SCHREUDER-GIBSON H，GIBSON P，SENECAL K，et al.Protective textile materials based on electrospun nanofibers［J］.Advanced Materials，2002，34(3):44-55.

［17］辛東坡.靜電紡納米纖維非織造布的熱濕傳遞性質(zhì)［D］.東華大學(xué)，2009.

［18］YOON B，LEE S.Designing waterproof breathable materials based on electrospun nanofibers and assessing the performance characteristics［J］.Fiber and Polymers，2011，12(1):57-64.

［19］周歡，李從舉.過(guò)濾粉塵用紡織材料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011，29(1):1-6.

［20］曹鼎，付志峰，李從舉.靜電紡絲技術(shù)在過(guò)濾中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.化工新型材料，2011，39(8):15-18.

［21］佟艷斌.靜電紡絲技術(shù)研究及納米纖維的應(yīng)用前景［J］.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，14(4):18-20.

［22］常敏，李從舉.靜電紡納米纖維的應(yīng)用［J］.合成纖維工業(yè)，2001，30(4):50-52.

［23］LEE S.Developing UV-protective textiles based on electrospun zinc oxide nanocomposite fibers［J］.Fibers and Polymers，2009，10(3):295-301.

［24］辛東坡，覃小紅，王善元.靜電紡納米纖維非織造布的濕傳遞性能［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2009，27(3):13-17.

［25］TSAI P P，柯勤飛，McCULLOCH W J G.納米纖維在非織造材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來(lái)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005，23(1):36-40.

［26］LEE S，OBENDORF S K.Developing protective textile materials as barriers to liquid penetration using meltelectrospinning ［J］.Applied Polymer Science，2006，102(4):3430-3437.

［27］靳玉偉，劉曉東，王策.多功能智能織物納米技術(shù)［J］.中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2005(2):28-29.

The research progress on waterproof moisture permeable laminated fabric based on electrospun fibrous membrane

Zhang Li1，2，Wang Jiaona1，2，Li Congju1，2
(1.College of Material Science and Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology;2.Beijing Key Laboratory of Clothing Materials R＆D and Assessment)

The waterproof moisture permeable fabric and the principle were introduced.Comparison on other methods，the electrospun fibrous membrane used as waterproof moisture permeable functional membrane in fabric has obvious superiority.Electrospun fibrous membrane be controllable，it could adopt various spinning solution and processes to produce electrospun fibrous membrane with various properties.Throughout laminating process could make the fabric have various waterproof moisture permeability.The research progress of the electrospun fibrous membrane used as waterproof moisture permeable fabric was summarized and the application of it in waterproof moisture permeable fabric was prospected.

electrospinning，laminted fabric，waterproof moisture permeable，principle，application

TQ340.649

A

1004－7093(2012)07－0001－04

*北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教深化計(jì)劃項(xiàng)目(IHLB);北京市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(課題)(Z111103066611004)

2011－12－23;修改稿:2012－02－22

張麗，女，1988年生，在讀碩士研究生。主要研究方向是納米技術(shù)與纖維。

李從舉，E-mail:congjuli@gmail.com