Gore-Tex面料透濕性能對比測試

陳益松，唐曉楠

(東華大學 a.服裝與藝術設計學院; b.現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

人體與環(huán)境的熱濕平衡傳遞是一個復雜的過程[1]，人體出汗是排泄和調節(jié)體溫的生理機制，而服裝包裹在體外，作為人體與環(huán)境進行熱濕交換的媒介，它的透濕性能直接影響到人體生理和著裝的舒適性[2]。然而，人們的著裝在很多情況下要求防風防雨，通常使用涂層來解決這一問題，但涂層會破壞面料的透濕透氣性能[3]。使用PTFE(聚四氟乙烯)微孔膜的Gore-Tex層壓復合面料[4]較好地解決了這一對矛盾，自其誕生以來被廣泛應用于服裝行業(yè)，特別是戶外運動與作業(yè)領域。文獻[5]介紹了e-PTFE膜物理化學參數(shù)，分析了層壓織物的防水透濕性、防風性以及保暖性等機理，并將e-PTFE膜復合面料與其他面料對比，結果顯示前者在特定性能方面具有優(yōu)勢。文獻[6]探討了影響防水透濕織物性能的因素，較之其他防水透濕織物，微孔膜層壓織物的透濕性是最好的，其織物的抗沾水能力與層壓膜或涂層的抗沾水能力有關。文獻[7]介紹了防水透濕織物的微孔透濕機理，并探討了防水透濕織物測試方法的研究進展，指出目前的測試方法存在著測試與穿著條件吻合度差的缺陷。文獻[8]詳細介紹了防水透濕織物防水性和透濕性的檢測技術，其中透濕性的檢測技術有吸濕法、蒸發(fā)法和模擬法(蒸發(fā)熱板法)，由于各方法衡量織物透濕性能的相關標準差異較大，且測試結果難以比較，導致防水透濕紡織品產業(yè)的發(fā)展受限。文獻[9]通過改變透濕杯的水溫來測試Gore-Tex薄膜及其他幾種PTFE微孔薄膜的透濕量，研究發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度不變時，透濕量隨水溫的升高而增大，兩者呈指數(shù)型關系。文獻[10]的研究顯示，對于某些防水透濕織物，水蒸氣轉移性能依賴于織物及其周圍存在的溫度梯度，當外界環(huán)境溫度降低到0 ℃以下，織物對水蒸氣的蒸發(fā)阻抗將急劇增加。

本文采用YG 601型織物透濕儀和被動式微氣候儀兩種試驗裝置，在3種標準試驗條件和4種模擬穿著狀態(tài)下，對3種6塊Gore-Tex試樣和2塊棉織物試樣進行透濕量對比試驗，研究Gore-Tex在著裝狀態(tài)下的透濕性能。

1 試驗儀器

1.1 YG 601型織物透濕儀

YG 601型織物透濕儀由恒溫恒濕氣候箱和箱內旋轉的8個透濕杯構成，如圖1所示。透濕杯是測定織物透濕性能的常用方法。

圖1 YG 601型織物透濕儀Fig.1 Fabric moisture permeability apparatus of YG 601 type

氣候箱左右兩側為多孔壁板，分別為出風側和回風側，兩側壁之間維持風速為0.3～0.5m/s的平行風。氣候箱內溫度和相對濕度由箱內的溫度傳感器和相對濕度傳感器檢測并反饋至控制器，溫度精度可控制在±0.5 ℃，相對濕度精度可控制在±3%。8個透濕杯放置在一個緩慢旋轉的托盤上，可以保證每只透濕杯所受的環(huán)境影響一致。透濕杯試驗方法分吸濕法和蒸發(fā)法，試驗時，吸濕法試樣正面朝內，蒸發(fā)法試樣正面朝外，覆蓋于透濕杯上。一定時間內，稱取透濕杯的質量變化，試樣透濕量的計算如式(1)所示。

(1)

式中：W為試樣每平方米每小時的透濕量，g/(m2·h); Δm為同一試驗組合體兩次稱量之差，g;A為試樣有效試驗面積，m2;t為試驗時間，h。試樣透濕量為3個試樣透濕量的算術平均值。

1.2 被動式微氣候儀

被動式微氣候儀[11]如圖2所示。采用被動供水方式的出汗模擬機制[12]，通過調節(jié)裝置中的水柱高度和皮膚溫度，改變模擬皮膚的出汗率和微氣候空間的濕氣壓，出汗量可以根據(jù)測試試樣的透濕能力而自動調節(jié)并實時監(jiān)測，彌補了以往微氣候儀在供水和模擬出汗方面的不足。

圖2 被動式微氣候儀Fig.2 A passive micro-climate apparatus

被動式微氣候儀的模擬出汗系統(tǒng)[13]由供水管1、模擬皮膚5和加熱底盤9組成。蒸餾水充滿其間并使管中水位高出模擬皮膚h，形成壓力水柱，并在溫度的作用下，壓力水由Gore-Tex微孔膜復合織物制作的模擬皮膚微量滲出后形成汗液，汗液蒸發(fā)形成的汗氣通過被測織物擴散到環(huán)境空間。為避免供水管水柱水位下降過多而影響皮膚出汗狀態(tài)的改變，試驗中每小時記錄一次水柱水位下降高度，并進行補水使水位恢復到原來高度。通常1小時水位下降為1～7 cm左右，不到總水柱高度(1.5 m)的5%，對皮膚的出汗量無實質性影響。根據(jù)記錄的水柱水位的高度差可以計算出每小時水柱中水減少量，即為皮膚的出汗量，計算如式(2)所示。

(2)

試驗中發(fā)現(xiàn)，微氣候儀由于內外溫差緣故，在微氣候室圓筒壁內、試樣支撐架上會出現(xiàn)積水現(xiàn)象，故織物實際透濕量應減去這部分積水量。 則試樣每小時的透濕量Q為

Q=Qz-Qj

(3)

式中：Qj為腔內每小時的積水量，g/h。

試樣每平方米每小時透濕量的計算如式(4)所示。

(4)

式中：W為試樣每平方米每小時的透濕量，g/(m2·h);A為試樣的透濕面積，m2。微氣候圓筒壁的內半徑為0.08 m，A為0.02 m2。

2 試樣選取及試驗條件

2.1 試樣選取

本文選取3種6塊Gore-Tex面料，即三層層壓織物、兩層層壓織物和兩層半層壓織物各2塊，與2種棉織物作對比。試樣尺寸為24 cm×24 cm(試樣夾直徑為16 cm)。面料的基本參數(shù)測試結果如表1所示。

表1 試樣面料基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of specimens

(續(xù) 表)

2.2 試驗條件

YG 601型織物透濕儀與被動式微氣候儀的試驗條件如表2所示。

表2 試驗條件Table 2 Experimental conditions

YG 601型織物透濕儀的試驗操作按GB/T 12704.2—2009進行。

微氣候儀的操作需要把試樣固定于測試裝置的試樣架上，水位加注至距離模擬皮膚高150 cm處，供水管旁固定有米尺，測量精度為1 mm。當溫度測量系統(tǒng)使皮膚下的水溫控制呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)時，試驗正式開始。向供水管中加水到指定的水位高度，并記錄試驗開始時間。1 h(或下降特別慢的為2 h)后，觀察并記錄水柱中水位的刻度值，測量并記錄試樣表面溫度，再向供水管中加水到試驗開始時指定的水位高度，重復試驗。

3 微氣候儀內積水測量與分析

試驗采用吸水能力很強的棉紗來吸收微氣候室內的積水，然后用精度較高的電子天平稱量吸水前后棉紗的質量，計算其質量差值來獲得積水量的數(shù)據(jù)。為了不破壞腔內微氣候區(qū)的溫濕度平衡，在每3次重復試驗完成后停止試驗，打開測試裝置用棉紗收集積水。在不同水溫條件下，1、3、7號試樣“衣下”微氣候積水量隨時間的變化如圖3所示。

(a) 1號試樣

(b) 3號試樣

(c) 7號試樣圖3 在不同水溫條件下3種試樣“衣下”的微氣候積水量隨時間的變化Fig.3 Accumulated water in microclimate room under three specimens increased with time

試驗發(fā)現(xiàn)，當皮膚內水溫(21 ℃)與環(huán)境溫度相同時，由于內外溫差為零，微氣候室內并沒有積水發(fā)生。由圖3可知，在水溫分別為25、30、35 ℃條件下，當水溫與環(huán)境溫度之間的差異越大，微氣候室內積水量也越大。所測試樣微氣候室內的積水量基本隨時間呈線性增加。

由圖3還可知：1號三層Gore-tex試樣在水溫為30 ℃時，其積水量要遠大于7號棉織物，而水溫為25和35 ℃時的積水量與棉織物差異不大; 5號二層Gore-Tex試樣在35 ℃時其積水量要遠大于7號棉織物，而25和30 ℃時與棉織物差異不大。總體而言，Gore-Tex織物的微氣候室內的積水量要高于棉織物，這也從另一方面說明了Gore-Tex織物的透濕能力要弱于普通棉織物。

4 試驗結果與分析

采用YG 601型織物透濕儀和被動式微氣候儀分別對8種織物試樣進行透濕量測試，結果如表3所示。

表3 兩種方法測得的8種織物透濕量Table 3 The moisture transmission of eight specimens in two methods g/(m2·h)

由表3可知：

(1) 在YG 601型織物透濕儀測試中發(fā)現(xiàn)，透濕杯法中的試樣平均透濕量及透濕量差異基本與方法所設定的試樣兩邊的蒸氣壓差成正比，從大到小依次為：吸濕法、蒸發(fā)法一、蒸發(fā)法二。3種試驗條件下6塊Gore-Tex試樣的透濕量雖有差異，但相差不大，都小于普通棉織物。

(2) 在被動式微氣候儀的模擬衣下空間的透濕量測試中發(fā)現(xiàn)，試樣的平均透濕量與皮膚下的水溫成正比，即水溫越高，皮膚本身的出汗量越大，皮膚表面到環(huán)境間的濕濃度差也越大，試樣的透濕量越大，同時，微氣候室內的積水量也越大。

(3) 被動式微氣候儀在水溫為35 ℃時，試樣兩側的蒸汽壓差與蒸發(fā)法一相似(試驗3和5)，兩種方法所測的平均透濕量同處一個量級。由此說明，水蒸氣壓力差是平均透濕量的主要影響因素，在被動式微氣候儀測量中，考慮積水量的做法是正確的。

(4) 相比之下，被動式微氣候儀所測得的試樣透濕量差異比透濕杯要小，甚至不明顯。這是因為微氣候儀從模擬皮膚的出汗到微氣候空間再穿過面料到環(huán)境空氣，出汗本身受模擬皮膚性能、水溫和壓力共同影響較大，而試樣本身對其影響相對變小。但從微氣候室的積水量來看，Gore-Tex試樣的積水量要大于普通面料，說明其透濕性能低于普通棉織物。

(5) 從透氣數(shù)據(jù)看，Gore-Tex織物相對普通織物屬于“基本不透氣”，主要是Gore-Tex織物的PTFE微孔膜對高氣壓差的氣流阻擋明顯，而在蒸汽濃度的分壓差下(總氣壓差不變)其透濕能力卻接近普通織物。因此，將Gore-Tex織物稱之為防風透濕面料是準確的。

5 結 語

本文使用YG 601型織物透濕儀和被動式微氣候儀在7種試驗條件下對3種6塊Gore-Tex復合織物及2塊棉織物進行了透濕能力的測量。試驗發(fā)現(xiàn)，Gore-Tex織物總體表現(xiàn)出很高的透濕能力，其平均透濕能力接近但小于普通棉織物，但透氣能力遠小于普通棉織物。這說明雖然三層或兩層Gore-Tex織物外層面料的織物結構、厚度、外觀形態(tài)以及有無內經編保護層上有較大的差異，但是在特定試驗條件下，其透濕量相差不大且具有強大的防風穿透能力。Gore-Tex復合織物的防風透濕性能主要取決于其自身PTFE膜，因此將其稱之為防風透濕面料是準確的。

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