多孔綿材料層對防水透濕復合織物性能的影響

崔俊杰， 徐旭凡， 馬 輝

(嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001)

多孔綿材料層對防水透濕復合織物性能的影響

崔俊杰， 徐旭凡， 馬 輝

(嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001)

為開發(fā)新型防水透濕保暖型層壓復合織物，選用多孔綿、熱塑性聚氨酯(TPU)薄膜，以機織物為面層，搖粒絨為基材，利用濕固化聚氨酯熱熔膠(PUR)黏合劑，通過2或3次層壓復合試制系列復合織物樣品。觀察并分析了含多孔綿材料層復合織物橫截面形貌結構，研究了多孔綿材料對層壓復合織物防水、透濕、保暖等主要功效的影響，同時分析了多孔綿膜層壓復合織物的剝離強度。結果表明，所制備的多孔綿膜層壓復合織物在防水、透濕、剝離強度等基本不變的情況下，保暖率提高了30%左右，基本解決在極地寒域服裝面料保暖性能不足的問題。

多孔綿； 熱塑性聚氨酯薄膜； 層壓復合織物； 保暖性能

防水透濕織物的種類繁多，按照制作工藝的不同大體可分為3類：高支高密織物、涂層織物和層壓復合織物[1]。傳統(tǒng)高支高密織物透濕量較大，手感較好，但抗?jié)B水性能普遍較低[2]。而涂層類織物雖然具有優(yōu)異的防水、防風、保暖效果，但透濕性能較差，制成的服裝穿著后有冷凝感，降低了舒適性[3]。目前國際市場較受歡迎的產(chǎn)品是由層壓復合織物制成的防水透濕類服裝[4]。

層壓復合織物是將具有拒水功能的微孔薄膜或親水薄膜，采用2～3層或多層的方式與纖維織物通過膠黏劑進行復合從而達到不同要求的防水透濕性能[5]。其中最具代表性的是GORE-TEX?織物，它是由美國杜邦公司于1969年研發(fā)的聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜，并在1976年獲得注冊商品名[6]?？椢锏姆浪笣裥阅苤饕Q于高聚物薄膜，目前高聚物薄膜主要有微孔PTFE膜、親水TPU薄膜以及復合薄膜[7]。但這些薄膜結構性能沒有更多的突破，且加工復雜，成本高。

近年來靜電紡絲作為一種可以連續(xù)生產(chǎn)納米纖維的技術，其產(chǎn)品具有比表面積大，孔隙率高，孔徑小的特點，理論上可以實現(xiàn)防水透濕的功能，但是靜電紡膜與生俱來的低強力又妨礙了其商業(yè)化的應用。從現(xiàn)有薄膜去研發(fā)一種保暖性更好的層壓織物有一定的局限性[8-9]。

為獲得一種在極地寒域具有很好保暖性能的層壓面料，本文在里層、中間高聚物薄膜層、外層的基礎上，在中間層加入多孔綿柔性材料，制成復合層壓多孔綿織物，方法簡單，效果顯著。該復合層壓織物在不損害原有防水透濕性能的基礎上，大大提高了其保暖性，解決了在寒冷地域織物保暖性不足的問題。

1 實驗部分

1.1 材料及實驗儀器

多孔綿層材料(其主要成分為聚醚60%，甲苯二異氰酸酯40%)、全棉機織物、滌/棉(50/50)機織物、搖粒絨針織物，濕固化聚氨酯熱熔膠(PUR)黏合劑，嘉興正麒高新面料復合有限公司提供；熱塑性聚氨酯薄膜(TPU)，臺灣鼎基化學工業(yè)股份有限公司。

JSM-5600LV電子顯微鏡、YG141N型數(shù)字式織物厚度儀、YG50l型織物透濕試驗儀、LFY-217A織物靜水壓試驗儀、YG(B)606D型平板式保溫儀、PTl070型電子織物強力機等。

1.2 樣品制備

為了探究多孔綿材料層對復合織物保暖性能的影響，制樣時加工條件盡可能一致。選用表面平整的多孔綿層材料，面層機織物，熱塑性聚氨酯薄膜(TPU),里層針織搖粒絨為材料層，黏合劑為環(huán)保型濕固化聚氨酯熱熔膠(PUR)。表1示出復合織物樣品的加工條件。表2示出復合織物樣品的基本規(guī)格。

1.3 性能測試

1.3.1 形態(tài)表征

選用JSM-5600LV電子顯微鏡，觀察加入多孔綿與熱塑性聚氨酯(TPU)薄膜前后材料的橫截面結構。

表1 復合織物樣品加工條件Tab.1 Processing conditions of composite fabric samples

表2 復合織物樣品基本規(guī)格Tab.2 Specification of composite fabric samples

1.3.2 保暖性能

按照GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能實驗方法》測試。每種復合織物隨機選取5個樣進行測試，得出其保溫率、傳熱系數(shù)與克羅值的平均值。保溫率大，傳熱系數(shù)小，說明織物的保暖性能較好。

1.3.3 防水性能

根據(jù)AATCC 127—2013《耐水性：靜水壓試驗》進行測定。測試時在試樣一面施加恒定速率增加水壓，直到另一面出現(xiàn)3處滲水為止。測試前將試樣放在溫度20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕實驗室平衡24 h。

1.3.4 透濕性能

根據(jù)ASTM E96—2000BW《材料的水蒸氣滲透性標準試驗方法》(溫度23 ℃，相對濕度50%，風速0.02～0.3 m/s)進行測試；未加入TPU薄膜樣品主要通過孔隙透濕，參照ASTM E96/E96M—2010《材料的水蒸氣滲透性標準試驗方法》正杯法測試(溫度為37.8 ℃，相對濕度為90%，風速為0.02～0.3 m/s)。

1.3.5 剝離強度

根據(jù)ISO 2411—1992《橡膠或塑料涂覆織物涂層粘合強度的測定》進行測試。在標準測試條件下，設定牽引力夾持器的運行速度為100 mm/min。夾距為100 mm，將黏合后寬2.5 cm、長25 cm的布條留出5 cm剝離部分在剝離機上進行剝離。

2 結果與分析

2.1 多孔綿復合織物橫截面結構

圖1示出層壓復合織物的橫截面結構。圖1(a)未加入多孔綿材料層，由TPU薄膜與復合織物里層搖粒絨組成。圖1(b)為TPU膜與多孔綿材料層之間的橫截面結構。

從圖1可以看出，加入多孔綿材料層的復合織物橫截面擁有較大的空隙部分，從而使得多孔綿膜復合織物擁有更多的靜止空氣，而靜止空氣導熱系數(shù)為0.026 W/(m2·℃)，在紡織纖維材料中數(shù)值較小，即具有很好的隔熱性能[10]；另一方面多孔綿材料層位于TPU無孔膜與里層之間流動的空氣難以進入服裝與人體之間。因此，多孔綿層材料為復合織物具備極好的保暖性能提供了基礎，確保在人體與服裝之間形成理想的微氣候，提高人體在寒冷惡劣環(huán)境中的保暖舒適度。

2.2 多孔綿對復合織物保暖性能的影響

復合織物樣品保暖性能測試結果如表3所示。為了探討多孔綿層材料對復合織物保暖性能的影響，實驗過程制備了4塊對照樣品，A1、A2、A3復合織物樣品，表層、里層的材料完全相同，中間層分別為TPU薄膜、全棉機織物、多孔綿材料層。B1樣品為滌/棉混紡織物/TPU膜/多孔綿/搖粒絨4層，經(jīng)過3次層壓加工而成。

表3 復合織物樣品的保暖性能Tab.3 Heat retention of composite fabric samples

由表3可知，加有多孔綿材料層復合織物樣品A3，其保暖性能大大高于未加入多孔綿材料的樣品A1、A2，提高了30%左右。而樣品B1與樣品A3比較，增加了TPU薄膜層，而克羅值僅從0.56增加到0.62，也說明多孔綿材料對復合織物保暖性能的貢獻。顯然這是因為多孔綿材料結構空隙多，密度小，比表面積大，孔隙中儲存有大量的靜止空氣，為提高復合織物的保暖性能創(chuàng)造了條件。而熱塑性聚氨酯(TPU)薄膜，表面致密，不存在空隙，防風性好，因此在戶外寒冷區(qū)域使用，加有TPU薄膜、多孔綿的復合織物是理想的防風保暖面料。

2.3 多孔綿對復合織物防水透濕性能的影響

復合織物樣品防水透濕性能如表4所示。

表4 復合織物樣品防水透濕性能Tab.4 Waterproof and moisture permeation of composite fabric samples

由表4可知，樣品A1、B1復合織物中均加有熱塑性聚氨酯TPU薄膜，表現(xiàn)出很好的防水性能，未加入TPU薄膜的復合織物樣品A2、A3幾乎不具有防水性能。而樣品A1、A2、A3、B1均呈現(xiàn)出良好的透濕性能。表明復合織物的防水性能主要取決于TPU薄膜，TPU薄膜是由單一組分的共聚物構成，由硬鏈段和軟鏈段沿著大分子鏈交替排列。硬鏈段部分疏水，阻止水滴通過，起到防水作用。而軟鏈段部分表現(xiàn)出親水性，可以和水分子作用借助氫鍵和分子間的作用，在水汽濃度較高的一側(身體部位)吸收水分子，凝結到薄膜表層并溶解，繼而在濃度梯度推動下向薄膜內(nèi)移動，再從薄膜另一側表面蒸發(fā)即通過吸附-擴散-解吸過程達到透濕效果[11-12]。多孔綿層材料不具備防水性能，但具有很好的微孔透濕性，表4顯示均在7 300～7 800 g/(m2·24 h)之間，差距不大。透濕過程是由微孔質(zhì)擴散、毛細管效應等多方共同作用的結果，因此多孔綿材料層對復合織物的防水、透濕性能影響不大。

2.4 多孔綿對復合織物剝離強度的影響

層壓織物的剝離強度是各層材料之間的結合牢度，它影響織物的使用效果。層壓織物剝離強度測試由層壓次數(shù)所決定。未加入多孔綿材料層，經(jīng)過2次層壓的滌/棉混紡織物/TPU薄膜/搖粒絨復合織物，其剝離強度分別為9.57、8.68 N/5 cm；加入多孔綿層材料，經(jīng)過3次層壓的滌/棉混紡織物/多孔綿層/TPU薄膜/搖粒絨復合織物，其剝離強度分別為11.02、10.46、9.21 N/5 cm。表明多孔綿層材料與TPU薄膜，多孔綿層與機織物纖維材料層之間剝離強度均較大。PUR濕固化熱溶黏合劑、多孔綿材料、熱塑性聚氨酯膜、面層滌/棉機織物、搖粒絨針織物纖維均具有相似的基團，各層之間主要通過化學鍵結合，因此剝離強度較大。另外多孔綿空隙多，彈性好，因此加入多孔綿層的復合織物剝離強度有所提高，完全能滿足所制服裝在極地寒域使用過程的要求。

3 結 論

1)加入多孔綿材料層的復合織物，其橫截面結構孔隙多，比表面積大，存貯的空氣含量多，有利于增加復合織物的保暖性，與同類復合織物比較提高30%左右。很好的滿足在極端寒冷地域滑雪、滑冰以及登山等戶外活動時舒適和安全的需要。

2)加3～4層多孔綿材料的復合織物，其防水、透濕基本性能主要由復合織物中的熱塑性聚氨酯薄膜所決定，多孔綿材料層對其影響較小，帶有多孔綿層壓復合織物的剝離強度稍有增加，織物面密度稍有增加，因此加入多孔綿材料層后，復合織物的基本性能沒有受到損害。

FZXB

[1] 陳麗華.不同種類防水透濕織物的性能及發(fā)展[J].紡織學報，2012，33(7)：149-155. CHEN Lihua.Properties and development trends of different kinds of waterproof and moisture permeable fabrics[J]. Journal of Textile Research, 2012，33(7)：149-155.

[2] LOMAX G R．The design of waterproof，water vapour permeable fabrics[J]．Journal of Industrial Textiles，1985，15(1)：40-66.

[3] YUN Jong Kook, YOO Hye Jin, KIM Han Do. Preparation and properties of waterborne polyurethane urea poly (vinyl alcohol) blends for high water vapor permeable coating materials[J]. Macromolecular Research, 2007, 15(1):22-30.

[4] 黃機質(zhì)，張建春.防水透濕織物的發(fā)展與展望[J].棉紡織技術，2003，31(2)：69-72. HUANG Jizhi, ZHANG Jianchun. Outlook and development of waterproof & moisture permeable fabric [J].Cotton Textile Technology, 2003，31(2)：69-72．

[5] VITALIJA Masteikaite, VIRGINIJA Sacevi Iene. A method for mobility estimation of textile-polymeric systems[J]. Fibers and Polymers，2010, 11(6): 869-876.

[6] PAINTER Chris J.Waterproof, breathable fabric laminates: a prospective from film to market place[J].Journal of Coated Fabrics,1996,26(10):107-130.

[7] 周宇,朱方龍.防水透濕復合膜的研究現(xiàn)狀[J].中國個體防護裝備，2013(1)：10-14． ZHOU Yu，ZHU Fanglong. Current situation of functional clothing waterproof and moisture permeable laminated film [J]. China Personal Protection Equipment, 2013(1)：10-14．

[8] JEONG W Y, AN S K.The transport properties of polymer membrane-fabric composites[J].Journal of Materials Science, 2001(36): 4797-4803.

[9 ] MANI Senthilkumar， SAMPATH M B， RAMACHAN-DRAN T. Moisture management in an active sportswear: Techniques and evaluation-a review article[J].Journal of the Institution of Engineers,2013,93(2):61-68.

[10] 于偉東，儲才元.紡織物理[M].上海: 中國紡織大學出版社，2002:12-15. YU Weidong, CHU Caiyuan. Textile Physics[M]. Shanghai: China Textile University Press,2002:12-15.

[11] YOON Boram, LEE Seungsin. Designing waterproof breathable materials based on electrospun nanofibers and assessing the performance characteristics[J]. Fibers and Polymers，2011, 12, (1): 57-64.

[12] WANG Haiyun, ZHOU Yuming, HE Man, et al. Effects of soft segments on the waterproof of anionic waterborne polyurethane[J].Colloid and Polymer Science,2015,29(3)：875-881.

Influence of sponge porous material on properties of waterproof and moisture permeable composite fabric

CUI Junjie, XU Xufan, MA Hui

(College of Materials and Textile Engineering, Jiaxing University, Jiaxing, Zhejiang 314001， China)

To develop a kind of waterproof and breathable heat retention laminated composite fabric, the waterproof and moisture permeable laminated composite fabrics were prepared from woven fabric, thermoplastic polyurethane (TPU)film, porous sponge, and polar fleece fabric as basic materials, with moisture-curable polyurethane hot-melt adhesive by laminating 2 or 3 times. The micro-morphological structure of the laminated composite fabrics were observed and analyzed, and influencing factors on waterproof, moisture permeable, peel strong performance and warmth retention property were studied. It was obvious that the waterproof and moisture permeable and peeling strength laminated composite fabrics with porous sponge were slightly reduced but the warmth retention ratio was greatly increased by about 30%. And the solution to insufficiency of the heat retention property of the laminated composite fabric using in extremely cold environment region was substantially solved.

porous sponge; thermoplastic polyurethane film; laminated composite fabric, heat retention property

10.13475/j.fzxb.20150803604

2015-08-19

2016-03-30

2016年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目(2016R417028)；嘉興學院2015年度校級重點SRT計劃項目(851715069)

崔俊杰(1994—)，女， 本科生。研究方向為復合織物設計。徐旭凡，通信作者， E-mail：xufanx@126.com。

TS 195.2； TQ 323.8

A