水性微孔型防水透湿膜的开发及在羽绒服面料中的应用_罗耀发.pdf

本期特稿Special Feature30纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2作者简介：罗耀发，男，1983年生，高级工程师，主要研究方向为涂层材料与涂层技术。作者单位：福州大学先进制造学院、龙之族（中国）有限公司。文|罗耀发Abstract:The paper introduces the waterproof and moisture-permeable mechanism,performance characteristics,and preparation process of the self-developed water-based microporous waterproof and moisture-permeable membranes,highlights the advantages and characteristics of related application in down jacket fabrics and finally provides an outlook on its future development trend.Key words:waterproof and moisture permeability;mechanism;preparation process;development trend水性微孔型防水透湿膜的开发及在羽绒服面料中的应用防水透湿纺织品广泛应用于滑雪服、冲锋衣、航海服、军警夹克、雨衣、背包、帐篷以及鞋类等。目前，纺织品市场上的防水透湿膜主要有亲水无孔膜和疏水微多孔膜两大类。其中亲水无孔膜因具备规模和成本优势，约占防水透湿膜市场份额的80%以上，但是其透湿性较差，不适合在高端纺织品上应用。疏水微多孔膜包括聚四氟乙烯膜（PTFE）、湿法微多孔膜、干法微多孔膜和静电纺丝纳米纤维膜等。采用正杯法测试时，疏水微多孔膜的透湿性较好，但是成本普遍偏高。其中，PTFE膜中因含有影响环境的PFC（全氟化合物），将逐渐被停止使用；普通的干法和湿法微多孔膜虽然能形成很好的微孔效果，但其加工过程需要使用大量的有机溶剂，对环境污染较大，而且溶剂残留在纺织品上也会影响消费者的健康；静电纺丝纳米纤维膜具有可调节的孔隙结构、易于调节的润湿性和良好的孔隙连通性，在制备防Development of Water-based Microporous Waterproof and Moisture-permeable Membranes and Related Applications in Down Jacket Fabrics摘要：文章介绍了自主开发的水性微孔型防水透湿膜的防水透湿机理、性能特点以及制备工艺，重点介绍了其在羽绒服面料上的应用优势与特点，最后对其未来发展趋势进行了展望。关键词：防水透湿；机理；制备工艺；发展趋势中图分类号：TS195.5 文献标志码：A水透湿膜方面显示出巨大潜力，但是目前其产量较低、成本较高，难以满足市场需求。针对上述问题，本文采用物理发泡的方法开发了水性微孔型防水透湿膜，其环保属性强，可以满足不同环境下纺织品的透湿透气需求，同时保证人体的舒适性，为防水透湿膜的研发及其在功能性纺织品中的应用提供思考和借鉴。1水性微孔型防水透湿膜的防水透湿机理及性 能特点微孔透湿面料的防水透湿机理是在内衬材料和外层材料中间加工形成一层高分子聚合物薄膜，薄膜上面有大量细小且相通的微孔，水滴无法穿透，而水蒸气分子和空气则能通过气体的扩散和对流自由地通过微孔，从而达到防水透湿的功能。其核心技术在于制备出具有微纳孔结构的薄膜。水性微孔型防水透湿膜采用干法离型膜的方式制备膜卷材，由于自发泡树脂涂层烘干后形成微孔的大小和密度与膜的防水透湿性能密切相关，因此其核心技术在于自发泡改性水性聚氨酯树脂的制备。通过分子结构设DOI:10.16481/ki.ctl.2023.02.020本期特稿Special Feature31纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2计及采用特殊的乳化分散工艺，笔者所在课题组开发了一种具有优异防水性和附着力的具有自发泡功能的改性水性聚氨酯树脂，研制出分别适用于底涂层和面涂层的聚氨酯树脂的水性发泡体系。采用机械发泡（空气发泡）的方式进行涂层加工以获得具有微孔结构的高防水透湿膜，其扫描电镜照片如图 1 所示。从图 1 可以看出，薄膜表面形成了大小较为均一的泡孔，且泡孔是连通性的开孔结构，类似蜂窝状的弯道形的通孔结构，与传统直通开孔有很大不同，这种结构有助于耐静水压以及防风性能的提高等。根据其应用场景的不同，可以对微孔的大小、数量与密度进行控制，膜的透气率在 1 4 mm/s之间。图 1水性微孔型防水透湿膜的扫描电镜照片2水性微孔型防水透湿膜的制备工艺水性微孔型防水透湿面料的制备通常包括涂层和贴合两种工艺。常规的防水透湿涂层工艺为：备坯退浆染色水洗固色烘干中间检验防水轧光涂层成品检验包装；常规的贴合工艺为：备坯退浆染色水洗固色烘干中间检验防水贴合熟化成品检验包装。水性微孔型防水透湿面料一般采用 2 3 次“打底中层面层”的涂层工艺。根据涂布量的差异选择不同刀型来操作，通常打底采用微发泡的水性聚丙烯酸酯，中层采用自发泡的水性聚氨酯树脂，面层采用改性水性硅胶树脂或者适合热封的聚氨酯树脂，树脂种类根据织物风格和要求的不同进行选择。打底和中层是微孔制备的核心，因此自发泡水性聚氨酯树脂发泡体系的发泡比、泡沫稳定性、泡沫尺寸及分布是控制工艺的主要因素。不同配方与工艺参数涂层后的微纳孔结构决定了涂层织物的防水透湿性能。涂层织物的手感、悬垂性、涂层牢度及热封条的粘接性等与自发泡水性聚氨酯树脂有密切的关系。工艺要点如下：通过控制水性聚氨酯树脂的玻璃化温度，可以制备出柔软度不同的涂层织物；密度大的填料可以提高织物的悬垂性能；增加交联剂或者架桥剂可以提高涂层的牢度；热熔型水性面层树脂的热封粘接性更强。水性发泡树脂原料通常包括自发泡水性聚氨酯乳液、聚醚改性硅油、氨水、乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇、乙二醇、催化剂、交联剂、聚乙二醇6000双硬脂酸酯和缔合型增稠剂，通过控制水性发泡树脂的成分组成和发泡比，使水性发泡树脂中形成均匀分布的气孔和气泡，通过涂层工艺涂刮在织物或者基材表面，烘干后制得的水性微孔型防水透湿织物具有防水、透气和透湿的功能。直接将材料涂刮于织物的方式较为简单，也能达到一定的防水透湿效果，但是需要根据织物的不同，选择不同的涂布量和涂布工艺，且涂层表面由于受织物纹路的影响较为粗糙，随着客户对胶面平整性和面料手感的要求逐渐提高，直接涂刮的方式已不能完全满足客户的需求。采用转移涂层工艺的织物手感细腻平整且性能更加稳定。转移涂层工艺，即先将涂层材料通过离型膜拉膜后采用贴合的方式与织物结合。首先通过空气发泡的方式将发泡倍率可控的水性发泡树脂施加于具有反复离型能力的耐高温离型膜上，将预先打底处理的织物与该薄膜进行贴合，剥离后生产出性能优异的防水透气透湿织物。中层和面层的水性发泡树脂也是预先施加于离型膜上，成膜厚度均匀，微孔尺寸可控制，防水透湿性能稳定，从离型膜上转移的防水透气膜手感细腻，能满足消费者对面料手感的要求，工艺易控制，重现性好。水性微孔涂层拉膜工艺如图 2 所示，该工艺不仅解决了溶剂污染的问题，还降低了面料的生产成本，工艺稳定，能形成大批量生产。图 2水性微孔涂层的拉膜工艺笔者所在课题组制备的水性微孔型防水透湿膜的贴合工艺如图 3 所示。因微孔型防水透湿膜表面有无数的微多孔，易导致热熔胶渗透到膜里面，使得膜表面的热熔胶较少，从而导致膜的贴合牢度变差。同时，对于贴合胶水的种类以及上胶量需要做精心选择和测试，因为上胶量容易导致耐静水压和透湿透气性的波动。因此，采用热熔胶的贴合工艺与常规的贴膜有很大的差异，需要制定特殊的贴合工艺。100 m20 m0.4 m2 m 1.0 2.0 1.0涂层2.0涂层离型膜烘干焙烘收卷备用本期特稿Special Feature32纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2图 3水性微孔防水透湿膜的贴合工艺3水性微孔型防水透湿膜在羽绒服面料中的应用以下对水性微孔型防水透湿膜在羽绒服面料上的应用优势进行总结分析。3.1透湿透气性通常为了提高羽绒服的防风性和保暖性，往往忽略了其透湿透气性。其实冬天运动时，人体很容易出汗，如果水汽不能及时排出体外，会使体温迅速下降而导致人体失温。水性微孔防水透湿透气面料具有极高的透湿透气性能，采用正杯法测试时其透湿量达到5 000 6 000 g/（m224 h）（参照GB/T 12704.1 2009纺织品 织物透湿性试验方法 第 1 部分：吸湿法），时刻保持身体的干爽舒适。3.2防水性水性微孔型防水透湿膜的微孔形状类似于蜂窝状，非直通孔状结构，在基本不影响其透湿性的情况下，膜的防风性能较好。通常微孔型防水透湿透气面料在后整理前也会进行防泼水处理，使面料表面具有很好的防水效果，静水压达到1 300 mmH2O以上（参照GB/T 4744 2013纺织织物 抗渗水性测试 静水压试验）。羽绒服表面的雪花融化后，不易渗透，甚至运动员摔倒后，雪水也不易渗透。3.3防钻绒性羽绒服缝线位置的钻绒现象是行业的一大难题，也是消费者投诉最多的羽绒服质量问题（图 4）。当给羽绒服施加外力时如折叠羽绒服或者背靠椅子时，绒包里的空气只能从缝线位置往外挤压，把大量的羽绒挤到缝线位置，迫使缝线位置气体压力加大，造成钻绒现象。而采用水性微孔防水透湿透气面料的羽绒服，因面料本身存在透气性，当受到外力时，缝线位置的气体压力并不大，气体能通过膜上面的微孔与外界进行交换，从而避免缝线钻绒现象。3.4保暖性将两个填充羽绒的绒包（缝线位置用热熔胶密封处理）同时压缩，8 s后绒包的回复情况如图 5 所示。从图 5 可以看出微孔透气绒包很快回复到了原来的形状，而不透气绒包仍然处于压缩状态，难以回复。蓬松度是表征羽绒服保暖性的重要参数，一般蓬松度越高，保暖性越好。但是蓬松度再高的羽绒，被裹入不透气的面料里，也很难达到预期的蓬松度。水性微孔防水透湿透气面料应用在羽绒服中能间接提高羽绒的蓬松度，进而增强羽绒服的保暖性，应用前景巨大。图 5压缩后绒包的回复情况3.5耐低温性据媒体报道，有消费者穿上某品牌羽绒服在冬季寒冷的东北地区，揉捏羽绒服后会出现类似薯片的嘎嘣脆声音。这主要是由于这些羽绒服面料中的涂层或膜层是不耐低温的高分子材料，在低温下容易变脆，从而发出声音。严重时，涂层或膜层容易脱落致使面料受损。水性微孔型防水透湿透气面料采用水性聚氨酯材料，耐低温性能好，50 时其物理性能仍然不会发生变化，非常适合在严寒地区使用。4结语据了解，运动品牌如安踏、匹克、361和乔丹等相继使用了微孔型防水透湿透气面料，如安踏童装的蜂护科技系列（图 6），羽绒服品牌波司登也在小批量试用微孔型防水透湿膜产品。微孔型防水透湿透气面料优点总结如下：具有防风雨功能，可以免遭雨水浸湿，同时也避免冷风穿透身体；具有保暖效果，避免体表温度迅速下降；轻盈、高效透气，让身体时刻保持干爽，同时减轻运动负担；适应多种环境，可作为全年户外的经典穿搭。防水透湿面料在国内已发展几十年，但是在材料品图 4羽绒服缝线钻绒现象水性微孔透气绒包不透气绒包 基布膜热熔胶成品布离型膜收卷熟化本期特稿Special Feature33纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2种和工艺上并未有很大的突破和改变。与传统溶剂型微多孔膜及价格昂贵的防水透湿微孔层压膜相比，水性微孔型防水透湿膜具有微纳孔结构，透湿透气性良好，加工工艺成熟且无溶剂残留，适用于羽绒服和户外服装面料，未来也必将大规模应用于各类纺织服装中。除了在纺织服装领域的应用，水性微孔型防水透湿膜在其他领域如运动鞋材、婴儿尿不湿、防护服、口罩上代替熔喷布的阻隔层等也有应用。尽管水性微孔型防水透湿膜已经得到了较快发展，但是在膜本身的性能以及应用上还有较大的提升空间。通过更好地控制微孔结构来达到膜防水性和透湿透气性之间的平衡，在碳达峰碳中和背景下寻找和采用生物基材料和生物可降解材料作为膜的原材料，进一步拓宽其在纺织领域的应用是未来需要重点关注的方向。参考文献1 KANG Y K，PARK C H，KIM J，et alApplication of electrospun polyurethane web to breathable water-proof fabricsJFibers and Polymers，2007，8（5）：5645702 NGUYEN-TRI P，TRAN H N，PLAMONDON C O，et alRecent progress in the preparation，properties and applications of superhydrophobic nano-based coatings and surfaces：A reviewJProgress in Organic Coatings，2019，132：2352563 MUKHOPADHYAY A，MIDHA V KA review on designing the waterproof breathable fabrics part I：Fundamental principles and designing aspects of breathable fabricsJJournal of Industrial Textiles，2008，37（3）：2252624 SAVE N S，JASSAL M，AGRAWAL A KSmart breathable fabricJJournal of Industrial Textiles，2005，34（3）：1391555 WU J，WANG N，WANG L，et alUnidirectional water-penetration composite fibrous film via electrospinningJSoft Matter，2012，8（22）：599659996 GUO F，GUO ZInspired smart materials with external stimuli responsive wettability：A reviewJRSC Advances，2016，6（43）：3662336641图 6水性微孔型防水透湿膜在服装品牌中的应用 USTER EVS FABRIQ SHADE 织物色差检测仪 色泽一致 没有妥协染色织物的布卷从头到尾，从一侧到另一侧，以 及同一批次不同卷之间每次都是完美的色泽。织物色泽一致是织物生产商经常头疼的问题。USTER EVS FABRIQ SHADE织物色差检测仪 持续监控色调变化，没有色差，没有次品，保 证了最佳的客户满意度。USTER EVS FABRIQ SHADE织物色差检测仪 有这样的技术：横向分光光度计和复杂的信 息处理功能。无需剪切织物，从而节省了成本。该系统持续控制色调变化，并自动规划优化 织物产量。USTER EVS FABRIQ SHADE织物色差检测仪 当对颜色要求苛刻时请扫码关注我们1774_USTER_UEFS_Ad_cn_97x297.indd 123.05.19 15:54