PU濕法防水透濕涂層織物研發(fā)
國(guó)內(nèi)外防水透濕織物現(xiàn)狀分析
1．1防水透濕織物研發(fā)概況
防水透濕織物是紡織業(yè)不斷向高次發(fā)展獨(dú)具特色的功能性面料，具有防風(fēng)、保暖、防水、透濕、拒水等特殊功能。在過(guò)去幾十年中．聚乙烯、氯丁橡膠、聚氨脂等涂層織物已得到普遍應(yīng)用。盡管涂層織物服裝具有優(yōu)越的防雨防風(fēng)性，獲得完全的防水機(jī)能，但是由于大量汗液無(wú)法以蒸汽形式排出，在服裝內(nèi)部形成冷凝水，使人體有粘濕、發(fā)悶等不舒適感，在惡劣條件下甚至?xí)Y(jié)冰而凍傷，不能適應(yīng)野外活動(dòng)如部隊(duì)訓(xùn)練作戰(zhàn)、運(yùn)動(dòng)登山、滑雪等激烈運(yùn)動(dòng)的需要，因此美國(guó)、西歐、日本等經(jīng)濟(jì)、軍事發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視防水透濕織物的研究開(kāi)發(fā)，相繼開(kāi)發(fā)了各種防水透濕產(chǎn)品，并陸續(xù)在軍需裝備及惡劣條件下的防護(hù)裝方面應(yīng)用。國(guó)內(nèi)防水透濕織物的研究比較晚，水平低，迄今大多數(shù)是防水不透濕的，屬于低檔產(chǎn)品，防水和透濕成為一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，使穿著使用受到很大限制。1996年，山東科億達(dá)集團(tuán)公司全面調(diào)研分析了國(guó)內(nèi)外防水透濕織物的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)情，于1997年確定】，研究開(kāi)發(fā)聚氨脂濕法防水透濕涂層織物的方案，制定了10實(shí)施計(jì)劃。率先}進(jìn)先進(jìn)的濕法生生產(chǎn)線并獨(dú)獲該項(xiàng)設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)．在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有現(xiàn)成資料及經(jīng)驗(yàn)的情況下，我們組織科技人員在消化吸收的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)剖析樣品、分析論證、小樣試驗(yàn)、模擬生產(chǎn)等攻關(guān)階段，摸索形成了微孔涂層的原料配比、工藝流程、參數(shù)確定、性能均衡調(diào)節(jié)等一系列技術(shù)資料．為批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
1．2防水透濕織物的類(lèi)型
過(guò)去幾十年中已經(jīng)出現(xiàn)了多種既透濕叉防水的織物，概括起來(lái)可分為三種類(lèi)型。
1．2．1高密度織物
利用高支超細(xì)棉纖維和其它超細(xì)合成纖維制成緊密的織物，經(jīng)過(guò)熱處理和化學(xué)處理的高收縮．使纖維收縮為致密的組織，加上高度的拒水處理，使織物的組織具有透濕性和防水性。原理上當(dāng)織物被弄濕時(shí)，棉紗吸收膨脹，減少纖維間隔，這一閉孔機(jī)制同特殊防水處理，阻止了織物外面的水進(jìn)一步滲透，從而具有防水性。高密度織物的特點(diǎn)是透濕性好，但耐水壓較低(一般小于lm)，且織物密度大，紡紗必須采取特殊工藝，織布時(shí)斷頭多，次品率高，染整加工困難；織物撕破強(qiáng)力低，耐瞎擦性也較差。
1．2．2涂層織物可分為親水性涂層織物和微孔涂層織物兩種
親水涂層織物表面涂上一層完整的親水涂層，因此可以防水，但涂層膜聚臺(tái)物分子鏈中存在一連串能與水分子形成弱鍵的親水基團(tuán)，當(dāng)兩面濕度不同時(shí)，這些基團(tuán)就會(huì)使水汽分子從高濕度面向低濕度面遷移，透濕是一個(gè)“吸附擴(kuò)散解吸”的過(guò)程，改善織物透濕性。微孔涂層織物是一種遍布涂層的永久性微孔與通道系。如果微孔大孔徑約在23m或以下，那么織物就有防水能力，并且這種微孔結(jié)構(gòu)也是透濕的。層壓復(fù)合織物是運(yùn)用層壓技術(shù)把普通紡織面料與高新技術(shù)微孔薄膜產(chǎn)品的優(yōu)良性能復(fù)合于一體，取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分表現(xiàn)出差別化和功能化的時(shí)代特征，是目前防水透濕織物的主要發(fā)展方向近年來(lái)，美國(guó)高爾公司的Gore—Tex產(chǎn)品和荷蘭AKZO公司的Sympatex產(chǎn)品一直引導(dǎo)著防水透濕層壓織物市場(chǎng)，而且代表了所有“防水透濕的高水平
1．3防水透濕涂層織物的功能與應(yīng)用
防水透濕涂層織物是國(guó)際涂層產(chǎn)業(yè)的個(gè)功能性產(chǎn)品，具有防水、透濕、防風(fēng)、保暖、拒水的特殊功能，它可以散發(fā)體表汗氣，確保皮膚干燥，創(chuàng)造溫暖的服裝內(nèi)氣候。根據(jù)涂層織物具有的多功能性，它可以廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域：
●防水透濕性：制成雨具，如風(fēng)雪雨衣、釣魚(yú)服，制成運(yùn)動(dòng)服，如跑步服、登山服、滑雪服、部隊(duì)訓(xùn)練服、野外作戰(zhàn)服等
·防風(fēng)保暖性：制成防寒服、各種惡劣條件下的防護(hù)服，如冬季防寒服、出海服、油田作業(yè)服、極地考察服等。我們研制開(kāi)發(fā)的PU濕法防水透濕涂層織物經(jīng)國(guó)家棉紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，．德國(guó)、韓國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際同類(lèi)涂層產(chǎn)品的先進(jìn)水平。目前，公安部已經(jīng)用該產(chǎn)品制作警用多功能服，它輕便保暖、防雨擋風(fēng)、使用溫度范圍廣、一衣多用，受到好評(píng)。2Pu微孔涂層織物的防水透濕機(jī)理分析
2．1防水透濕涂層織物的基本要求究表明：防水透濕涂層織物必須滿足以下條件，才能適應(yīng)不同用途、不同惡劣條件下人們穿著時(shí)的理想效果
●具有較高的耐水壓，防雨雪浸入；
·透濕量高，保持在汗液蒸發(fā)量以上；
·具有較好的防風(fēng)保暖性，保持人體一定的體溫；
·具有一定的耐久性和耐水洗性從表1和表2可以看出，如果服裝的透濕量在300Og／m·d“上，就能保持穿著的舒適性。目前科億達(dá)PU微孔涂層織物的透濕量在400og／m·d以上。
2．1．2防水性
織物的防水性常以其能承受的水壓來(lái)表示，耐水壓越高，防水性越好。對(duì)于防水性指標(biāo)，不同用途有不同的要求美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)中防水產(chǎn)品的耐水壓低要求為1395mm水柱，日本自衛(wèi)隊(duì)雨衣的要求在1400mm水柱以上，因此Pu微孔涂層織物的耐水壓要求在2000mrn水柱以上，完全可達(dá)到有關(guān)規(guī)定防水性的另一個(gè)指標(biāo)是織物表面的拒水性，可通過(guò)有機(jī)硅或有機(jī)氟整理來(lái)達(dá)到?？椢锞芩圆粌H可以提高涂層織物的防水性，還可以使雨雪不致潤(rùn)濕織物表面，從而減少織物的增重科億達(dá)涂層織物的拒水度均可達(dá)到4級(jí)以上，并且耐久性?xún)?yōu)良防風(fēng)性透氣量是冬季服裝面料十分重要的功能性指標(biāo)之一，在有風(fēng)的情況下，用不易透氣的面料制作外衣，可防止衣服內(nèi)暖空氣外流和外界冷空氣的侵入，提高服裝的保暖率。國(guó)內(nèi)試穿經(jīng)驗(yàn)表明，冬服面料的透氣量對(duì)保暖值有明顯影響，尤其大風(fēng)環(huán)境中更是如此，透氣量超過(guò)3ml／cm·s時(shí)就失去防風(fēng)性能。為了在較大風(fēng)速下使冬季服裝保持8o左右的保暖率，根據(jù)ASTM方法平板保暖性試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，必須選取透氣量小于0，5ml／cm?！左右的涂層織物目前．科億達(dá)微孔涂層織物的透氣量實(shí)際為0．4ml／cm·s。
2．1．4耐久性
耐久性是要求上述各項(xiàng)性能在使用中受摩擦、拉伸等力學(xué)作用或洗滌仍能保持原來(lái)的效果。對(duì)于科億達(dá)微孔涂層織物而言，主要要求具有很好的剝離強(qiáng)度另外，耐久性還包括織物表面的耐久性拒水，低溫柔軟性等等。
2．2防水透濕涂層織物的防水透濕原理
防水透濕指水不能透過(guò)服裝而人體散發(fā)的汗液卻能以水蒸汽的形式通過(guò)服裝傳到外界。從字面上看，防水和透濕兩種功能是相互矛盾的，但是利用水蒸汽分子和雨水水滴體積之間的巨大差別就可以達(dá)到此目的。水蒸汽分子和雨滴直徑如表3從表3中我們可以發(fā)現(xiàn)，只要通過(guò)工藝控制使涂層膜的孔徑在幾個(gè)m或以下，就能阻止水滴通過(guò)而允許水蒸汽透過(guò)。濕法棘層是采用水中凝固法使織物上的涂層形成均勻質(zhì)密的微孔，微孔的尺寸控制在水滴和水蒸汽分子之間，約0．22Om，從而起到阻止水通過(guò)而允許水蒸汽通過(guò)的作用?？讖健⒖茁蕦⒅苯佑绊懣椢锏姆浪?耐靜水壓)透氣(透濕量)指標(biāo)，孔徑大、開(kāi)孔率高則耐靜水壓指標(biāo)低，透濕量高濕法涂層的透濕機(jī)理與PTFE層壓織物基本相同，但PTFE沒(méi)有極性，透濕完全靠微孔，而PU濕法橡層織物是一種極性高分子材料，透濕原理除依靠涂層面上的微孔以外，具有親水性的分子鏈段還可以傳遞水分子。因此，濕法涂層織物的防水透濕性主要是兩種機(jī)理：一是微孔機(jī)理；二是臺(tái)階機(jī)理，一個(gè)“吸附擴(kuò)散解吸”的過(guò)程。同時(shí)濕法涂層織物防水性的另一個(gè)指標(biāo)是拒水性，通過(guò)樹(shù)脂整理使織物表面獲得比水更小的表面張力，大約是水的t／8，使織物上的水滴會(huì)以水珠狀落下，而不會(huì)滲入織物。因此，濕法PU微孔涂層織物具備良好防水透濕性的必要條件：·水在微孔涂層膜表面的接觸角在120左右
·微孔膜的孔徑尺寸大于水單分子尺
度，而小于蒸汽分子的尺度，以保證氣態(tài)水在水蒸汽壓力差下，由高濕的服裝內(nèi)向低濕的外界環(huán)境擴(kuò)散，而在遭受雨淋時(shí)，液態(tài)水不能通過(guò)微孔。
·微孔膜的毛細(xì)輸送力具有從內(nèi)向外的方向性，要求外表面拒水而內(nèi)表面親水。防水透濕涂層織物工藝試驗(yàn)
3．1原材料選擇和配比
由于PU防水透濕涂層織物多用作運(yùn)動(dòng)服、休閑服等服裝面料，因此在基礎(chǔ)樹(shù)脂的選擇上我們選擇了超柔軟型多孔層性高分子樹(shù)脂?？紤]到，軟質(zhì)型一般加工時(shí)易導(dǎo)致粘連問(wèn)題，我們進(jìn)一步優(yōu)選了低粘連性樹(shù)脂，使產(chǎn)品獲得了與天然皮革相同的低彈性柔軟手感，并解決了表面粘連問(wèn)題。在濕法加工中必須使用由水溶性溶劑調(diào)成的PU樹(shù)脂，若使用像干式加工中所用非水溶性溶劑的混合型，加工起來(lái)就十分困難，達(dá)不到理想的透濕性。因此，理想的溶劑就是DMF，而且純度≥99．9。在整個(gè)濕法加工中，重要的是如何調(diào)整多孔層單晶的形狀和大小。微孔的孔徑大小、孔徑分布和開(kāi)孔率直接影響織物的防水性、透濕性和防風(fēng)保暖性能?？讖皆龃?，耐水壓、防風(fēng)保暖性能下降，透濕性提高，孔徑分布越寬，耐水壓、防風(fēng)保暖性能下降，透濕性提高。適宜的孔徑好在0．2～0．5,urn范圍內(nèi)，開(kāi)孔率好為45～90一般單晶的形狀受多種因素、條件(例如配合液中樹(shù)脂濃度、粘度、凝固槽的溫度及組成，還有添加劑等)影響而發(fā)生微妙的變化，因此要制造出微孔合理、表面平整光滑、無(wú)卷曲的涂層皮膜織物，必須考慮以上各因素的影響，再設(shè)定使用條件，使用比例。
3．1．1配合液中樹(shù)脂濃度
如果樹(shù)脂濃度低，相反相當(dāng)于DMF的濃度高，這樣DMF在水中被置換的空間增加，所以多孔性涂層膜的密度變小，單晶形狀變大，透濕性高。通過(guò)不同濃度下的對(duì)比試驗(yàn)，我們終選定了兩種不同工藝流程下的佳涂布濃度。
3．1．2配合液粘度
凝固過(guò)程中水向PU濕式層浸入與DMF從濕式層中向水中的擴(kuò)散是同時(shí)和協(xié)地進(jìn)行。一般，配合液粘度高，前者的速度慢，所以厚度減少，單晶有變小的傾向，耐水壓、防風(fēng)保暖性能好，透濕性下降，因此，粘度保持一致對(duì)質(zhì)量的穩(wěn)定有一定影響
3．1．3添加劑
在濕式加工中，如果將PU樹(shù)脂單用DMF稀釋之后使用的話，這樣很難得到表面平整光滑、微孔大小、形狀大體均勻一致的涂層皮膜。在實(shí)際加工中，要加一些添加劑，以此來(lái)緩解聚合物之間的較強(qiáng)聚集力，同時(shí)也能緩和初期的DMF急劇擴(kuò)散和水的急劇滲入，使凝固過(guò)程緩慢進(jìn)行。由此可知，濕法生產(chǎn)中漿料的配方及比例是為關(guān)鍵的技術(shù)因素，在大量小樣中試試驗(yàn)中，通過(guò)計(jì)算、對(duì)比分析、模擬了多種配合比例，不斷改變添加劑、溶劑及助劑的種類(lèi)、加入量，然后對(duì)每種配方的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的透濕性、透氣性、耐水壓等指標(biāo)測(cè)定，然后進(jìn)行對(duì)比分析研究，終根據(jù)不同的功能要求及工藝流程找到了合理的配合。
3．2涂層織物生產(chǎn)工藝流程與技術(shù)要求在確定原料及配比基礎(chǔ)上，確定合理的工藝流程及參數(shù)對(duì)保證產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本有十分重要的作用在試制中，通過(guò)理論分析，實(shí)踐總結(jié)，設(shè)計(jì)了幾條工藝路線，這些路線在工藝及參數(shù)的主要方面是一致的，但根據(jù)基布、原料配合的不同在一些細(xì)節(jié)上存在著差異，因此我們根據(jù)防水透濕涂層織物布料纖維、組織結(jié)構(gòu)的不同和應(yīng)用領(lǐng)域性能要求不同，將濕法加工的流程分為以下兩種：
·加工流程一
(1)工藝流程配料t織物檢驗(yàn)一前拒水整理一濕法輥涂一凝固水洗一干燥一耐久性后拒水處一打卷一檢驗(yàn)一包裝
(2)主要工藝參數(shù)及要求面料：根據(jù)用戶要求選擇適當(dāng)?shù)拿媪?，須使用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一等品。前拒水整理：主要防止樹(shù)脂過(guò)多滲入織物使手感變硬或透腔。一般采用有機(jī)氟防水劑，處理蔽濃度根據(jù)基布的不同作用相應(yīng)調(diào)整。濕法輥涂：刀距一般為基布+250~m，上膠量150～18og／m，配合液粘度(120009-1000)cps／25C。凝固組成：溫度20～30℃DMF濃度(10±2)。水洗：40～60℃分階段升溫，后水洗槽DMF濃度0～1％干燥：80～120"C，先采取滾筒預(yù)干燥再熟化熱定型干燥后拒水處理：主要是使產(chǎn)品具有持久的拒水性和耐水洗性，并相應(yīng)提高其耐水壓。
·加工流程二
(1)工藝流程14配料t織物檢驗(yàn)一前拒水整理一濕法刮涂一預(yù)凝固一千燥一濕法輥涂一十配料凝固水洗一干燥一耐久性拒水處理一打卷一檢驗(yàn)一包裝
(2)主要工藝參數(shù)和要求面料：同加工流程一前拒水處理：防止涂層時(shí)產(chǎn)生蕊吸效應(yīng)，樹(shù)脂過(guò)多滲入織物使手感變硬，并使涂層連續(xù)完整，采用有機(jī)氟防水劑，處理液濃度為3，拒水度達(dá)到70～8O。濕法刮涂：主要為提高涂層織物的剝離強(qiáng)度，提高耐水壓，同時(shí)使織物手感柔軟。上膠量25～30g／m，配臺(tái)液粘度10000～12000cps／25C。預(yù)凝固：水溫常溫DMF濃度<3干燥：滾筒熨平干燥，溫度100～110℃濕法面涂：刀距一般控制在基布原+(200~250)p．m，配合液粘度由于底涂后透濕度有所下降，所以粘度一般控制在(8000~500)cps／25C。其余工藝參數(shù)及要求同加工流程一加工流程一與加工流程二相比，前者對(duì)于提高涂屢織物的粘結(jié)強(qiáng)力是非常有效的并能使?jié)穹ㄝ佂繒r(shí)減少樹(shù)脂對(duì)紗線間的滲透，使涂層趨于表面成膜，提高涂層膜的平整光潔、手感柔軟性，但加工流程一在不強(qiáng)調(diào)剝離強(qiáng)度的情況下，使透濕度大化是有效的。
3．3涂層織物主要工藝參數(shù)的確定與控制工藝條件是執(zhí)行各工藝過(guò)程的重要內(nèi)容，它對(duì)產(chǎn)品的性能質(zhì)量有非常重要的影響，在PU濕法防水透濕涂層織物的試制生產(chǎn)中，主要的工藝參數(shù)有如下幾方面：前拒水前拒水主要是防止涂層時(shí)織物產(chǎn)生蕊吸效應(yīng)，保證涂層膜趨于表面使其連續(xù)完整，并使產(chǎn)品手感柔軟。影響前拒水的因素：(13防水劑種類(lèi)的選擇。對(duì)Pu涂層加工一般選擇初使效果良好的有機(jī)氟防水劑，且成本低。(2)處理液的濃度及劑絞率，采取加工流程一時(shí)，處理液濃度不能太高，太高涂層織物的粘附強(qiáng)力低，耐久性差；太低時(shí)，樹(shù)脂滲入織物內(nèi)部多，手感變硬甚至透膠，因此要多加注意(3)熱處理的溫度及時(shí)間。熱處理的溫度必須依照防水劑的熔點(diǎn)溫度來(lái)設(shè)定，并且防水劑顆粒的熔化需一定的時(shí)間，因此要嚴(yán)格控制．否則達(dá)不到理想效果。
3．3．2凝固溫度
一般，如果凝固槽溫度高，即大于30C，DMF抽出速度快，與此相反，水的浸入速度變慢，在其內(nèi)部聚合物的溶解狀態(tài)維持的長(zhǎng)，所以厚度減少，密度增大，微孔就變小，透濕性下降。并且當(dāng)樹(shù)脂濃度低時(shí)，囤配合液自身粘度低，由凝固槽溫度所決定，密度不太變化．但單晶微孔形狀則困凝固槽溫度高而變得粗糙，這些必須注意。
3．3．3凝固槽的組成
在濕法加工時(shí)，一般凝固槽內(nèi)使用水，但如果從DMF易回收方面考慮，我們采用DMF濃度1O～15％來(lái)凝固。
3．3．4水洗槽的溫度與組成
當(dāng)涂層織物進(jìn)入水冼槽時(shí)，樹(shù)脂層內(nèi)仍殘留著30的DMF，如果在這種狀態(tài)下直接干燥，那么殘留的DMF就會(huì)使涂層再次溶解，既破壞表面平滑性，又使透濕性能變壞。因此就要在水洗槽內(nèi)將殘留的DMF用強(qiáng)制的方法全部抽出(例如水洗高溫度擠壓輥反復(fù)擠壓)，否則就很難得到平整光滑的涂層表面．因此后水洗槽濃度必須控制在0～1之間。在工藝參數(shù)設(shè)定上溫度在4O～60C，并且要分階段升溫，防止溫差過(guò)大，使微孔遇熱急劇收縮影響透濕性，另外從較低溫度進(jìn)入較高溫度的較大溫差也是造成手感不好的原因之一，因此要注意溫度。
3．3．5干燥溫度
從水洗槽出來(lái)的涂層織物，接下來(lái)就是下燥，在干燥前必須使DMF的殘留量越少越好．一般要求在濕膠膜中DMF的存留量控制在3以下，否則干燥時(shí)會(huì)使樹(shù)脂再次溶解，破壞透濕量，增大表面粘連性。
3．6后拒水處理
產(chǎn)品的后拒水處理主要目的是使產(chǎn)品具有持久的拒水性，并相應(yīng)提高耐靜水壓。在防水劑種類(lèi)選擇上我們選擇了日本的碳氟樹(shù)脂防水防油劑，但碳氟樹(shù)脂在纖維上整理較困難，涂層織物的拒水性不耐摩擦和水洗，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)通過(guò)使用一種媒介劑及催化劑來(lái)連接纖維和碳氟樹(shù)脂，成功地將拒水劑牢牢地固定在纖維上，解決了不耐摩擦和水洗的問(wèn)題，產(chǎn)品具有耐久的拒水性
結(jié)語(yǔ)
防水透濕涂層織物屬防水涂層織物系列產(chǎn)品，其突出的優(yōu)點(diǎn)在于具有防水并能透出悶熱的汗氣。解決了防水與透濕這對(duì)不可調(diào)和的矛盾，它有其它涂層產(chǎn)品所沒(méi)有的透濕性、拒水性、柔軟性、豐滿性、表面高檔等特點(diǎn)．增加了附加值。防水透濕涂層織物屬功能性面料，具有防風(fēng)、防水、防寒、保溫、透氣、透濕、離水、手感柔軟等多方面性能集于一體的高擋面料。在發(fā)達(dá)國(guó)家也是運(yùn)動(dòng)裝、休悶裝和特種功能服裝的首選面料。該產(chǎn)品填補(bǔ)了我國(guó)防水透濕中高檔產(chǎn)品的一項(xiàng)空白，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)效益。sfrwgtrhtyy
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