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行业新闻

聚氨酯防水透气涂层织物的进展

聚氨酯防水透气涂层织物的进展
新型纺织品向人们提供各种优异的服用功能,防水透气织物就是其中之一.防水透气织物也叫防水透湿织物,国外又称“可呼吸织物”.消费者可以指望穿在身上的外衣,既能防雨防凤,又能排汗、透气、穿着舒适.这类织物从根本意义上不同于传统意义上的‘雨衣”.实际上,有些品种巳经开始受到时装界的青睐[5].其主要特征是能够较快地将人体形成的汗液、汗汽蒸发排出,避免在衣服内凝结,保持服用者干爽、温暖的感觉.国外有人曾对获得了人在运动时的大致出汗量作了研究.服装透气性低于人体出汗量时,人就有闷热感.因此,透气性大小是衡量织物服用舒适性的重要指标,特别是运动服.

防水透气织物首先被开发用在军服、防护服的生产,现在巳广泛用于运动服、旅行包、帐篷等的制造.国际市场上对这类面料的需求逐年增加,1996年产量巳达6700万平方米[1],国内这类产品也正在开发中.


1.1高密度织物
采用超细纤维(细度小于1dtex)紧密织造,使纱线间隙小到不允许水滴通过,有些纱线,遇水膨胀,间隙会变得更小.然而对于直径仅为万分之四微米的水蒸汽分子,通道却是足够宽敞了,从而达到防水透气的目的.
1.2簿膜层压
此工艺是将具有防水透气功能的薄膜,通常是微孔簿膜,采用特殊的粘合剂,层压或粘接到各类织物上,获得防水透气的效果[3]。聚四氟乙烯微孔薄膜复合织物即属此类,笔者也研究开发成功。
1.3织物涂层
将被加工的织物,用直接或转移涂层工艺涂布,涂层封闭织物表面孔隙,获得防水性。其透气性,则是通过成形过程中在涂层内部形成的大量微孔,或亲水性“分子梯级通道”而获得[2].

上述方法都巳得到应用。但加工成本都较高,性能也有待不断改善。80年代后期,采用聚氨酯材料(PU)制成的涂层或薄膜的研究异常活跃,新工艺、新品种不断面世,引起世界各国的广泛关注。采用聚氨酯防水透气材料,除可获得满意的防水透气性外,其优异的弹性、耐寒性以及滑润的手感,特别是相对低的加工成本,深受消费者和生产厂家的青睐,发展前景广阔,科技含量及附加值高,国外已有十几个品牌。国内研究虽尚属起步,但极有发展前途。


2具有防水透气功能的聚氨酯
按获得透气性机理的不同,聚氨酯涂层织物或薄膜层压织物可分为以下几类。
2.1微多孔聚氨酯
其防水透气机理是依靠成膜时形成大量的微孔.这些孔隙小于2?m,能阻止水滴(平均直径100?m),却允许水蒸汽分子(平均直径为0.0004?m)通过[5],从而获得防水透气性。成膜方式有以下三种。
2.1.1湿凝聚法
最早由美国杜邦(DuPont)公司研制成功[6],采用水凝聚以形成微多孔聚氨酯膜.较流行的做法是,将聚氧化丁烯二醇(PBA)/4,4-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)/1,4丁二醇,或PBA/4,4-二环己烷基二异氰酸酯(H12MDI)/1,4-BD,按摩尔比1:3:2,制成聚氨酯树脂的有机溶液,如二甲基甲酞胺(DMF)溶液。成形工艺是:将此溶液在织物上涂层,通过水浴浸水,水与二甲基甲酞胺能很好相溶,但水不是PU的溶剂,通过双向扩散,水不断从树脂溶液中萃取出溶剂二甲基甲酰胺进入水相,同时水则进入PU涂层膜中使聚氨酯逐渐由溶解状态转变为凝胶状态,最后产生聚氨酯固体沉淀而成膜。在形成皮膜的过程中,由于凝固相脱液收缩,在涂层膜中形成大量相互贯通的指状或蜂窝状多孔结构,孔隙直径在0.5?m~2?m之间,表面孔径0.5?m左右[8]。该工艺的加工成本低于Gore-Tex的一半,透湿性可达到约4000g/m2·24h,耐静水压约200cm。这类产品已被世界知名的运动服生产厂家如Nike,Puma,Adidas,Umbro等采用[8]。具有代表性的品牌有日本东丽(Toray)公司的“Entrant”,美国Burlington公司的“Ultrex”,英国NylaPenn公司的“Tarka”等[9]。
同这类方法类似的还有盐凝聚法,即将PU乳液涂布,加盐使其破乳沉积,也可形成微多孔膜.采用这一工艺的有英国Stahi(ICI)/NL公司的Permutex,英国Porvail/GB生产的Porelle薄膜[10]。
2.1.2油包水W/O乳液法(又称干法)
将聚氨酯树脂的有机溶液(如甲苯/丁酮),加入水中制备W/O乳液,然后在织物上涂层,在不同温度下蒸发,水在涂层中的比例不断提高,当达到一个临界值时,聚氨酯则以多孔形式析出,并形成大量微孔。透气性约4000g/m2·24h。但加工过程中有溶剂挥发,防水性可达2.45×105Pa(2500mmH2O)[11].此工艺简单,在普通涂布机上即可进行,但易环境污染是其主要缺点。采用这种方式的有比利时UCBSpecialChemicials公司的Ucecoat2000(s)[11],日本东螺公司以二甲基甲酰胺/对苯二甲酸二丁酯作为溶剂也获得成功[2]。
2.1.3泡沫涂层法
这种加工方式采用在聚氨酯树脂中加入阴离子或非离子表面活性剂,在聚氨酯形成过程中,另加发泡剂(如酸和水)以最终形戍泡沫状PU,得到校粗糙的气固两相晶胞结构,再经压破,形成孔隙。这种加工可获得较高的透气性,但防水性不够好,Pfersee(Ciba)公司开发的Dicrylan系列,即为这类产品[10]。
2.2聚氨酯无孔薄膜

这是一种防水性好,又具有透气性的加工方式。透气性机理明显不同于微孔薄膜。其采用聚氨酯材料中含有一定量的亲水性基团,这些基团首先以氢键形式“捕获”人体散发的水蒸汽分子,由于PU大分子链段的热遣动,形成瞬时孔隙,并加上内外水蒸汽压差的推动,水蒸汽从蒸汽压高的一面“传递”到另一面,即从接触皮肤的一面,传到周围环境,达到防水透气、穿着舒适的目的。这类涂层织物表面需经后拒水整理,否则被雨淋湿后,会在表面形成一层水膜,影响透气性。一般工艺是将聚四甲撑乙二醇醚(PTMG)与乙二醇聚醚(PEG)混合物/MDI/l,4-BD按1:3:2摩尔比,合成PU乳液,经涂层后溶剂蒸发,在织物上成膜,透气量可达4500g/m2·24h,耐水压可达数十万帕[6],但透气性随涂层膜厚度不同而有差异.这类常见的商品中有英国Baxenden化学公司生产的WltcoflexStayCool、X-Liner等,比利时UCBSpecialChemicals公司的UcecoatNUP产品,德国Bayer公司的Impraperm,日本东纺制造公司的BionⅡ,日本三菱化成公司的ExceporU等[10]。


3聚氨酯涂层的最新研究
3.1调温功能聚氨酯
近年来,人们正在致力于开发一种新型聚氨酯材料,除防水外,还兼有透气和调温功能,这更提高了织物的服用舒适性。最初,美国农业部南方实验室VigO、Frost等人发现经聚乙二醇浸渍过的面料,具有储热功能,即受热时吸收热量,遇冷时放出热量[12,13]。
这项技术很快被转移到PU涂层上。聚乙二醇作为聚氨酯合成的多元醇组分,通过选择和设计PEG的聚合度和含量,使得聚氨酯中的聚乙二醇相区的相变转化温度,恰好在人们感觉最舒适的温度范围.这样,环境高于熔融温度时,涂层相变吸热,同时聚合物体积膨胀,亲水基团空间自由体积增大,热运动加剧,使透气量增大,排热排汗加快,使人有凉爽的感觉;当环境低于结晶温度时,PEG链段结晶,PU涂层相变放出热量,同时封闭孔隙,由于亲水基团活性降低,透气性减小,从而获得良好的挡风和保暖性能.织物的这种“智能”型调温功能,可大大提高其服用性能,获“空调织物”的美誉。美国Polytech公司已经椎出的Ureatech即为此类[14]。.日前这类聚氨酯涂层材料的研究,还处在初始阶段,距工业化还有一段路程,但可以预见,经科研技术人员的努力,这种产品将很快面世,并广泛应用[18]。目前,笔者正致力于这种调温功能的防水透气PU水分散涂层剂的合成及其应用的研究。
3.2提高织物透气性的研究
透气量的大小,从某种意义上讲,决定了织物的服用舒适性。为提高织物透气性,在传统工艺的基础上不断进行改进,最近的研究成果集中在以下方面。
3.2.1氨基酸改性聚氨酯[15]
选用适当的氨基酸与多元醇组分混合,再与异氰酸酯组分无规或嵌段加聚,制成改进型涂层或薄膜,可以大大提高织物的透气性.据报道,这类产品如三菱化成的Excepor-U,最大透湿量可达7000g/m2·24h。
3.2.2两种类型的聚氨酯复合[15]
将亲水性聚氨酯制成多孔状,或将多孔型结构进行亲水处理,微孔结构与亲水性结构两种机理共同作用,从而获得更满意的透气效果。美国3M公司生产的Thintech品牌即为这种方式。比利时UCB公司也采用将Ucecoat2000(s)形成的微孔膜加涂UcecoatNPU2307整理剂的工艺。日本Toray公司新近开发的EntrantGll则将两种聚氨酯材料复合,内层聚氨酯含微孔和超微孔(<0.5?m=,利用其类似于“芯吸”作用,抽吸皮肤上的水分,扩散到外层,再排放到空气中,提高排汗作用。
3.2.3聚氨酯涂层添加剂[16]
采用在聚氨酯涂层剂中添加其他物质的方法.不但可以提高PU薄膜的透气性,而且还赋予织物杀虫、灭菌的功效,以及优良的手感。甲壳质是贝壳类水生物和动物的鳞甲质的提取物,其化学结构如下:
甲壳质类似于纤维素大分子,但2位上的酰胺基团,使其不溶于大部分有机浴剂,并具抗微生物性。甲壳质具有较高的吸湿性和释湿性,并有一定的抗微生物性.在涂层剂中掺入一定量的甲壳质后,会对汗液、体液保持清洁,并具有一定医疗保健作用.如日本Asahikaseid的“Biochiton”。除此之外,加入羊毛屑、蚕丝屑、鳞质粉、纤维素粉等,旨在提高织物透湿量的研究均有报道[14]。这些粉末加入时温度高,待冷却固化时,体积缩小,发生相分高,在涂层膜内部及粉屑周围形成微隙,增加透湿性[1]。
3.3无污染聚氨酯的研究开发
研制一种完全水分散、在合成和应用过程中无溶剂污染的PU涂层剂一直是科技工作者的心愿。日前的加工工艺,无论是湿法,还是干法,在加工过程中都采用一定量易挥发性的有机溶剂,存在环境污染问题。如果把PU制成水溶性涂层剂,在烘干过程中交联成膜,不但可以大大地降低生产成本,而且可克服环境污染问题,所以这方面的研究也很活跃。美国Polytech最新推出的Ureatech,据称就是在这方面着手,而被誉为“面向新世纪的高科技产品”,国内也有这方面的研究报道[17]。
3.4金属和陶瓷涂层
在不影响原有防水透湿性的前提下,在树脂中掺入金属粉末,形成金属层,反射人体的辐射热,减少热量散失。这种涂层适合用作冬季或高寒地带登山运动员等运动服袋,如日本东丽公司的Entrantthermo,日本旭化成的Lyonthermo[15]。当PU中掺入具有较高远红外发射率的陶瓷粉后,这种涂层则具有吸收阳光的能量或人体热量,向人体辐射远红外线,使织物保暖性能提高,并具促进人体微循环的功能[19]。如日本东丽公司的Megaclon,日本旭化成的VeraV,日本钟纺的Masonic。有些陶瓷还具有吸收氨、硫化氢等异昧的功能,混入涂层后,成为除臭的防水透气织物,如日本尤尼吉可公司Permilan和Deodrant。
4结束语
防水透气及特殊功能涂层织物属于一种高科技含量、高附加值的产品,多种加工技术构成防水透气等功能涂层织物家族,而聚氨酯系列属于具有开发潜力,多姿多彩的一个分支.西方各国和日本等发达国家均投入大量人力、财力竞相开发研究,国内研究还较少.另外,美国、日本也把这类产品作为面向新世纪的高科技产品.作为在世界纺织品市场具有竞争力的产品的开发和研究,我国这个领域的科技工作者应当抓住机遇,迎头赶上。pt1Hov


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