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行业新闻

PU湿法防水透湿涂层织物研发

国内外防水透湿织物现状分析
1.1防水透湿织物研发概况

防水透湿织物是世界纺织业不断向高次发展独具特色的功能性面料,具有防风、保暖、防水、透湿、拒水等特殊功能。在过去几十年中.聚乙烯、氯丁橡胶、聚氨脂等涂层织物已得到普遍应用。尽管涂层织物服装具有优越的防雨防风性,获得完全的防水机能,但是由于大量汗液无法以蒸汽形式排出,在服装内部形成冷凝水,使人体有粘湿、发闷等不舒适感,在恶劣条件下甚至会结冰而冻伤,不能适应野外活动如部队训练作战、运动登山、滑雪等激烈运动的需要,因此美国、西欧、日本等经济、军事发达国家十分重视防水透湿织物的研究开发,相继开发了各种防水透湿产品,并陆续在军需装备及恶劣条件下的防护装方面应用。国内防水透湿织物的研究比较晚,水平低,迄今大多数是防水不透湿的,属于低档产品,防水和透湿成为一对不可调和的矛盾,使穿着使用受到很大限制。1996年,山东科亿达集团公司全面调研分析了国内外防水透湿织物的现状和发展趋势,结合国情,于1997年确定】,研究开发聚氨脂湿法防水透湿涂层织物的方案,制定了10实施计划。率先}进世界先进的湿法生生产线并独获该项设备设计技术.在国内外没有现成资料及经验的情况下,我们组织科技人员在消化吸收的基础上,经过剖析样品、分析论证、小样试验、模拟生产等攻关阶段,摸索形成了微孔涂层的原料配比、工艺流程、参数确定、性能均衡调节等一系列技术资料.为批量生产奠定了基础。


1.2防水透湿织物的类型
过去几十年中已经出现了多种既透湿叉防水的织物,概括起来可分为三种类型。
1.2.1高密度织物
利用高支超细棉纤维和其它超细合成纤维制成紧密的织物,经过热处理和化学处理的高收缩.使纤维收缩为致密的组织,加上高度的拒水处理,使织物的组织具有透湿性和防水性。原理上当织物被弄湿时,棉纱吸收膨胀,减少纤维间隔,这一闭孔机制同特殊防水处理,阻止了织物外面的水进一步渗透,从而具有防水性。高密度织物的特点是透湿性好,但耐水压较低(一般小于lm),且织物密度大,纺纱必须采取特殊工艺,织布时断头多,次品率高,染整加工困难;织物撕破强力低,耐瞎擦性也较差。
1.2.2涂层织物可分为亲水性涂层织物和微孔涂层织物两种
亲水涂层织物表面涂上一层完整的亲水涂层,因此可以防水,但涂层膜聚台物分子链中存在一连串能与水分子形成弱键的亲水基团,当两面湿度不同时,这些基团就会使水汽分子从高湿度面向低湿度面迁移,透湿是一个“吸附扩散解吸”的过程,改善织物透湿性。微孔涂层织物是一种遍布涂层的永久性微孔与通道系。如果微孔最大孔径约在23m或以下,那么织物就有防水能力,并且这种微孔结构也是透湿的。层压复合织物是运用层压技术把普通纺织面料与高新技术微孔薄膜产品的优良性能复合于一体,取长补短,充分表现出差别化和功能化的时代特征,是目前防水透湿织物的主要发展方向近年来,美国高尔公司的Gore—Tex产品和荷兰AKZO公司的Sympatex产品一直引导着防水透湿层压织物市场,而且代表了所有“防水透湿的最高水平
1.3防水透湿涂层织物的功能与应用
防水透湿涂层织物是国际涂层产业的个功能性产品,具有防水、透湿、防风、保暖、拒水的特殊功能,它可以散发体表汗气,确保皮肤干燥,创造温暖的服装内气候。根据涂层织物具有的多功能性,它可以广泛应用于各种领域:
●防水透湿性:制成雨具,如风雪雨衣、钓鱼服,制成运动服,如跑步服、登山服、滑雪服、部队训练服、野外作战服等
·防风保暖性:制成防寒服、各种恶劣条件下的防护服,如冬季防寒服、出海服、油田作业服、极地考察服等。我们研制开发的PU湿法防水透湿涂层织物经国家棉纺织产品质量监督检测中心,.德国、韩国权威机构检测,产品达到国际同类涂层产品的先进水平。目前,公安部已经用该产品制作警用多功能服,它轻便保暖、防雨挡风、使用温度范围广、一衣多用,受到好评。2Pu微孔涂层织物的防水透湿机理分析
2.1防水透湿涂层织物的基本要求究表明:防水透湿涂层织物必须满足以下条件,才能适应不同用途、不同恶劣条件下人们穿着时的理想效果
●具有较高的耐水压,防雨雪浸入;
·透湿量高,保持在汗液蒸发量以上;
·具有较好的防风保暖性,保持人体一定的体温;

·具有一定的耐久性和耐水洗性从表1和表2可以看出,如果服装的透湿量在300Og/m·d“上,就能保持穿着的舒适性。目前科亿达PU微孔涂层织物的透湿量在400og/m·d以上。


2.1.2防水性
织物的防水性常以其能承受的水压来表示,耐水压越高,防水性越好。对于防水性指标,不同用途有不同的要求美国军用标准中防水产品的耐水压最低要求为1395mm水柱,日本自卫队雨衣的要求在1400mm水柱以上,因此Pu微孔涂层织物的耐水压要求在2000mrn水柱以上,完全可达到有关规定防水性的另一个指标是织物表面的拒水性,可通过有机硅或有机氟整理来达到。织物拒水性不仅可以提高涂层织物的防水性,还可以使雨雪不致润湿织物表面,从而减少织物的增重科亿达涂层织物的拒水度均可达到4级以上,并且耐久性优良防风性透气量是冬季服装面料十分重要的功能性指标之一,在有风的情况下,用不易透气的面料制作外衣,可防止衣服内暖空气外流和外界冷空气的侵入,提高服装的保暖率。国内试穿经验表明,冬服面料的透气量对保暖值有明显影响,尤其大风环境中更是如此,透气量超过3ml/cm·s时就失去防风性能。为了在较大风速下使冬季服装保持8o左右的保暖率,根据ASTM方法平板保暖性试验结果发现,必须选取透气量小于0,5ml/cm。·s左右的涂层织物目前.科亿达微孔涂层织物的透气量实际为0.4ml/cm·s。
2.1.4耐久性
耐久性是要求上述各项性能在使用中受摩擦、拉伸等力学作用或洗涤仍能保持原来的效果。对于科亿达微孔涂层织物而言,主要要求具有很好的剥离强度另外,耐久性还包括织物表面的耐久性拒水,低温柔软性等等。
2.2防水透湿涂层织物的防水透湿原理

防水透湿指水不能透过服装而人体散发的汗液却能以水蒸汽的形式通过服装传到外界。从字面上看,防水和透湿两种功能是相互矛盾的,但是利用水蒸汽分子和雨水水滴体积之间的巨大差别就可以达到此目的。水蒸汽分子和雨滴直径如表3从表3中我们可以发现,只要通过工艺控制使涂层膜的孔径在几个m或以下,就能阻止水滴通过而允许水蒸汽透过。湿法棘层是采用水中凝固法使织物上的涂层形成均匀质密的微孔,微孔的尺寸控制在水滴和水蒸汽分子之间,约0.22Om,从而起到阻止水通过而允许水蒸汽通过的作用。孔径、孔率将直接影响织物的防水(耐静水压)透气(透湿量)指标,孔径大、开孔率高则耐静水压指标低,透湿量高湿法涂层的透湿机理与PTFE层压织物基本相同,但PTFE没有极性,透湿完全靠微孔,而PU湿法橡层织物是一种极性高分子材料,透湿原理除依靠涂层面上的微孔以外,具有亲水性的分子链段还可以传递水分子。因此,湿法涂层织物的防水透湿性主要是两种机理:一是微孔机理;二是台阶机理,一个“吸附扩散解吸”的过程。同时湿法涂层织物防水性的另一个指标是拒水性,通过树脂整理使织物表面获得比水更小的表面张力,大约是水的t/8,使织物上的水滴会以水珠状落下,而不会渗入织物。因此,湿法PU微孔涂层织物具备良好防水透湿性的必要条件:·水在微孔涂层膜表面的接触角在120左右


·微孔膜的孔径尺寸大于水单分子尺
度,而小于蒸汽分子的尺度,以保证气态水在水蒸汽压力差下,由高湿的服装内向低湿的外界环境扩散,而在遭受雨淋时,液态水不能通过微孔。
·微孔膜的毛细输送力具有从内向外的方向性,要求外表面拒水而内表面亲水。防水透湿涂层织物工艺试验
3.1原材料选择和配比
由于PU防水透湿涂层织物多用作运动服、休闲服等服装面料,因此在基础树脂的选择上我们选择了超柔软型多孔层性高分子树脂。考虑到,软质型一般加工时易导致粘连问题,我们进一步优选了低粘连性树脂,使产品获得了与天然皮革相同的低弹性柔软手感,并解决了表面粘连问题。在湿法加工中必须使用由水溶性溶剂调成的PU树脂,若使用像干式加工中所用非水溶性溶剂的混合型,加工起来就十分困难,达不到理想的透湿性。因此,最理想的溶剂就是DMF,而且纯度≥99.9。在整个湿法加工中,最重要的是如何调整多孔层单晶的形状和大小。微孔的孔径大小、孔径分布和开孔率直接影响织物的防水性、透湿性和防风保暖性能。孔径增大,耐水压、防风保暖性能下降,透湿性提高,孔径分布越宽,耐水压、防风保暖性能下降,透湿性提高。适宜的孔径最好在0.2~0.5,urn范围内,开孔率最好为45~90一般单晶的形状受多种因素、条件(例如配合液中树脂浓度、粘度、凝固槽的温度及组成,还有添加剂等)影响而发生微妙的变化,因此要制造出微孔合理、表面平整光滑、无卷曲的涂层皮膜织物,必须考虑以上各因素的影响,再设定使用条件,使用比例。
3.1.1配合液中树脂浓度
如果树脂浓度低,相反相当于DMF的浓度高,这样DMF在水中被置换的空间增加,所以多孔性涂层膜的密度变小,单晶形状变大,透湿性高。通过不同浓度下的对比试验,我们最终选定了两种不同工艺流程下的最佳涂布浓度。
3.1.2配合液粘度
凝固过程中水向PU湿式层浸入与DMF从湿式层中向水中的扩散是同时和协地进行。一般,配合液粘度高,前者的速度慢,所以厚度减少,单晶有变小的倾向,耐水压、防风保暖性能好,透湿性下降,因此,粘度保持一致对质量的稳定有一定影响
3.1.3添加剂
在湿式加工中,如果将PU树脂单用DMF稀释之后使用的话,这样很难得到表面平整光滑、微孔大小、形状大体均匀一致的涂层皮膜。在实际加工中,要加一些添加剂,以此来缓解聚合物之间的较强聚集力,同时也能缓和初期的DMF急剧扩散和水的急剧渗入,使凝固过程缓慢进行。由此可知,湿法生产中浆料的配方及比例是最为关键的技术因素,在大量小样中试试验中,通过计算、对比分析、模拟了多种配合比例,不断改变添加剂、溶剂及助剂的种类、加入量,然后对每种配方的产品进行标准化的透湿性、透气性、耐水压等指标测定,然后进行对比分析研究,最终根据不同的功能要求及工艺流程找到了最合理的配合。
3.2涂层织物生产工艺流程与技术要求在确定原料及配比基础上,确定合理的工艺流程及参数对保证产品性能,提高产品质量,降低产品成本有十分重要的作用在试制中,通过理论分析,实践总结,设计了几条工艺路线,这些路线在工艺及参数的主要方面是一致的,但根据基布、原料配合的不同在一些细节上存在着差异,因此我们根据防水透湿涂层织物布料纤维、组织结构的不同和应用领域性能要求不同,将湿法加工的流程分为以下两种:
·加工流程一
(1)工艺流程配料t织物检验一前拒水整理一湿法辊涂一凝固水洗一干燥一耐久性后拒水处一打卷一检验一包装

(2)主要工艺参数及要求面料:根据用户要求选择适当的面料,须使用有关标准规定的一等品。前拒水整理:主要防止树脂过多渗入织物使手感变硬或透腔。一般采用有机氟防水剂,处理蔽浓度根据基布的不同作用相应调整。湿法辊涂:刀距一般为基布+250~m,上胶量150~18og/m,配合液粘度(120009-1000)cps/25C。凝固组成:温度20~30℃DMF浓度(10±2)。水洗:40~60℃分阶段升温,最后水洗槽DMF浓度0~1%干燥:80~120"C,先采取滚筒预干燥再熟化热定型干燥后拒水处理:主要是使产品具有持久的拒水性和耐水洗性,并相应提高其耐水压。


·加工流程二
(1)工艺流程14配料t织物检验一前拒水整理一湿法刮涂一预凝固一千燥一湿法辊涂一十配料凝固水洗一干燥一耐久性拒水处理一打卷一检验一包装
(2)主要工艺参数和要求面料:同加工流程一前拒水处理:防止涂层时产生蕊吸效应,树脂过多渗入织物使手感变硬,并使涂层连续完整,采用有机氟防水剂,处理液浓度为3,拒水度达到70~8O。湿法刮涂:主要为提高涂层织物的剥离强度,提高耐水压,同时使织物手感柔软。上胶量25~30g/m,配台液粘度10000~12000cps/25C。预凝固:水温常温DMF浓度<3干燥:滚筒熨平干燥,温度100~110℃湿法面涂: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湿度有所下降,所以粘度一般控制在(8000~500)cps/25C。其余工艺参数及要求同加工流程一加工流程一与加工流程二相比,前者对于提高涂屡织物的粘结强力是非常有效的并能使湿法辊涂时减少树脂对纱线间的渗透,使涂层趋于表面成膜,提高涂层膜的平整光洁、手感柔软性,但加工流程一在不强调剥离强度的情况下,使透湿度最大化是有效的。
3.3涂层织物主要工艺参数的确定与控制工艺条件是执行各工艺过程的重要内容,它对产品的性能质量有非常重要的影响,在PU湿法防水透湿涂层织物的试制生产中,主要的工艺参数有如下几方面:前拒水前拒水主要是防止涂层时织物产生蕊吸效应,保证涂层膜趋于表面使其连续完整,并使产品手感柔软。影响前拒水的因素:(13防水剂种类的选择。对Pu涂层加工一般选择初使效果良好的有机氟防水剂,且成本低。(2)处理液的浓度及剂绞率,采取加工流程一时,处理液浓度不能太高,太高涂层织物的粘附强力低,耐久性差;太低时,树脂渗入织物内部多,手感变硬甚至透胶,因此要多加注意(3)热处理的温度及时间。热处理的温度必须依照防水剂的熔点温度来设定,并且防水剂颗粒的熔化需一定的时间,因此要严格控制.否则达不到理想效果。
3.3.2凝固温度
一般,如果凝固槽温度高,即大于30C,DMF抽出速度快,与此相反,水的浸入速度变慢,在其内部聚合物的溶解状态维持的长,所以厚度减少,密度增大,微孔就变小,透湿性下降。并且当树脂浓度低时,囤配合液自身粘度低,由凝固槽温度所决定,密度不太变化.但单晶微孔形状则困凝固槽温度高而变得粗糙,这些必须注意。
3.3.3凝固槽的组成
在湿法加工时,一般凝固槽内使用水,但如果从DMF易回收方面考虑,我们采用DMF浓度1O~15%来凝固。
3.3.4水洗槽的温度与组成
当涂层织物进入水冼槽时,树脂层内仍残留着30的DMF,如果在这种状态下直接干燥,那么残留的DMF就会使涂层再次溶解,既破坏表面平滑性,又使透湿性能变坏。因此就要在水洗槽内将残留的DMF用强制的方法全部抽出(例如水洗高温度挤压辊反复挤压),否则就很难得到平整光滑的涂层表面.因此最后水洗槽浓度必须控制在0~1之间。在工艺参数设定上温度在4O~60C,并且要分阶段升温,防止温差过大,使微孔遇热急剧收缩影响透湿性,另外从较低温度进入较高温度的较大温差也是造成手感不好的原因之一,因此要注意温度。
3.3.5干燥温度
从水洗槽出来的涂层织物,接下来就是下燥,在干燥前必须使DMF的残留量越少越好.一般要求在湿胶膜中DMF的存留量控制在3以下,否则干燥时会使树脂再次溶解,破坏透湿量,增大表面粘连性。
3.6后拒水处理
产品的后拒水处理主要目的是使产品具有持久的拒水性,并相应提高耐静水压。在防水剂种类选择上我们选择了日本的碳氟树脂防水防油剂,但碳氟树脂在纤维上整理较困难,涂层织物的拒水性不耐摩擦和水洗,经过试验通过使用一种媒介剂及催化剂来连接纤维和碳氟树脂,成功地将拒水剂牢牢地固定在纤维上,解决了不耐摩擦和水洗的问题,产品具有耐久的拒水性
结语
防水透湿涂层织物属防水涂层织物系列产品,其突出的优点在于具有防水并能透出闷热的汗气。解决了防水与透湿这对不可调和的矛盾,它有其它涂层产品所没有的透湿性、拒水性、柔软性、丰满性、表面高档等特点.增加了附加值。防水透湿涂层织物属功能性面料,具有防风、防水、防寒、保温、透气、透湿、离水、手感柔软等多方面性能集于一体的高挡面料。在发达国家也是运动装、休闷装和特种功能服装的首选面料。该产品填补了我国防水透湿中高档产品的一项空白,具有明显的经济、军事和社会效益。sfrwgtrhtyy


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