防水透氣膜在防護服中的應用

卞燁

摘要：具有防水透氣功能的防護服在軍事、醫(yī)用、戶外運動等領域中一直廣受關注。根據(jù)實際應用領域的不同，選擇的防水透氣聚合物膜也不一樣。本文總結了微孔膜、親水膜和多微孔親水復合膜的特點，分別介紹了幾種聚合物膜在防護服中的應用，并對這 3 種膜進行了簡單對比。

關鍵詞：防水；透氣膜；防護服；應用

中圖分類號：TS941.48 文獻標志碼：A

The Application of Water-proof Breathable Membrane in Protective Clothing

Abstract： Water-proof and breathable protective clothing have increasingly attracted the interest in military， medical uses， outdoor activities and other areas. The choice of polymer membranes depends on the practical end use. This article introduced the applications of microporous， hydrophilic and microporous-hydrophilic composite membranes in protective clothing. Comparison among the three membranes was also made in the article.

Key words： water-proof； breathable membrane； protective clothing； application

聚合物膜被廣泛應用于防水透氣服中，如沖鋒衣、手術服、軍用服等，通過控制適度的透氣率此類服裝在起到保護作用的同時還能保持一定的舒適度。應用領域不同，用于構造不同結構膜的聚合物也不盡相同，本文將聚合物膜分為多微孔膜、親水膜和多微孔親水復合膜，介紹了各種膜在防護服中的應用情況。

1 多微孔膜

在多微孔膜中，微孔的尺寸為0.1 ～ 50 μm，這決定了只有空氣或者水蒸汽才能透過膜而液體則不能滲透。電紡技術成本較低，操作簡便，適用價值高，該技術可以天然聚合物、合成聚合物等為原料制備防水透氣的多微孔薄膜。

1.1 聚偏氟乙烯（PVDF）

PVDF是一種廣泛應用在薄膜材料上的多微孔纖維。和大多數(shù)聚合物材料相比，PVDF膜有高機械強度、熱穩(wěn)定性、耐化學性和疏水性。PVDF疏水性膜由于自身的防水特性，也可用作制備多微孔薄膜。在二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液中通過電紡技術可以成功制得PVDF納米纖維膜。當PVDF濃度為12%（wt%，下同），二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液體積比為6∶4時，可以制得透氣性好、防水性能極佳的納米纖維膜。

自從上世紀80年代我國開始研制PVDF膜以來，已經(jīng)取得了一定的進展，部分研究已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化。日本、美國、歐洲等已對PVDF材料進行了深入研究，相關產(chǎn)品已應用在眾多領域。目前，國外PVDF相關產(chǎn)品品種、品級多，加工技術成熟，應用范圍比國內(nèi)廣，特別是在高端領域。近來，Cheng在其專利中已成功地將疏水性的PVDF膜構成的防水透氣織物應用在雨衣、戶外運動服等紡織服裝產(chǎn)品中。

1.2 聚氨酯（PU）

PU因其卓越的性能而被廣泛應用于眾多領域，涉及輕工、化工、電子、紡織、醫(yī)療、建筑、建材、汽車、國防、航天、航空等。PU具有很好的拉伸應變、耐磨性，彈性和韌性也很好，是一種常用來制作透氣膜的聚合物。

把纖維素衍生物和疏水的PU混合制膜，合成膜的水蒸汽透過率和機械性能得到有效的改善。在PU合成膜中，纖維素衍生物不僅是交聯(lián)劑而且還是增鏈劑，此外，適量的纖維素衍生物可以提高合成膜的水蒸汽透過性。在加入纖維素衍生物時，溫度對于水蒸汽也有一定的影響，在溫度為50℃的條件下，水蒸汽透過性得到改善。當PU膜被氟化后，膜層和水的接觸角達到了156°，和油的接觸角達到了145°，說明其具有了超疏水疏油性能。而且這種氟化PU膜具有更高的耐水性、更好的透氣性和水蒸汽透過率。聚合物薄膜相對于無機薄膜有著較低的空氣滲透率，通過把合成的氟化PU浸涂在電紡的二氧化硅納米纖維制得無機的超疏水超疏油納米纖維膜，其具有很好的防水透氣性能，這種復合材料非常適用于防護服。

從實際應用看，由PU膜構成的kingtex面料因為有著極高的透氣性，目前在市場上很受歡迎。德國狼爪公司目前研制的Texapore面料中使用了超強度的PU復合面料，從而具有了高透氣性和強防水性。

1.3 聚四氟乙烯（PTFE）

PTFE膜作為一種有著超低表面能的疏水聚合物膜，耐水性很好，但透氣性不高。雖然PTFE氣孔很小，而且沒有許多張開的氣孔，但是水蒸汽還是可以通過微空洞來擴散，因此這種膜層壓在織物上可以有效地防水防風。例如，一些軍用毒氣能輕松地滲透進服裝中對人體造成傷害，對此可增加防護服材料表面的疏水性來提高保護性能。用含氟表面活性劑來修飾PTFE微孔膜可以提高膜層的疏水性，當有毒氣體進入液體中，由于膜的低表面張力和表面高疏水性，帶有有毒氣體的液滴會自動從表面滑落，以此來保護皮膚免受毒氣傷害。以PTFE膜為主要材料的防護服可有效地阻擋如油質(zhì)的芥子氣、生物化學毒氣等。

PTFE層壓復合材料是防風保暖、防毒氣的上選材料，用這種材料做成的服裝可廣泛應用在戶外運動服、火警防護服和軍隊防護服等產(chǎn)品。目前世界上許多一流的廠家都采用PTFE作為防水透氣的材料。美國Gore公司研制的GoreTex防水透氣織物就是利用了PTFE薄膜和織物的復合，是目前世界上最先進耐用的防水透氣產(chǎn)品。從頭上戴的帽子、圍巾，到身上穿的外套、褲子，再到腳上穿的鞋子，該產(chǎn)品可為戶外運動者提供從頭到腳的防護。日本和歐洲很多國家也進行了相關研究，但由于各國對制備技術保密，到目前為止還只有Gore、Pall、Mill-pore、Whatman、Gelman、DDS、Dominick、Sartorius和日本的日東電工、大金、旭硝子等幾家公司可生產(chǎn)PTFE微孔膜。此外，著名的美國FBA國際集團研制的First-Tex防水透氣面料和美國哥倫比亞公司研制的Omni-Tech防水透氣面料也是把PTFE作為防水透氣薄膜的材料，其產(chǎn)品在軍隊防護服中得到了廣泛應用。我國研制的PTFE微孔膜雖在中常溫環(huán)保除塵、功能服裝等領域得到應用，并已基本解決PTFE微孔膜生產(chǎn)技術中存在的諸多問題，但與國外同類產(chǎn)品比較，仍存在巨大差異，大量高品質(zhì)膜仍依賴進口。

2 親水膜

親水聚合物由共聚物構成，一般親水性膜都是不透氣的，但是通過在分子鏈中加入保濕劑也是可以達到透氣的效果。另外，當親水膜接觸液體或者處于很高的飽和蒸汽壓下時，會經(jīng)歷一個膨脹的過程。通過這個過程，親水膜的水蒸汽透過性也會得到增強。因此，由親水聚合物構成的膜層對于制造透氣防護服是一個很好的選擇。

2.1 聚乙烯醇（PVA）

PVA是由德國化學家W O Herrmann和W W Hachnel博士于1924年合成的，有很強的粘接性和耐磨性，是一種親水聚合物，具有許多優(yōu)異的特性，這使其在日常生活中的用途十分寬廣。PVA可從人體上帶走水分從而轉移到大氣中。用聚丙烯酸（PPAc）作為交聯(lián)劑把高分子量的聚乙烯醇涂覆到棉織物上，起交聯(lián)劑作用的聚丙烯酸中的羧基和PVA中的羥基結合得到透氣膜層。當PVA和PPAc的摩爾比率為25∶1時，這種親水性涂層有著極佳的透氣性能。另外，這種膜層是連續(xù)不斷的，沒有間隙，因此涂覆在織物上牢度很高。這種透氣膜構成的戶外運動服能在極端的氣候條件下為人體提供保護。此外，由PVA和PVDC復合制得的親水膜，應用于防化服則可以有效地阻擋有毒化學氣體。

采用PVA水溶性纖維生產(chǎn)的水刺非織造布是制作防輻射、防污染服裝的良好材料。為了增加防護效果，還可以將其與水溶膜復合。美國、日本的許多研究機構曾對PVA進行過試驗，證明了其無毒，除了不宜作為內(nèi)服藥品或食品直接進入人體外，它與皮膚的接觸完全無害。目前，我國是世界上PVA產(chǎn)能和產(chǎn)量最大的國家，其次為日本、美國等。但與發(fā)達國家相比，我國在PVA及其衍生物的應用領域相對滯后，可以預測隨著我國經(jīng)濟規(guī)模的擴大和質(zhì)量的提升，PVA及其衍生品將在中國防護服方面有很大的運用。

2.2 聚氧鉬酸鹽

分子簇為（NH4）42[Mo132O372（CH3COO）30（H2O）72]（特指[Mo132]）的聚氧鉬酸鹽有很好的穩(wěn)定性，將[Mo132]加入聚合物中既可以獲得化學防護性能，也可獲得很好的水蒸汽傳輸功能。Popa等人提出了以聚氧鉬酸鹽為主要成分的選擇性膜可應用在防化學毒氣的防護服中。在他們的研究中，在以乙烯-PVA共聚物和多鉬酸鹽為主要成分的納米復合膜上，水分子可以通過親水的孔穴，而大的疏水分子卻被阻隔在膜層外。這種膜的透濕率很高，而有機溶劑的透過性則很低。因此，以聚氧鉬酸鹽為主要成分的膜可有效地阻擋環(huán)境中的有害化學氣體，目前可應用在工廠的化學防護服及軍隊防護服中。

2.3 PU

自1962年德國Bayer試驗室發(fā)明具有水汽滲透性親水性PU，親水的無孔聚氨酯膜被逐漸用作透氣服裝的材料。親水PU是由水溶性的軟段和不可溶的二異氰酸酯硬段構成。與多微孔PU膜相比，親水PU膜對材料基底有更好的粘附力和耐用性，而且光澤更高。

在親水性PU分子鏈中加入聚氧乙烯，這種PEO-PUs復合膜層的透氣性不僅得到提高，而且其防水性和耐用性得到平衡。水性PU-尿素是一種無毒不易燃燒的復合材料，其對橡膠、聚合物纖維等基底有很好的粘附力。當這復合聚合物中包含有70%聚乙二醇，0.5%的硬化劑時，尺寸穩(wěn)定性好，親水性很強，水蒸汽透過率很高，并且可以直接涂層在防水透氣服上。在寒冷環(huán)境下，對于防護服的要求是隔熱性要好，通過把金屬沉積在織物上可以減少熱量的散失。用氣相沉積法，把Al蒸汽以納米顆粒的形式凝結在靜電紡的PU表面，則可在維持透濕性的條件下提高隔熱性能。目前，典型的親水性PU產(chǎn)品有德國Bayer公司生產(chǎn)的親水PU涂層織物Impraerm、荷蘭AKZO公司的Sympatex層壓織物、美國寶立泰公司的Qualitex多功能防水透濕織物等，這些透氣膜可應用到戶外運動衣或者惡劣天氣條件下的防護衣等。

3 多微孔親水復合膜

在Wu等人的研究中，他們用電紡法把PU微孔膜層直接涂覆在準備好的親水膜層中（圖 1），制備的復合膜中包含有疏水的PU膜層和親水的聚乙烯醇（c-PVA）膜層。在復合膜中，疏水段具有防水性，而且水能自發(fā)的從疏水段流向親水段；在親水段可以通過水蒸汽。目前多微孔親水膜在防護服中還沒得到廣泛的應用，但是這種具有特殊性能的復合膜有著很大的發(fā)展前景。

4 結語

多微孔膜、親水膜和復合膜都能應用在許多領域中并起到防護作用，但各有特點：

（1）多微孔膜有一定程度的透氣性，親水性膜在分子鏈中加入保濕劑也可達到透氣的效果，但是水蒸汽透過性沒有多微孔膜高，對復合膜而言，增加強韌性會導致其透氣性降低；

（2）親水膜一般都是連續(xù)不斷沒有間隙，而且親水膜的孔徑一般比多微孔膜的更小，因此親水膜對于基底具有更高的粘附力，復合膜則由于加入了親水膜層，因此其粘附力性也得到了增強；

（3）親水膜比多微孔膜耐磨性好，在水洗后還能保持原有的性能；

（4）親水膜有更佳的尺寸穩(wěn)定性，防風性等也更高。

具有防水透氣性能的膜在防護服中有廣泛的發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的防護材料不同，應用在防護服中的透氣膜在使水蒸汽透過的同時也能保證在這些過程中體內(nèi)熱量不會散失過多。一些現(xiàn)有的防水透氣膜存在著操作過程復雜、透氣性和防水性不能有很適當?shù)钠胶狻⑸a(chǎn)成本過高、不適合大面積投入市場等缺點。在今后的研究中，相關研究應該更注重人體舒適感，除了透氣性、防水性、耐磨性、低成本和材料穩(wěn)定外，未來的防護服將采用更多的新型合成材料，集防火、防毒和防化功能于一體，整體產(chǎn)品更加經(jīng)濟、輕便和好用。另外，選擇膜層也要從實際應用角度出發(fā)，選擇低制造成本、制備方法簡單的膜層，從而可大量投入到軍事、醫(yī)用和戶外運動等領域中。

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