TPU薄膜在防水透濕織物中的應用

翟婭茹,沈蘭萍

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710048)

防水透濕面料[1-3]被稱為“可呼吸面料”,由該面料織制的織物應具有2種功能:一種是防水功能,即外界的水、雨滴等在一定壓力下不能透過織物表面到達織物內部;另一種是排汗、透濕、透氣功能,即人體的汗液可以以水蒸氣形式通過面料擴散到外界,從而避免汗液等積聚在人體皮膚表面和衣服之間,以保持服裝的舒適性。近些年來,越來越多的人使用防水透濕薄膜,產品主要有2種,一種是以Gore-Tex為代表的微孔聚四氟乙烯薄膜(PTFE),一種是以熱塑性聚氨酯(TPU)為代表的無孔分子膜。

1 TPU的化學成分及常用防水透濕薄膜性能比較

1.1 TPU化學成分

TPU,又稱熱塑性聚氨酯橡膠或熱塑性聚氨酯彈性體,是一種線性嵌段共聚物,由低聚物多元醇軟段和異氰酸酯硬段構成,如圖1所示。

圖1 TPU結構圖解

大分子二元醇和異氰酸酯連接形成長鏈結構,因分子鏈長,表現出柔性,所以形成整個大分子鏈中的軟段結構;小分子多元醇和異氰酸酯連接形成短鏈結構,因分子鏈短,從而呈現剛性,形成大分子鏈結構中的硬段結構。軟段部分通常與剛性的硬段交替存在于TPU分子鏈中[4],以共價鍵“尾—尾”連接,如圖2所示。由于聚氨酯硬段間的相互作用,所以它具有良好的機械性能。TPU良好的回彈性得益于分子鏈的相對運動,這點在低溫撓性方面尤其明顯。分子鏈的運動性能很大程度取決于軟段的化學性質和鏈的長度,軟段越是呈無定形狀態,其柔順性就越好。

圖2 基團共聚彈性體的結構

1.2 常用防水透濕薄膜比較

紡織行業中,我們一般要求薄膜既能阻止液體通過,又能允許水蒸氣散逸。要達到這兩種功能的完美結合,就要使涂層或薄膜既能透水汽,又能阻隔液體,可以采用致密型薄膜和微孔型薄膜。目前,最受歡迎的防水透濕薄膜有PU薄膜、TPU薄膜和PTFE薄膜等。

TPU薄膜是一種致密型薄膜,利用TPU原材料經過塑化吹脹而成。由于具有非常高的性價比,產品線比較齊全,有高、中、低透濕系列,所以其在紡織行業被大量應用;PTFE薄膜[5]是一種微孔型薄膜,通過PTFE定向拉伸而產生,因其不耐洗、易吸附灰塵、不環保等因素,只被限制用于軍事等特殊領域;PU膜[6]是一種致密型薄膜,利用PU漿體在特定材料上涂覆而成,是處于PTFE與TPU之間的過渡體,被一些個性化客戶采用。常用防水透濕薄膜性能比較如表1。

表1 常用防水透濕薄膜性能比較

從表1可看出,TPU薄膜具有高的拉伸強度、伸長率、高撕裂強度、耐環境和化學品腐蝕,硬度范圍廣,承載能力大,具有優良的耐磨、耐油性能,應用范圍十分廣泛。此功能配合紡織業的貼合加工技術,大大提升紡織品的附加值。除此之外,耐候性佳、可回收和可分解更使TPU防水透濕薄膜成為21世紀主流材料之一。

2 TPU薄膜應用于防水透濕織物的機理

TPU薄膜應用于防水透濕織物的機理[7-10]即為高分子間“孔”和親水基團分子擴散透濕機制。

無孔膜透濕原理是在大分子鏈上引入親水基,并將其制成薄膜,這種薄膜是由一種單一組分構成的、硬段和軟段交替排列而構成的嵌段共聚物。該分子結構中,硬鏈段疏水,加之薄膜本身具有連續性和較大的膜面張力,可以阻止水滴通過,從而表現出優良的防風和防水作用;軟鏈段親水,它們會和水分之間相互作用,借助氫鍵和其他分子間作用力,按“吸附-擴散-解吸”的方式,在高濕度一側吸附水分子,沿分子鏈通過親水基團逐一將水分子傳遞到低濕度一側進行解吸,從而達到高透濕的目的。“吸附—擴散—解吸”示意圖如圖3所示,在這個過程中,親水基團相當于“化學階梯石”,實際生產中,我們一般可以通過改變大分子鏈中軟段的數量或相對分子質量來增加親水基團的比例,使織物的透濕效果更佳。透濕量公式[11]為:

其中WVP為透濕量(g/(m2·24 h));ΔP為膜兩側水蒸氣分壓差(Pa);D為擴散系數(m2/s);S為溶解度參數;L為膜的厚度(cm)。

從上公式可以看出,無孔親水膜的透濕性不僅和高分子膜的厚度和其自身的性能有關,還取決于薄膜兩側水蒸氣分壓之差。

圖3 吸附—擴散—解吸附示意圖

3 TPU薄膜形成防水透濕層壓織物的加工過程

合適的層壓技術是生產高品質層壓織物的關鍵。TPU薄膜形成層壓織物就是使用濕固化聚氨酯熱熔膠的熱熔黏合技術,這種黏合技術具有對環境友好、能耗低、交鏈易于控制等優點,應用十分廣泛,特別適用于一些高檔紡織面料的復合。

3.1 涂層轉移

涂層轉移的目的是為了使濕固化聚氨酯熱熔膠[12]從雕刻輥轉移到薄膜上,轉移后,薄膜與雕刻輥分離。分離過程中,熱熔膠必須有較低的黏度和好的流動性;若熱熔膠的流動性差、黏度高,則會使薄膜與雕刻輥之間黏連,分離過程中產生嚴重的拉絲現象,從而導致涂層轉移效率降低,分離難度加大。為了降低成本,減少不必要的浪費,這種情況在實際生產中是不允許出現的。

3.2 層壓復合

好的初始黏結強度是保證織物與薄膜復合形成優質層壓織物的關鍵因素。織物與涂了濕固化聚氨酯熱熔膠的薄膜在一定壓力下瞬間復合在一起時,熱熔膠應具有低流動性和高黏度性;如果復合時熱熔膠的流動性太好,黏度過低,一方面會因為初始黏結強度低,造成層壓織物在離開壓合點后又可能分開;另一方面會由于流動性好,熱熔膠可能滲過織物造成透膠,從而影響層壓復合織物的外觀、手感、黏接強度和耐洗性能等。

4 TPU薄膜的應用

4.1 TPU薄膜在服裝上的應用

早期,人們為了避雨,創造了雨衣、雨傘、雨布等,使水不能浸透織物。后來為了方便,人們希望普通的外衣也具有一定的防水性,但這種衣服不透氣,導致在大量活動時出現汗流浹背的情況,服裝會粘貼皮膚而使人產生濕冷感。為了調節服裝內氣候,改善其透濕性和手感,防水透濕的新型紡織品就產生了。對于無孔親水型透濕薄膜TPU來說,分子鏈段上有許多利于水分子遷移的化學基團,通過“吸濕—擴散—放濕”過程成功地將人體汗氣排出,即首先其親水性鏈段吸收人體散發的汗液,將濕氣由內部迅速向外層擴散,最后將濕氣向外界環境中蒸發。TPU防水透濕薄膜解決了織物防水性與透濕性這兩大矛盾問題,從而被人們稱為“可呼吸面料”或“人類第二皮膚”。任何新科技的產生與發展都以人們的需要為出發點,這種集防水、透濕、防風、保暖于一體的高科技產品具有極大的使用價值。TPU以實用性為基礎,美觀性為升華,一直以來倍受時尚界青睞,目前主要用于生產高檔風雨衣、軍服、休閑裝及運動衣等。

4.2 TPU薄膜在醫用材料中的應用

近幾十年來,醫用紡織品在紡織行業中獨辟蹊徑,應用越來越廣泛。與此同時,醫用防護材料也面臨著更嚴格的加工要求,不僅要求其有良好的防護阻隔性,也要求穿著舒適、衛生,同時還要具有一定的物理機械性能。由于TPU薄膜具有高透濕、抗微生物性能以及良好的生物相容性和血液相容性,所以被廣泛應用于醫用防護服、手術巾、消毒器械包裹、血液過濾和外科敷料等方面。

手術服應具有透氣性和防護性,使用前必須經過嚴格滅菌和消毒,以保證手術過程中醫護人員穿著舒適并且不被病菌通過體液或血液而感染。醫用材料本身應具有良好的透氣性、消毒耐受性、防菌、防靜電、耐洗滌且容易洗滌等性能,TPU薄膜正是以其無可比擬的優勢做到了這點。

醫用敷料也是醫用紡織品的一個重要組成部分。臨床上,由于傷口的種類繁多,并且在傷口愈合過程中每一階段對敷料的要求也不盡相同,用于護理傷口的醫用敷料應具有一系列特殊功能,如:除臭、耐菌,控制傷口上的氣味、細菌和微生物;吸濕、保濕,控制傷口產生的流體,從潮濕的傷口上吸收膿血,向干燥的傷口提供水分;低黏合性,不應與創面粘連,在傷口愈合后應該很容易地從傷口上剝離等。

5 展望

目前,TPU薄膜加工難度較大,成本高,所以產品價格也較高。未來TPU薄膜研發的重點是降低成本,開發具有抗菌或阻燃等多種功能的新型復合織物,并使織物朝著更加輕便、舒適的方向努力。

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