防水透濕織物的研究進展

丁子寒, 初曦, 鄒婷婷, 邱華*, 沈海生

(1.江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122；2.南通賽暉國際貿易股份有限公司，江蘇 南通 226011)

隨著科學技術的發展和經濟生活的提高，人們對于紡織品的關注不只局限于織物的強度和耐用性能，對于織物的外觀設計、舒適性和功能性也愈加關注。在戶外運動時，要求服裝可以抵抗外界的雨露，同時防止汗液在服裝與人體之間積聚冷凝。

防水透濕功能服裝被人們形象地稱為“可呼吸面料”[1]。這是因為它一方面可以阻止液態的水分子進入，保護人體不受外界風雨的侵害，另一方面可以使氣態水分子透出，將人體活動所產生的汗液及時排放到外界空氣中，達到防水導濕的效果。這種織物廣泛運用于T恤衫、沖鋒衣、滑雪鞋等產品中，有助于提高服裝的舒適性能。文中通過分析織物防水透濕機理，闡述了織物防水透濕功能的實現方法，以期對其未來的發展趨勢進行預測。

1 防水透濕織物的種類

1.1 按照加工方式分類

防水透濕織物按照加工方式可分為高密織物、涂層織物和層壓織物[2]。不同加工方式所對應的織物各有特色。

高密織物產生于20世紀80年代，它的密度可達到普通織物的20倍。在晴朗天氣時，紗線孔隙大約為10 μm，此時織物具有良好的透氣透濕性，而當空氣濕潤時，纖維吸收水分體積迅速增大，紗線孔隙縮小到3～4 μm，并能起到一定防水的功效。以細號棉紗織成的平紋Ventile織物是高密織物的代表[3]。涂層織物是將具有防水透濕功能的整理劑均勻涂覆于織物上表面，形成一層連續不透水的高分子薄膜，其防水性能優異，但是透濕性能較差。目前市場上常見的整理劑有有機氟系整理劑和有機硅系整理劑。SHAO J等[4]采用絲素蛋白(silk fibroin,SF)和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone, PVP)改性水性聚氨酯(water polyurethane，WPU)制劑，制備了一種新型防水透濕涂料，實現了理想的防水透氣效果。層壓織物是指在一定的溫度、壓力、膠黏劑的作用下，將防水透濕功能膜與普通織物相復合，取長補短，集多種優點于一身，且不用擔心各材料的相容性問題。周珊珊等[5]采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)熱熔膠制備出聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)防水透濕層壓織物，其透濕量、剝離強度、防水性等性能均可滿足市場需求。趙磊等[6]將熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyyrethane,TPU)熱熔膠彈性體均勻灑在滌綸機織物表面，然后平鋪高透PU膜，在一定溫度和壓力的復合作用下，制備出的層壓織物具有良好的防水透濕性。

1.2 按照防水透濕機理分類

防水透濕織物按照防水透濕機理可以分為兩類，分別為親水性無孔膜和疏水性微孔膜[7]。

親水性無孔膜有兩類，分別是TPU和Symp-atex。TPU防水透濕膜表面呈無孔結構，因此可以有效提高織物的耐水壓性，防水效果好，同時引入的親水基團作為橋梁，將水分子傳輸到外界[8]，但其導濕速率慢，且透濕量不高。Sympatex本質上是一種共聚多醚酯的高科技產品，它具有無孔、堅韌、親水的特點，且防水性能相比同類產品十分優異。Sympatex通過薄膜內外壓力差實現兩側水分交換，但它的透濕性仍有很大的改善空間。目前市場上主要的親水無孔產品有德國新保適公司的Sympatex層壓織物、英國Baxanden公司的Wilcoflex Staycool和日本的Prooface涂層織物等，均具有優良的防水透濕功能[9]。

疏水性微孔膜的代表產品是美國Gore公司生產的Gore-Tex防水透濕織物。Gore-Tex是采用雙向拉伸法制成的PTFE薄膜，其化學穩定性好，耐熱性好，防水、防風性能優異，適合制作沖鋒衣、登山服等戶外服裝[10]。由于人們對環保性和舒適性需求的提高，PTFE織物不易降解、透濕量較小的缺點使其運用受限。HAO X等[11]先將抗靜電、抗菌、防水處理后的聚對苯二甲酸類塑料(polyethylene terephthalate,PET)織物與PTFE微孔膜層壓處理，然后在其表面涂覆聚氨基甲酸酯(polyurethane,PU)溶液，制成的織物可以分離空氣和液體中的SARS病毒，并且可以達到較高的舒適度。此后，郝新敏等[12]也研發了相似的防水透濕織物，該織物具有防水、透濕、防風、病毒隔離和防護等多種功能。劉延波等[13]制備出一種用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)代替PTFE的功能膜，經測試它的抗剝離強度和透濕量均優于PTFE拉伸膜層壓織物，僅耐靜水壓值低于PTFE層壓織物，但仍然可以達到產業化使用要求。

2 防水透濕機理

目前，實現織物防水與透濕的統一是防水透濕織物研究的重要課題，這要求織物既可以在雨雪等濕潤的天氣下防止水滲透使人體產生不適感，又可以使人體排出的汗液迅速透出擴散至空氣中。

織物實現其防水透濕性有3種機理：①利用空隙自然擴散機理設計具有防水透濕功能的高密織物[14]。通常采用精梳高支棉紗或超細纖維為原料，并進行拒水處理，使其兼具防水和透濕的效果。②微孔防水透濕機理。各種形態下水的直徑見表1[15]。利用水蒸氣與水滴直徑的巨大差異，使微孔直徑大于水蒸氣的直徑而小于水滴直徑，即微孔直徑基本為 0.2～5 μm，從而發揮攔截雨水排出汗液的作用[16]。③高分子間“孔”親水基團透濕機理。水分子依靠氫鍵和其他分子間作用力沿著親水鏈上的親水基按“吸附—擴散—解吸附”的順序從高濕度側傳遞到低濕度側，從而達到透濕目的[17]。

表1 各種形態下水的直徑

3 防水透濕膜的制備方法

目前，防水透濕膜的制備方法有很多，但是所選擇的加工手段要與功能實現機理相適應，并須考慮面料的終端用途和工業化生產的可能性。常見的加工方法主要有5種，分別為雙向拉伸法、熔融擠出法、相分離法、閃蒸法和靜電紡絲法[18]。

雙向拉伸法是在低于材料熔點而高于其玻璃化轉變溫度時，對初生膜進行橫向和縱向拉伸，形成孔徑在0.2～0.3 μm之間的微孔。Gore-Tex 防水透濕膜便是由雙向拉伸法制備的。將干燥的PTFE細粉采用冷壓和燒結技術制備成初胚，然后在高溫狀態下進行縱橫向快速拉伸，最后進行熱定型，得到防水透濕微孔膜[19]。其透濕量達3 934.8 g/(m2·d)，滲水水壓可高達565 kPa，但是該工藝耗時、耗財，難以適應大批量生產[20]。

熔融擠出法可分為吹塑薄膜擠出和平擠薄膜擠出，適用于親水性薄膜和涂層[21]。吹塑薄膜擠出法經濟實惠，吹脹比可控；平擠薄膜擠出法則可以得到較厚的薄膜。

相分離法通常用來制備疏水微孔膜。將聚合物與高沸點易揮發的溶劑相溶合，利用膜具制成膜狀。利用聚合物和溶劑沸點的差異，形成聚合物的富集相和溶劑的富集相[22],其中聚合物為連續相，而溶劑為分散相[23],然后加入適當的萃取劑，使溶劑揮發，從而在聚合物薄膜上形成微孔。

閃蒸法也稱急驟紡絲法。將成纖高聚物溶于適當的溶劑中均勻混合，然后通過噴絲孔快速噴出，在一定的速度和壓力下，溶劑迅速揮發，聚合物拉伸固化成極細纖維，最后在成網簾上形成纖網[24]。這種方法制造出的產品強度大、質量輕，耐撕裂和耐穿刺等防護性能好，并且防水透氣，具有廣闊的發展前景。

靜電紡絲法多應用于疏水性多孔膜。在高壓電場中，聚合物溶液或熔體從毛細管中噴射出來，在電場力的作用下拉伸成纖，最后在接收裝置上成膜。靜電紡納米纖維膜直徑小，比表面積大，孔隙率高且孔道連通性好。在聚合物中添加一些功能性助劑或無機粒子可制成多組分紡絲液，使功能膜具有更多功能。例如將銀、溴、銅、鋅等離子加入到紡絲液中，使紡絲液具有抗菌、阻燃、防靜電等功能[25]。同時，加入輔助電機和附加電壓，或改變噴絲裝置制造多級結構靜電紡纖維。JU J等[26]通過直接靜電紡絲復合法制備由純TPU納米纖維膜(疏水性)和TPU/TBAC樹狀納米纖維膜(親水性)組成的雙層膜(四丁基氯化銨 (tetrabutylammonium chloride,TBAC))，將這種雙層膜用作防水透氣材料，具有濕氣單向傳輸性能和良好的屏蔽性能。

4 防水透濕織物的發展趨勢

4.1 防水透濕織物的智能化

科學技術的進步為實現防水透濕服裝的智能化奠定了良好的基礎。面料的智能化也是紡織品發展的重要方向，將大大改善人們的生活質量。

智能調濕服裝是防水透濕智能服的代表。在高溫的狀態下，需要服裝具有高透濕性能，以使汗液快速排出保持人體干燥舒適；在低溫狀態下，需要服裝具有低透濕性能，以便更好達到封閉性，從而維持人體的熱量。調節好人體與服裝之間的“微氣候區”，對于提高服裝的舒適性能有著重要的意義。具有調濕功能的聚氨酯智能膜是智能調濕膜的一種。聚氨酯智能膜通過調節聚氨酯樹脂硬鏈段和軟鏈段的比例，使其擁有適當的玻璃化溫度[27]，從而達到調濕的作用。當溫度高于玻璃化溫度時，材料中分子布朗運動較大，產生的分子間隙變大，水汽分子穿過分子間隙擴散到外界空氣中，透濕量增加，有利于人體汗液排出；當溫度低于玻璃化溫度時，分子間隙迅速縮小，透濕量減小。由于此智能膜具有無孔結構，因此防水性較好。同屬智能防水透濕織物的有日本的Diaplex和美國的Qualitex產品[28]。

目前防水透濕織物亟需解決的問題是材料對于溫度感應的靈敏度問題以及原料的環保問題[29]。隨著紡織工藝的進步，可以考慮制備超細或中空的纖維；也可以用無機離子處理材料表面，提高織物的比表面積；還可以考慮采用光催化或等離子體處理等手段對織物進行單面整理，提高吸濕性能。

4.2 防水透濕織物的多功能化

隨著人們生活水平的提高，對服裝的多功能性的需求日益強烈。在織物具備防水透濕功能的同時，要盡可能滿足人們的其他需求，提高生活質量。例如，PTFE是一種含氟聚合物，具有“三高兩憎”的特性，即高表面活性、高熱穩定性和高化學穩定性，憎水、憎油，因此可以用它制造防水透濕易去污微孔膜。Gore公司將高耐熱的Silicone發泡體添加到PTFE微孔膜上，在難燃面料與里料之間形成空氣隔熱層，應用到消防服裝中使其透氣舒適。

崔俊杰等[30]選用多孔綿、TPU薄膜，以機織物為面層，搖粒絨為基材，利用濕固化聚氨酯熱熔膠膠黏劑，通過2或3次層壓復合試制系列復合織物樣品，基本解決防水透濕服裝在極地保暖性能不足的問題。

采用相分離技術制造具有特殊功能的微膠囊也可以賦予織物更多的特性。在含有殼層聚合物和功能型芯層聚合物的混合溶液中加入適當的溶劑，使得殼層包裹著芯層從溶劑中分離出來，形成微膠囊，再將微膠囊整理到織物上，使服裝在防水透濕的同時具有一定的功能，如芳香型微膠囊、防紫外線微膠囊、抗菌除臭微膠囊等。

在防水透濕涂層劑中加入其他添加劑，也是改善織物品質的重要手段[31]。王可等[32]將熒光材料稀土鋁酸鍶粉末混于PU樹脂作為膠料制備熒光防水透濕薄膜，并和細旦尼絲紡基布層壓貼合，開發了熒光防水透濕面料。經檢測產品的熒光性能、防水透濕性能和物理性能優異，可應用于高檔熒光防水透濕特種防護面料。

綜上所述，研發織物時，可將其防水透濕功能與其他功能相結合，開發出符合未來發展趨勢的新型面料。

4.3 防水透濕織物的環保化

紡織面料的環保化是現代生產加工的重要課題，包含了從面料生產到服裝后整理的各環節。當前的紡織品加工處理中多使用甲苯、聚氨酯、二甲基甲酞胺等有機溶劑。有機溶劑可以溶解部分不溶于水的有機化合物，在生產生活中應用廣泛，但它具有易揮發，難以回收的特點，且對環境和人體都有很大危害，因此相關環保法規對有機溶劑的使用進行了限制。以水為介質的水性聚氨酯有著不易燃、氣味小、不污染環境、節能、操作加工方便等優點，逐步取代溶劑型聚氨酯已成為發展的必然趨勢[33]。

逐漸商品化的含氟整理劑分解后會產生全氟辛烷磺酰基化合物，是一種極難降解的有機污染物。應用防水劑涂層整理后的織物，多次洗滌后可能會發生整理劑脫落的現象，不僅防水透濕功能減弱，而且對人體和環境具有潛在的威脅。引入SiO2等納米顆粒處理無氟防水透濕膜，增大比表面積，構建多級結構粗糙表面，可提高織物表面的可潤濕性。

Sympatex是一種安全環保的新型材料，它在加工處理、廢物降解以及焚燒的過程中都不會發生化學反應，完全無污染。并且它具有優良的防水、防風、耐彎曲、耐磨損性能，可廣泛運用于運動服、鞋類、配飾中[34]。

5 結語

隨著科技創新的不斷推進，高新紡織機械、新型纖維材料、高端生產技術不斷涌現，為紡織業的發展提供了動力。為促進紡織業的發展、滿足人民日益增長的美好生活需要，發展功能性紡織品日趨重要。在靈活利用各種機理實現功能性的同時，吸收和嫁接新興技術，推動紡織業從“汗水型”走向“智能型”。

防水透濕功能織物可滿足人們對舒適性的需求，具有非常廣闊的前景，它既能避免惡劣天氣下雨雪的入侵，也能使人體汗液快速排出。在制造產品時要注意分析不同加工方式和透濕機理制成的防水透濕織物所擁有的不同特點，同時考慮到工藝難易和生產成本，實現產業化。伴隨著高分子材料學的發展以及制造方法的研發改進，未來將會出現具有高防水透濕性且對環境友好的多功能織物。