戶外睡袋用面料防水透濕性能的評價

安昱盈, 溫 潤,b, 徐廣標(biāo),b

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院;b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室,上海 201620)

隨著人們對戶外探險活動需求的不斷增長和對戶外活動綜合質(zhì)量要求的不斷提高,戶外裝備產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]。戶外睡袋作為一種適用于男女老幼,且可在野外、山地等多種環(huán)境條件下使用的裝備,市場需求越來越大。由于戶外睡袋需要在特殊環(huán)境使用,睡袋面料對防水性能和透濕性能有很高的要求[2]。市場上戶外睡袋面料的種類很多,主要包括高密面料、涂層面料和覆膜面料。高密面料以滌綸、錦綸面料為主,涂層面料以PVC、PU涂層面料為主,覆膜面料包括PU、TPU、PTFE覆膜面料。目前國內(nèi)對于防水透濕涂層及薄膜的制備方法與性能研究較多[3-5],對普通棉毛、滌錦織物的抗?jié)B水性能與透濕透氣性能也有涉及[6-8],但對專門用于戶外睡袋的面料性能尚未有整體的比較與分析。由于市場缺乏對戶外睡袋面料防水性能和透濕性能的數(shù)據(jù)支撐,本文對市場上已有的20種戶外睡袋面料進(jìn)行調(diào)研,旨在對面料的表面抗?jié)裥浴⒖節(jié)B水性、透濕性進(jìn)行測試與評價,為戶外睡袋面料的制備與篩選提供一些指導(dǎo)。

1 試 驗

1.1 試 樣

本文收集了戶外睡袋市場上的20種面料,分別標(biāo)號為1#～20#,其中面料1#～15#為高密面料,面料16#、17#為涂層面料,面料18#～20#為覆膜面料。面料具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

1.2 指標(biāo)測試

1.2.1 儀 器

Y813型織物沾水度測定儀、YG 812E型抗?jié)B水性能測定儀(溫州方圓儀器),YG 601H型電腦型織物透濕儀(寧波紡織儀器),FlexSEM 1000電子顯微鏡(HITACHI)。

表1 面料規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specification parameters of fabrics

1.2.2 表面抗?jié)裥?/p>

根據(jù)GB/T 4745—1997《紡織織物 表面抗?jié)裥詼y定 沾水試驗》,采用Y813型織物沾水度測定儀對面料的表面抗?jié)裥赃M(jìn)行測試;每種試樣測試3次,取平均值作為測試結(jié)果。具體測試步驟:將調(diào)濕后的織物正面朝上夾緊放在支座上;將250 mL去離子水迅速注入漏斗,待淋水停止,將夾持器連同試樣一起拿開,使織物正面朝下呈水平;對著硬物輕敲兩次,觀察試樣潤濕程度,評定沾水等級。

1.2.3 抗?jié)B水性

根據(jù)GB/T 4744—1997《紡織織物 抗?jié)B水性測定 靜水壓試驗》,采用YG 812E型抗?jié)B水性能測定儀,選用增壓法對面料的抗?jié)B水性能進(jìn)行測定;每種試樣測試5次,取平均值作為測試結(jié)果。具體測試步驟:將YG812E型抗?jié)B水性能測定儀按規(guī)定裝滿去離子水,打開儀器按加水鍵將水位加至規(guī)定處;將試樣放于平臺上,將夾持器擰緊,開始測試;當(dāng)試樣出現(xiàn)第三滴水珠時,記錄此時壓力。

1.2.4 透濕性

根據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分:吸濕法》,采用YG 601H型電腦型織物透濕儀測定面料的透濕性能;每種試樣測試5次,取平均值作為測試結(jié)果。具體測試步驟:將無水氯化鈣和試樣按規(guī)定放入透濕杯,組成組合體;不蓋杯蓋將組合體放入溫度38 ℃、濕度90%的電腦型織物透濕儀平衡0.5 h后取出;蓋上杯蓋在硅膠干燥器中平衡0.5 h取出依次稱重,記錄數(shù)據(jù);再取下杯蓋放入試驗箱內(nèi),1 h后取出,蓋上杯蓋依次稱量,記錄數(shù)據(jù),計算出試樣的透濕量。透濕量的計算公式如下:

(1)

式中:WVT是每平方米24 h的透濕量,g/(m2·d);Δm是同一試驗組合體兩次試驗之差,g;S是試樣試驗面積,m2;t是試驗時間,h。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面抗?jié)裥?/h3>

20種面料的沾水度評級如表2所示。

表2 面料沾水度評級Tab.2 Grading of surface moisture resistance

由表2可知,20種面料的沾水度評級從1～5級不等,表面抗?jié)裥阅懿町惡艽?。對于高密面料來說,除了壓光處理后的面料沾水等級在4級及以上,其他高密面料的沾水等級分布在1～3級。涂層面料的沾水等級分布在2～3級。覆膜面料的沾水等級均≥4級。

對于高密面料來說,面料的表面抗?jié)裥阅芘c纖維種類、織物組織結(jié)構(gòu)、織物表面形態(tài)和后整理方式有關(guān)。對比高密面料14#、15#,棉/木棉面料與參數(shù)相近的錦綸面料相比表面抗?jié)裥暂^差,因為棉和木棉是親水性材料而錦綸為疏水性材料,吸濕性好的面料比吸濕性差的面料表面抗?jié)裥圆頪9]。高密面料7#、8#、9#的沾水度很高,分析是由于織物總緊度小孔隙率大,且由于表面形態(tài)的關(guān)系,固液之間接觸角較小,所以水分子容易鋪展?jié)櫇窨椢?表面抗?jié)裥阅懿?。對比高密面?#、2#、3#、5#、6#、12#、13#知,織物緊度越大、組織結(jié)構(gòu)緊密程度越大、紗線間排列越整齊,面料表面抗?jié)裥阅茉酱?。高密面?#、10#、11#經(jīng)過壓光后整理后改變了織物的表面形態(tài)使表面抗?jié)裥燥@著提高。對于涂層面料16#、17#,由于涂層種類的不同表面能也不同,PVC涂層的表面能小于普通印花涂層,所以表面抗?jié)裥陨院?。覆膜面料中PTFE膜的表面抗?jié)裥阅芎芎?這是由于PTFE薄膜表面能很小,且薄膜不親水。同為覆膜面料的面料18#、20#比面料19#的表面抗?jié)裥陨圆?分析是因為PU膜和TPU膜均為親水性薄膜,在薄膜表面的親水基團(tuán)會吸附一些水分子,故沾水等級較PTFE膜小。

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32614—2016《戶外運(yùn)動服裝 沖鋒衣》中,要求服裝面料的沾水度評級至少為4級。所以在所試驗的面料中,高密壓光面料與覆膜面料較適宜于用作戶外睡袋面料。而涂層面料由于涂層種類與配方的不同可導(dǎo)致其性能差異較大,故不排除可通過改變漿料種類和生產(chǎn)工藝等方法提高其表面抗?jié)裥缘目赡苄浴?/p>

2.2 抗?jié)B水性

20種面料的抗?jié)B水性能如圖1所示。

圖1 20種面料抗?jié)B水性能Fig.1 Water penetration resistance of 20 kinds of fabrics

由圖1可知,20種面料的靜水壓從11.33～55 kPa不等,抗?jié)B水性能差異很大。并且覆膜面料18#、19#、20#的抗?jié)B水性能均高于涂層面料16#、17#,涂層面料16#、17#的抗?jié)B水性能普遍高于高密面料1#～15#。對高密面料、涂層面料和覆膜面料3類面料的靜水壓數(shù)值進(jìn)行單因素方差檢驗,當(dāng)α=0.05時,P=4.563 31×10-8<0.001,認(rèn)為3類面料的抗?jié)B水性能有非常顯著的差異。

為了更深入地分析面料抗?jié)B水性能的結(jié)果,采用FlexSEM 1000電子顯微鏡對各種面料的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。20種面料的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 20種面料基本形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.2 Morphology and structure of 20 kinds of fabrics

從圖2可以看出,高密面料中紗線交織和紗線中纖維間存在空隙,使其較涂層、覆膜面料抗?jié)B水性能差。對高密面料來說,由于織物結(jié)構(gòu)參數(shù)不同,織物抗?jié)B水性存在差異。為了進(jìn)行更深入分析,對高密面料1#～15#的織物總緊度、織物厚度、織物面密度與抗?jié)B水性能進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表3所示。

表3 織物參數(shù)與織物靜水壓的相關(guān)性Tab.3 Correlation analysis between fabric parameters and hydrostatic pressure

由表3可知,織物總緊度與織物抗?jié)B水性能相關(guān)系數(shù)>0.5,為強(qiáng)相關(guān);織物面密度與織物抗?jié)B水性能相關(guān)系數(shù)在0.3～0.5,為中相關(guān)。

由于織物總緊度與織物抗?jié)B水性能有較強(qiáng)的相關(guān)性,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析模擬,得到的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 織物總緊度與織物靜水壓的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between total tightness and hydrostatic pressure of fabrics

由圖3可知,織物總緊度與織物靜水壓之間呈非線性正相關(guān)關(guān)系,隨著織物總緊度增大,面料抗?jié)B水性能也增大,但增大的幅度越來越小。

對涂層面料來說,兩者的抗?jié)B水性均稍大于高密面料,而PVC涂層面料的抗?jié)B水性優(yōu)于普通涂層面料。這是因為普通涂層面料的漿料較少地附著在紗線表面,對面料本身的空隙影響不大,而PVC涂層面料的漿料幾乎覆蓋住了面料,使面料孔隙率減小,所以抗?jié)B水性高于普通涂層面料。但PVC涂層并沒有完全覆蓋整個織物平面,紗線尚能滑移使織物具有一定彈性,所以面料在抗?jié)B水性實驗中受到一定壓力時,織物仍會變形使紗線間空隙增大從而使水滲透,導(dǎo)致PVC涂層面料的抗?jié)B水性能相較于高密面料和普通涂層面料增加不明顯。

對覆膜面料來說,3種面料的面密度、厚度、底布參數(shù)相差不大。PTFE膜的防水性能很好,這是因為PTFE膜的微孔孔徑比水滴直徑小,使水珠不能透過該層膜,從而達(dá)到防水效果[10]。PU膜的抗?jié)B水性能優(yōu)異,是由于其表面有一層致密薄膜,薄膜微孔孔徑小于水分子直徑,使水分子很難進(jìn)行傳遞[11-12]。TPU膜抗?jié)B水性能較好,但比PU膜與PTFE膜稍差,分析是由于TPU表面存在微孔,試驗中當(dāng)水壓達(dá)到一定程度時,TPU膜的微孔孔徑因受力而增大,部分水分子滲入。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21295—2014《服裝理論性能的技術(shù)要求》中,具有防雨功能的服裝抗?jié)B水性試驗中的靜水壓值需要≥13 kPa。而一部分高密面料并未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),所以覆膜面料和涂層面料更適宜于用作戶外睡袋面料。

2.3 透濕性

20種面料的透濕性能如圖4所示。

圖4 20種面料的透濕性能Fig.4 Moisture penetrability of 20 kinds of fabrics

由圖4可知,高密面料的透濕量集中在3 000～6 000 g/(m2·d),涂層、覆膜面料透濕量集中在1 000～4 000 g/(m2·d),可認(rèn)為高密面料的透濕性能普遍優(yōu)于涂層和覆膜面料。對3類面料的透濕量數(shù)值進(jìn)行單因素方差檢驗,當(dāng)α=0.05時,P=0.010 374 41≈0.01,說明3類面料的透濕性能存在顯著差異。對3類面料的透濕性能作進(jìn)一步分析:

1)對高密面料1#～15#來說,織物的透濕量與織物總緊度、織物面密度、織物厚度進(jìn)行相關(guān)性分析,如表4所示。

表4 織物參數(shù)與織物透濕量的相關(guān)性Tab.4 Correlation analysis between fabric parameters and WVT

由表4可知,織物總緊度與織物透濕性能相關(guān)系數(shù)絕對值>0.5,為強(qiáng)相關(guān);織物面密度與織物透濕性能相關(guān)系數(shù)絕對值在0.3～0.5,為中相關(guān)。

由于織物總緊度與織物透濕性能有較強(qiáng)的相關(guān)性,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析模擬,得到的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 高密織物總緊度與織物透濕量的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between total tightness and WVT of high-density fabrics

由圖5可知,高密織物總緊度與織物透濕性能呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著織物總緊度的增大,透濕性能逐漸降低,且降低速率越來越小。

2)對涂層面料來說,透濕量在1 000～3 000 g/(m2·d),透濕性能較差。普通印花涂層比非涂層高密面料的透濕性差,但比PVC涂層的透濕性能好。這是因為被涂覆的漿料較少,幾乎沒有堵住紗線間的空隙,所以對水蒸氣分子透過織物的影響不顯著。PVC面料的透濕性能差,是由于漿料已經(jīng)從織物正面滲入到了內(nèi)部,填滿了大部分紗線空隙,而且漿料本身不親水,所以導(dǎo)致大部分水蒸氣分子不能很好地透出。

3)對覆膜面料來說,整體的透濕量在2 000～4 000 g/(m2·d),PTFE覆膜織物的透濕性能最好,因為PTFE膜是一種高分子聚合物薄膜,它內(nèi)部的微孔孔徑介于水蒸氣分子直徑和液態(tài)水分子直徑之間,所以水蒸氣分子能較容易透過織物[10]。PU膜的透濕性能較差,分析是由于PU膜配方中親水基團(tuán)含量較少,能被吸附、擴(kuò)散、解吸的水蒸氣分子很少,大部分水蒸氣分子不能透過PU膜。對TPU薄膜來說,溫度升高會使軟鏈段中極性基團(tuán)活動頻繁,加強(qiáng)極性基團(tuán)與水蒸氣分子之間的氫鍵作用,提高擴(kuò)散常數(shù)和溶解度參數(shù),使軟鏈段中極性基團(tuán)單位時間內(nèi)運(yùn)輸?shù)乃魵夥肿拥臄?shù)量增加,而且TPU薄膜在30～40 ℃時透濕量增加的幅度較大[12]。水蒸氣在無孔親水性聚氨酯膜TPU中的傳遞還與薄膜兩側(cè)的蒸汽壓差有關(guān),蒸汽濃度梯度越大,TPU膜的透濕性能越好[13]。由于本文透濕試驗儀器要求在溫度38 ℃、濕度90%的條件下測試,所以高濕高溫環(huán)境使TPU的透濕性能得到了加強(qiáng),TPU覆膜織物的透濕量大于PU覆膜織物。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21295—2014要求服裝的透濕量為3 000 g/(m2·d)。所以高密面料和PTFE覆膜面料更適宜用作戶外睡袋面料。

3 結(jié) 論

1)對20種面料的表面抗?jié)裥阅軄碚f,未經(jīng)過壓光的高密面料和涂層厚度較小的涂層面料表面抗?jié)裥暂^差,沾水度評級≤3級。覆膜面料和高密壓光面料的表面抗?jié)裥阅茏詈?沾水度等級達(dá)到了≤4級。

2)對20種面料的抗?jié)B水性能來說,高密面料的抗?jié)B水性能最差,最低僅為11.33 kPa。涂層面料的抗?jié)B水性能稍優(yōu)于高密面料,不到20 kPa。覆膜面料的抗?jié)B水性能顯著優(yōu)于涂層和高密兩類面料,靜水壓值最高達(dá)到55 kPa。

3)對20種面料的透濕性能來說,高密面料的透濕性能普遍高于涂層和覆膜面料,最高達(dá)到6 000 g/(m2·d)以上;涂層面料中PVC涂層面料透濕性能小于2 000 g/(m2·d),透濕性能較差;覆膜面料中PTFE兩層覆膜面料透濕性能最好,透濕量約為4 000g/(m2·d)。

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