VAP 膜透氣性測試及影響因素分析

郭帥 李志強(qiáng) 李廣斌 李潔 劉濤

摘 要 研究測試了不同批次、不同型號單向透氣膜（VAP膜）的透氣性能，并利用掃描電鏡對VAP膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描分析，測試結(jié)果表明，VAP膜透氣性與其成型工藝相關(guān)，并且與涂層截面的孔隙相關(guān)，涂層截面孔隙率越高，透氣性越好；另外，透氣性與涂層表面孔洞數(shù)量無直接相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 防水透氣膜；涂層；孔隙率；透氣性；濕法涂布

VAP Membrane Gas Permeability Test

and Influencing Factor Analysis

GUO Shuai1，3， LI Zhiqiang1， LI Guangbin1， LI Jie2， LIU Tao2

（1.Lianyungang Industrial Investment Group Fiber and New Materials Test Center Co.， Ltd.， Lianyungang 222000; 2.Zhongfu Lianzhong Wind Power Blade（Lianyungang）Co.，Ltd.， Lianyungang 222000;? 3.Lianyungang Industrial Investment Group Fiber and New Materials Test Center Co.， Ltd.， Lianyungang 222000）

ABSTRACT The air permeability of different batches and different types of VAP membranes was tested， and the microstructure of VAP membranes was scanned and analyzed by scanning electron microscope， and the test results showed that the air permeability of VAP membrane was related to its molding process and the porosity of the coating section， and the higher the porosity of the coating section， the better the air permeability. It is worth mentioning that the air permeability is not directly related to the number of pores on the surface of the coating.

KEYWORDS waterproof and breathable ; coating; porosity; air permeability; wet coating

通訊作者：郭帥，碩士研究生，中級工程師。研究方向為纖維與復(fù)合材料工藝性能評估與應(yīng)用。E-mail：guoshuai031007@126.com

1 引言

VAP膜又稱單向透氣膜，是一種可以阻擋樹脂并允許氣體通過的材料。該產(chǎn)品由基布和半透膜涂層兩部分組成。

風(fēng)電葉片在真空灌注成型過程中會使用VAP膜，利用其透氣不透膠的特性提供輔助抽氣功能并保護(hù)真空管路不被樹脂進(jìn)入，避免樹脂在流動過程中進(jìn)入真空管路，造成堵塞。使用過程中，為獲得更好的抽氣效果，將VAP膜涂層面朝向樹脂側(cè)，基布面朝向抽氣側(cè)。

目前市面上VAP膜產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，不合格、不穩(wěn)定的VAP膜產(chǎn)品，對于風(fēng)電葉片的灌注成型質(zhì)量有很大影響。一旦出現(xiàn)VAP膜透氣性不足，風(fēng)電葉片產(chǎn)品在灌注過程中極易出現(xiàn)因壓力不足導(dǎo)致的浸潤不良，造成不必要的質(zhì)量損失。因此，葉片成型過程中的VAP膜，對透氣性能有較高要求；我國對織物透氣性的測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了試樣面積為5 cm2、20 cm2、50 cm2或100 cm2［1］，試樣兩側(cè)壓降為50 Pa、100 Pa、200 Pa或500 Pa。而根據(jù)VAP膜在葉片成型過程中的使用環(huán)境特點，行業(yè)內(nèi)大型葉片制造公司一般選用的試樣面積為38 cm2，試樣兩側(cè)壓降2500 Pa。

為此，針對這一問題，對目前市面上的不同VAP膜產(chǎn)品進(jìn)行透氣性測試，織物透氣性的測試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》執(zhí)行［2-3］，并利用掃描電鏡對VAP膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描分析，結(jié)合VAP膜成型工藝，深入分析VAP膜透氣性機(jī)理。

2 VAP膜透氣性能影響因素及分析

2.1 成型工藝

防水透氣膜成型工藝一般分為干法涂布與濕法涂布工藝。其中，干法涂布，將PU樹脂直接涂覆在基布上而成。濕法涂布，先在基布上涂覆PU樹脂，然后放到DMF水溶液中，等到基布上的PU樹脂中的DMF（二甲基甲酰胺）析出到水里后，干燥成型。濕法工藝由于加上水的作用，手感較為柔軟，且透氣性較好，款式也較多［4］。

除此之外，涂布工藝還有靜電紡絲等；利用聚合物在高壓電場作用下，從噴嘴進(jìn)行噴射拉伸，從而獲得固體納米級纖維，此種工藝產(chǎn)生的孔隙更大，透氣性更好［5］。

2.2 涂層孔隙率

VAP膜工作原理是利用水滴與空氣分子/水蒸氣分子之間的尺寸差異，空氣分子/水蒸氣分子尺寸量級為納米，約為0.3～0.4 nm。涂層表面存在密集的孔洞，其孔洞尺寸量級為微米，可以滿足空氣分子/水蒸氣分子順利通過；液態(tài)水/水滴因為表面張力的作用（水分子之間互相“拉扯抗衡”），且液態(tài)水/水滴的粒徑遠(yuǎn)大于防水透氣膜微孔直徑的，因此液態(tài)水/水滴就不能順利滲透到另一側(cè)［6］。

流體通過這種特征的多孔介質(zhì)而流動則叫做滲流。透氣性測試原理是在規(guī)定壓差下，測定一定時間內(nèi)垂直通過試樣給定面積的氣流流量，計算出透氣率。在此測試條件下，滿足氣體穩(wěn)定滲流基本方式，如公式（1）所示。

v=-kμ p（1）

式中，v—氣體流動速度，K—滲透率張量，μ—參數(shù)，▽p—壓降。

根據(jù)公式（1）可知，VAP膜透氣率與兩側(cè)壓降應(yīng)成正比關(guān)系（公式中“-”是因為流速與壓降方向相反）。

2.3 基布規(guī)格

VAP膜基布所用材質(zhì)一般為尼龍6或滌綸，對純紡織織物而言，織物的透氣性與其緊度和經(jīng)密、緯密之間都存在直接的關(guān)系。并且，在機(jī)織物透氣性相關(guān)研究中，學(xué)者們已取得一定成果，探討了纖維種類、紗線捻度、紗線紗支、織物密度、織物交織狀態(tài)、織物厚度以及織物后整理技術(shù)對織物透氣性的影響，并且得出了一般規(guī)律［7-10］。

而涂層織物透氣性，基布對整體的透氣性影響微乎其微，原因是基布透氣性量級一般為1000 mm/s，而涂層織物透氣性一般在10 mm/s以下，本文中忽略基布對整體的透氣性影響。

3 VAP膜透氣性試驗

3.1 主要原材料

本文選擇VAP膜產(chǎn)品共5款，分別來自不同廠商A、B、C。A、B廠商VAP膜產(chǎn)品成型工藝是在PA6的基布上，通過濕法涂布工藝制成。濕法涂布工藝，工藝流程為：基布→浸漬→涂膠→凝固池→清洗池→烘箱→冷卻→卷曲→后貼處理→成品檢驗，即得成型的VAP膜。VAP膜產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

3.2 主要檢測設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)

調(diào)濕標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T6529-2008《紡織品 調(diào)濕和試驗用標(biāo)準(zhǔn)大氣》執(zhí)行；透氣量測試標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》執(zhí)行；透氣試驗儀器型號為FX3300-IV，瑞士TexTest公司制造；試樣面積為38 cm2；試樣壓強(qiáng)為2500 Pa；掃描電鏡儀器型號為EVO10，德國Zeiss制造；試樣電壓為15 Kv。

4 結(jié)果與討論

4.1 透氣性測試結(jié)果

參照GB/T5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》標(biāo)準(zhǔn)測試步驟如下：

（1）用標(biāo)準(zhǔn)取樣器取所需的VAP膜樣品三個，檢查切口，試樣表面需平整無劃傷無損壞，邊緣沒有傷痕及裂縫；（2）按GB/T 6529-2008放在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境（溫度20 ℃，濕度65%）進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，時間不少于4小時；（3）將取好的樣品放入測試臺，選擇壓盤面積為38 cm2，測試壓強(qiáng)為2500 Pa，完全蓋住測試腔表面，然后蓋上測試腔上腔，按壓手柄壓緊試樣，等待結(jié)果出現(xiàn)，測得各VAP膜透氣性如表2所示。

由表2可知，1、2、3號樣品雖然是同一廠商同一規(guī)格型號，但是由于批次的不同，其透氣性差異較大。VAP膜本身批次間透氣性的不穩(wěn)定，對于葉片的灌注成型質(zhì)量影響較大，并且在后期質(zhì)量問題排查無法追本溯源，給生產(chǎn)過程制造巨大麻煩。各VAP膜透氣性從小到大依次是：1號＜2號＜4號＜3號＜5號。5號樣品透氣性遠(yuǎn)高于其他樣品，推測與其成型工藝相關(guān)。

4.2 掃描電鏡結(jié)果

4.2.1 涂層表面掃描結(jié)果

利用掃描電鏡，對各VAP膜涂層面進(jìn)行掃描測試，放大倍數(shù)2000倍和10000倍，測試結(jié)果分別如表3所示。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，樣品1-4涂層面微觀結(jié)構(gòu)基本一致，涂層表面孔洞大小數(shù)量相近，孔徑尺寸范圍0.1～1 μm，無法與宏觀透氣性結(jié)果對應(yīng)；而5號樣品則呈現(xiàn)完全不同的狀態(tài)，在2000倍放大下，從正面觀測到內(nèi)部呈現(xiàn)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且孔洞尺寸已經(jīng)超過20 μm。表面孔洞與透氣性無法看出直接相關(guān)性。

4.2.2 涂層斷面掃描結(jié)果

利用掃描電鏡，對各VAP膜涂層斷面進(jìn)行二次掃描測試，放大倍數(shù)4000倍和2000倍，測試結(jié)果分別如表4所示。

由表4可知，1-4號樣品涂層面微觀結(jié)構(gòu)相似，但是涂層斷面孔洞大小數(shù)量已經(jīng)可以觀測到明顯差異，1號樣品斷面孔洞數(shù)量最少，僅觀測到2-3個孔洞，并且孔洞近乎閉孔；1-4號樣品涂層斷面孔洞數(shù)量尺寸從小到大依次為：1號＜2號＜4號＜3號，與透氣性宏觀測試結(jié)果保持一致。

而5號樣品與1-4號樣品微觀結(jié)構(gòu)完全不同，與涂層表面掃描結(jié)果保持一致，內(nèi)部呈現(xiàn)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。造成差異的原因是成型工藝的差異，1-4號樣品的成型工藝采用的是濕法涂布工藝，而5號樣品采用的是靜電噴絲工藝，利用靜電噴頭將液態(tài)涂層噴出成絲，在基布表面形成復(fù)合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成型后有更多、更大的孔隙率，所以最終的制品透氣性更好。

5 結(jié)語

通過上述試驗，測試各VAP膜透氣量及涂層微觀結(jié)構(gòu)，可以得出以下結(jié)論：

（1）5號產(chǎn)品透氣性達(dá)到了4.7 m/s，而1-4號產(chǎn)品透氣性能均小于1 m/s，表明VAP膜成型工藝對透氣性有影響，說明了靜電紡絲工藝優(yōu)于濕法涂布工藝；

（2）5號產(chǎn)品孔洞尺寸為20 μm，而1-4號產(chǎn)品孔洞尺寸為0.1-1 μm，表明VAP膜透氣性與涂層孔隙有關(guān)。另外，在計算分析涂層孔隙時，不能僅考慮涂層表面孔洞，需與涂層斷面孔隙結(jié)合分析，孔隙越大，透氣性越好。

參 考 文 獻(xiàn)

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