高透濕高防水TPU膜

高透濕高防水TPU膜

對TPU來說，紡織品工業是一個人們不太熟悉的市場，在這裏TPU被貼合在底布上，它要為穿著紡織品的人們提供保護性、舒適性和美觀性。為此，人們研製出一種具有“可呼吸”(breathable)的TPU。這種聚醚型“高透濕性”TPU可擠出加工成薄膜，它與機織底布複合在一起，這層TPU膜起到一種可暢通呼吸的阻隔膜作用，即，由人體產生的水氣可以散發出去，而任何外界的液體又不能透進來。這種可呼吸性使TPU的應用延伸到一些新的領域：運動服、衛生製品、外衣、醫用服裝、防護服等，這些製品都要求做到，既讓人感到舒適，又要在穿著者和環境之間建立起一道具有有效保護性的阻隔屏障。這種可呼吸性TPU的薄膜，其透濕性乃是普通TPU膜的5~6倍。

熱塑性聚氨酯（TPU）是一種強韌、耐久的彈性材料，多年一直致力於滿足了國際市場上的許多種需求。這種材料性能的靈活多樣性，是其它材料所難以比擬的，如突出的耐磨性、強度和韌性、耐化學品和耐水解性、抗黴菌性、低溫柔順性、透明性、色澤穩定性、裝飾容易，並且能用許多塑料加工的方法進行加工。所以，它在電線和電纜、鞋製品、汽車、醫療保健、水帶和長管、薄膜和片材等用途中得到了廣泛的應用。

TPU的透濕性能高於PVC，雖然透濕性並不是當時TPU進入紡織品的主要原因，但這種特性卻正是紡織品所希望的。如今，紡織品的透濕能力已變得非常重要，而TPU依然是解決這個問題的不錯手段。

TPU在紡織品中應用的簡要曆史

TPU用作布料的塗層已有近30年時間了。它的早應用，是取代人們一直認為是“外觀和手感均不錯”的PVC。PVC缺少柔順性、增塑劑遷移、不耐磨、低溫性能不好，而且透明性差，這些正好為TPU取代PVC創造了機會，雖然成本高了些，但是上述問題TPU都能解決。此外，TPU提供了出色的柔軟手感、具有高的表麵光澤，可加工成皮革那樣的外觀和感覺（鞋類製品）。

透濕性是紡織品結構的一種功能，它允許人體所產生的水汽透過而散發掉，但同時又不允許液體透過它而進出。這種性質用“水氣透過速率”來表示，即單位時間內水汽在垂直於人體表麵方向上通過單位麵積的流速，表示為規定時間間隔裏每平方米透過的水汽克數。ASTME96B和96E是測定它的方法。

如今紡織品製造商認為保護有雙重含義：一是防止外界環境因素對穿著者的侵害，二是防止著衣者對外界環境的汙染，如潔淨操作間的工服和外科手術服。在潔淨操作間工作的條件下，目的是防止人的皮膚接觸那些特別敏感的電子器件，而在外科手術的條件下，則是防止著裝人所帶有的微生物對病人可能造成的傷害。

1991年美國職業安全和衛生管理局規定：凡是與血液接觸的職業人員必須進行適當的防護，以保證血液和其它傳染性物質不得接觸到這些工作人員的皮膚和內衣。換言之，即必須穿戴防護服。這項規定促使人們建立了一些防護服對液體或病毒阻隔效率的評價方法（ASTMES21和ES22）。

雖然人們對呼吸能力達到怎樣的程度才算舒適尚有不同的看法，但是，紡織品既要舒適、又要具有保護功能，已是當今對紡織品提出的非常重要的要求。為此，人們研製出了這樣一種薄膜，它既能阻止液體透過，又允許水蒸氣透過，這樣一來，紡織品可以迅速在內、外之間的達成平衡，這樣可以滿足既舒適、又保護的雙重要求。

致密型薄膜和微孔型薄膜

在構成這種既能舒適、又能保護的阻隔結構時，有兩種途徑，它們都能做到使薄膜或塗層既能透水氣、又能阻液體。一種是微孔型薄膜，另一種是致密型薄膜。

氣體和蒸汽穿透這種薄膜的機理取決於微孔的尺寸。水汽透過速率與薄膜麵積和濃度驅動力成正比。所以，薄膜的物理結構是決定其大小的主要因素。　

微孔型薄膜提供了一些毛細管的氣體通路，直徑約為25.4靘，液體分子無法通過。這種結構是將兩種不相容的材料（如聚合物和無機填料）通過拉伸產生的，牽伸作用在填料顆粒周圍形成一些微孔。許多聚合物（從聚烯烴到PTFE）都可以作成這樣的薄膜。這種薄膜的結構如圖１所示。

圖１．聚合物－填料拉伸構成微孔型薄膜的示意圖

致密型薄膜是一種致密、無孔的薄膜，它是用澆注或擠出法得到的實心薄膜，它也可以貼合到基布上。雖然用多種聚合物體係可以製得這種薄膜，然而成本要高些，因為要使舒適性和保護性都達到所要求的水平，則需要一種特殊的聚合物體係（如TPU）。這種聚合物通常是親水性和快速吸水性的，因此它對水蒸氣有強的吸引力，產生了一種毛細“芯吸”作用。圖２說明了水蒸氣透過這種薄膜的機理。

致密型薄膜透過水氣的機理示意圖

致密型薄膜透過水氣的過程被稱作活化擴散過程。這種機理是與氦氣從氣球中散發出來的機理一樣的。滲透物在高濃度的一側溶解於薄膜的表麵上，然後穿過薄膜進行擴散。當氣體到達對側時，滲透物被解吸，進入到周圍的大氣中。在這個過程中，聚合物的化學結構和薄膜的厚度乃是決定滲透性的主要因素。

對這兩種薄膜特點進行的比較，如表１所示。

表１．致密型和微孔型薄膜的比較

致密型薄膜

微孔型薄膜

防風

防水、防液體(proof)

對表麵活性劑不敏感

選擇性滲透

高的進水壓

可以改變的水溶脹性

出色的撕裂強度

出色的隔絕氣味能力

高的水氣透過速率

中到高的成本

防風

阻水、阻液體(resistant)

表麵活性劑引起泄漏

非選擇性滲透

低的進水壓

無水溶脹性

低的撕裂強度

差的隔絕氣味能力

低的水氣透過速率

低到高的成本

在致密型薄膜中，由於不存在微孔，所以一般是需要阻隔病毒的那些用途上所接受的技術，而高MVTR的TPU就被用來生產這種舒適、透濕而防水的產品。

TPU及其化學原理

TPU既有橡膠的彈性，又有塑料的剛性，從而得到了廣泛的應用。它的多功能性和耐久性，使它比傳統的熱固性係統具有更好的強度和韌性，而且能用各種加工塑料的工藝進行各種各樣的加工。

TPU具有寬範圍的性能，既具有高的拉伸強度和伸長率，又具有優異的抗撕裂和抗剪切性能，所以它非常為人們所看中。其耐磨性比尼龍、橡膠、聚苯乙烯或高密度聚乙烯都好，所以應用於許多用途。TPU膜具有很好的耐化學品性、抗UV性和耐水解性、出色的低溫柔順性和出色的彎曲疲勞性。此外，透明性、染色性和易裝飾性，使TPU成為各種裝飾用途的理想材料。TPU的可回收性使它不存在環境汙染問題。

TPU有幾個特性使它特別適合用於紡織品工業。它的柔順性（特別是低溫柔順性），使TPU製品手感柔軟和沒有聲響。這種材料保持了良好的阻隔性，而又提供了高的呼吸能力，這正是室外作業和運動服工業所要求的。阻止黴菌的生長、可洗性、橡膠彈性、抗撕裂和抗刺紮能力以及能加工成纖維，從而使TPU順利地進入了紡織品的製造業。還有一些TPU提供了抗靜電性，這是潔淨工房環境下穿戴的服裝所要求的。

TPU是熱塑性彈性體(TPE)中的一員，而TPE在加熱、加壓下可以成型和二次成型的聚合物。所有的TPU都是用三種主要原材料形成的：二異氰酸酯、大分子二醇和擴鏈劑。這些成分中每一種成分的選擇都影響著聚合物的結構，因此也就影響著它的終物理性能。在TPU的製造中還會用到一些其它原材料，如穩定劑、潤滑劑、填料和顏料。

（１）二異氰酸酯

生產TPU所采用的二異氰酸酯有兩類：脂族的(HMDI、IPDI)和芳族的(MDI、TDI)。脂族異氰酸酯型TPU光穩定性好、能溶於緩和的溶劑中、有良好的耐候性和耐磨性，而芳族異氰酸酯型TPU成本低、更好的耐溶劑性、更好的拉伸強度和回彈性。終聚合物的水解性主要取決於多元醇的選擇。典型的二異氰酸酯有：

OCN-(C6H8)-CH2-(C6H8)-NCOH12MDI

NCO-(C6H6)(CH3)3(CH2NCO)IPDI

OCN-(C6H4)-CH2-(C6H4)-NCOMDI

（２）多元醇

多元醇與二異氰酸酯反應形成了聚合物的軟段主鏈，使材料具有無定形性。大分子二醇的分子量越高，則聚合物鏈越長，後產品越柔軟。大分子二醇類型（聚酯、聚醚或聚碳酸酯）的選擇影響著終TPU的耐化學品性和耐水解性。

聚酯為TPU提供了更好的耐UV、耐氧化和耐化學品性，而且所得到的物理性能也較好，聚醚提供了較好的水解穩定性和良好的低溫性能。聚碳酸酯提供了聚醚和聚酯的綜合性能，但是，成本高，隻能改變鏈長。典型的大分子二醇如下：

HO-[CH2-CH2-O]x-[CH(CH3)-CH2-O]y-H聚醚二醇（EO/PO共聚）

HO-[CH2-CH2-CH2-CH2-O]x-HPTMG

HO-[CH2-CH2-O]x-HPEG

HO-[O-(CH2)5-CO]x-O-R-O-[CO-(CH2)-O]x-H聚己內酯

HO-(CH2)6-O-[CO-O-(CH2)6-O-]x-H聚碳酸酯二醇

（３）擴鏈劑

擴鏈劑與二異氰酸酯反應形成了氨基甲酸酯結構或聚合物的硬段。典型的擴鏈劑是二醇（與異氰酸酯反應形成氨基甲酸酯）或二胺（與異氰酸酯反應形成脲）。這些氨基甲酸酯和／或脲，可以進一步與異氰酸酯反應形成二脲和脲基甲酸酯結構，這些反應是不希望發生的副反應。配方中擴鏈劑含量越高，或短鏈低分子量擴鏈劑越多，則所形成的氨基甲酸酯鏈段越多，結晶聚合物也就越多，因此為終產品提供了強度和韌性。典型的擴鏈劑如下：

HO-CH2-CH2-CH2-CH2-OH1,4-丁二醇

HO-CH2-CH2-O-(C6H4)-O-CH2-CH2-OHHQEE

HO-CH2-C(CH3)2-CH2-OH新戊二醇

５．化學因素對呼吸能力的影響

影響聚合物滲透性或呼吸能力的因素有多種。聚合物的親水性、玻璃化溫度(Tg)、結晶度和填料含量都能影響材料的透水氣能力。

為了改進聚氨酯的滲透能力，可以調節它的化學結構。如果將親水性的主鏈引入聚氨酯，例如采用醚基、羥基和羧基這樣的親水結構，那麼就能提高聚合物對水的親和性，從而改進了水氣的滲透性。另外，水在聚合物中的溶解性越高，也會改進水氣的滲透性。對水氣的透過而言，濃度梯度越大，則水氣透過的驅動力越強，因此在材料中就形成了一種毛細“芯吸”作用。

無定形聚合物，在高於Tg的狀態時，比低於Tg的狀態下具有更高的滲透性。在既有硬段、又有軟段的聚合物（包括絕大多數TPU）中，透過的進行主要是通過軟段，而不是通過硬段發生的。因此，滲透性與TPU的結晶度成反比。所以，較高結晶性的聚合物是低透過性的，而含有較低氨基甲酸酯或硬段含量的聚合物則具有較高的MVTR。加入無機填料也會對滲透性產生影響。低的滲透性，就是水通過聚氨酯進行擴散的路徑更長，所以滲透速率也就降低了。

６．高透水氣性TPU的配方Estane58237和Estane58245

這裏給出Noveon公司的兩隻高透水氣TPU的產品：Estane58237和58245。如果與傳統的TPU和其它的TPE材料相比，這兩種芳族TPU產品性能好、又經濟。

Estane58237是一種聚醚型TPU，而Estane58245是一種更軟的聚醚型TPU。它們的物理性能和呼吸能力特性如表２和表３所示。

表２．Estane58237和58245的典型物理性能

性能

ASTM方法

Estane58237

Estane58245

硬度（shoreA）

比重

拉伸強度，MPa

伸長率，％

100%模量,MPa

300%模量,MPa

500%模量，MPa

D2244

D792

D412

D412

D412

D412

D412

90

1.22

50.4

500

6.2

15.9

41.4

80

1.21

27.6

800

4.1

6.9

13.8

撕裂強度,kN/m

Taber磨耗,mg

D624C

D1044

84.1

0.07

68.3

0.08

表３．Estane58237和58245擠出薄膜的透濕數據

方式　　　　　ASTM方法　溫度，℃　相對濕度,%　　Estane58237Estane58245

g/m2/day

垂直杯,水　　　E-96B2350550650

垂直杯,幹燥劑　E-96E235010009500

表中的數據要比標準的聚酯基和聚醚基TPU好得多。Estane58237在價格和MVTR兩方麵都可以與COPE和PEBA相比美。Estane58245的呼吸能力優於所有這些材料，接近微孔型PTFE。這種比較如圖３所示。

７．高MVTR聚氨酯的市場和用途

如前所述，這種高MVTR熱塑性聚氨酯在紡織品工業中有著廣大的市場和眾多的用途，如表４所示．

８．結語

高的可呼吸性，是人們認可和熟悉TPU的一個主要原因。這種材料用普通的加工方法製造成致密型薄膜。除了很好的阻隔性外，它還為人們提供了高舒適性和漂亮的外觀。這些性能的綜合使TPU膜成為一種紡織品工業的理想材料。

圖３．相對MVTR和成本的比較

表４．高MVTR型TPU在紡織品工業中的典型用途

用途　　　　　　　　　　　　　　　　　　特點

醫用／手術服裝　　　　　阻隔細菌／病毒，阻隔液體，MVTR，防刺紮，可透明性

醫用繃帶　　　　　　　　MVTR，彈性和柔軟彎曲，能粘貼在其它聚合物上

潔淨工房服裝　　　　　　MVTR，靜電逸散能力，可透明性，不放氣體，不脫落

運動裝、外衣、　　　　　MVTR，低噪音，低溫柔性，柔順性，防風

鞋襪、手套

軍用服裝　　　　　　　　MVTR，防化學品性，低溫柔性，低噪音，防風，柔順性X2VzwM