聚氨酯防水透氣塗層織物的進展

聚氨酯防水透氣塗層織物的進展 聚氨酯防水透氣塗層織物的進展新型紡織品向人們提供各種優異的服用功能，防水透氣織物就是其中之一．防水透氣織物也叫防水透濕織物，國外又稱“可呼吸織物”．消費者可以指望穿在身上的外衣，既能防雨防鳳，又能排汗、透氣、穿著舒適．這類織物從根本意義上不同於傳統意義上的‘雨衣”．實際上，有些品種巳經開始受到時裝界的青睞[5]．其主要特征是能夠較快地將人體形成的汗液、汗汽蒸發排出，避免在衣服內凝結，保持服用者幹爽、溫暖的感覺．國外有人曾對獲得了人在運動時的大致出汗量作了研究．服裝透氣性低於人體出汗量時，人就有悶熱感．因此，透氣性大小是衡量織物服用舒適性的重要指標，特別是運動服． 防水透氣織物首先被開發用在軍服、防護服的生產，現在巳廣泛用於運動服、旅行包、帳篷等的製造．國際市場上對這類麵料的需求逐年增加，1996年產量巳達6700萬平方米[1]，國內這類產品也正在開發中． 1．1高密度織物采用超細纖維（細度小於1dtex）緊密織造，使紗線間隙小到不允許水滴通過，有些紗線，遇水膨脹，間隙會變得更小．然而對於直徑僅為萬分之四微米的水蒸汽分子，通道卻是足夠寬敞了，從而達到防水透氣的目的．1．2簿膜層壓此工藝是將具有防水透氣功能的薄膜，通常是微孔簿膜，采用特殊的粘合劑，層壓或粘接到各類織物上，獲得防水透氣的效果［3］。聚四氟乙烯微孔薄膜複合織物即屬此類，筆者也研究開發成功。1．3織物塗層將被加工的織物，用直接或轉移塗層工藝塗布，塗層封閉織物表麵孔隙，獲得防水性。其透氣性，則是通過成形過程中在塗層內部形成的大量微孔，或親水性“分子梯級通道”而獲得[2]． 上述方法都巳得到應用。但加工成本都較高，性能也有待不斷改善。80年代後期，采用聚氨酯材料（PU）製成的塗層或薄膜的研究異常活躍，新工藝、新品種不斷麵世，引起世界各國的廣泛關注。采用聚氨酯防水透氣材料，除可獲得滿意的防水透氣性外，其優異的彈性、耐寒性以及滑潤的手感，特別是相對低的加工成本，深受消費者和生產廠家的青睞，發展前景廣闊，科技含量及附加值高，國外已有十幾個品牌。國內研究雖尚屬起步，但極有發展前途。 2具有防水透氣功能的聚氨酯按獲得透氣性機理的不同，聚氨酯塗層織物或薄膜層壓織物可分為以下幾類。2．1微多孔聚氨酯其防水透氣機理是依靠成膜時形成大量的微孔．這些孔隙小於2?m，能阻止水滴（平均直徑100?m），卻允許水蒸汽分子（平均直徑為0.0004?m）通過[5]，從而獲得防水透氣性。成膜方式有以下三種。2．1．1濕凝聚法早由美國杜邦（DuPont）公司研製成功[6]，采用水凝聚以形成微多孔聚氨酯膜．較流行的做法是，將聚氧化丁烯二醇（PBA）/4,4-二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）/1,4丁二醇，或PBA／4,4-二環己烷基二異氰酸酯（H12MDI）／1,4-BD，按摩爾比1:3:2，製成聚氨酯樹脂的有機溶液，如二甲基甲酞胺（DMF）溶液。成形工藝是：將此溶液在織物上塗層，通過水浴浸水，水與二甲基甲酞胺能很好相溶，但水不是PU的溶劑，通過雙向擴散，水不斷從樹脂溶液中萃取出溶劑二甲基甲酰胺進入水相，同時水則進入PU塗層膜中使聚氨酯逐漸由溶解狀態轉變為凝膠狀態，後產生聚氨酯固體沉澱而成膜。在形成皮膜的過程中，由於凝固相脫液收縮，在塗層膜中形成大量相互貫通的指狀或蜂窩狀多孔結構，孔隙直徑在0.5?m～2?m之間，表麵孔徑0.5?m左右[8]。該工藝的加工成本低於Gore－Tex的一半，透濕性可達到約4000g／m2·24h，耐靜水壓約200cm。這類產品已被世界知名的運動服生產廠家如Nike，Puma，Adidas，Umbro等采用［8］。具有代表性的品牌有日本東麗（Toray）公司的“Entrant”，美國Burlington公司的“Ultrex”，英國NylaPenn公司的“Tarka”等［9］。同這類方法類似的還有鹽凝聚法，即將PU乳液塗布，加鹽使其破乳沉積，也可形成微多孔膜．采用這一工藝的有英國Stahi（ICI）／NL公司的Permutex，英國Porvail／GB生產的Porelle薄膜［10］。2．1．2油包水W／O乳液法（又稱幹法）將聚氨酯樹脂的有機溶液（如甲苯／丁酮），加入水中製備W／O乳液，然後在織物上塗層，在不同溫度下蒸發，水在塗層中的比例不斷提高，當達到一個臨界值時，聚氨酯則以多孔形式析出，並形成大量微孔。透氣性約4000g／m2·24h。但加工過程中有溶劑揮發，防水性可達2.45×105Pa（2500mmH2O）［11］．此工藝簡單，在普通塗布機上即可進行，但易環境汙染是其主要缺點。采用這種方式的有比利時UCBSpecialChemicials公司的Ucecoat2000（s）[11]，日本東螺公司以二甲基甲酰胺/對苯二甲酸二丁酯作為溶劑也獲得成功［2］。2.1.3泡沫塗層法這種加工方式采用在聚氨酯樹脂中加入陰離子或非離子表麵活性劑，在聚氨酯形成過程中，另加發泡劑（如酸和水）以終形戍泡沫狀PU，得到校粗糙的氣固兩相晶胞結構，再經壓破，形成孔隙。這種加工可獲得較高的透氣性，但防水性不夠好，Pfersee（Ciba）公司開發的Dicrylan係列，即為這類產品［10］。2．2聚氨酯無孔薄膜 這是一種防水性好，又具有透氣性的加工方式。透氣性機理明顯不同於微孔薄膜。其采用聚氨酯材料中含有一定量的親水性基團，這些基團首先以氫鍵形式“捕獲”人體散發的水蒸汽分子，由於PU大分子鏈段的熱遣動，形成瞬時孔隙，並加上內外水蒸汽壓差的推動，水蒸汽從蒸汽壓高的一麵“傳遞”到另一麵，即從接觸皮膚的一麵，傳到周圍環境，達到防水透氣、穿著舒適的目的。這類塗層織物表麵需經後拒水整理，否則被雨淋濕後，會在表麵形成一層水膜，影響透氣性。一般工藝是將聚四甲撐乙二醇醚（PTMG）與乙二醇聚醚（PEG）混合物／MDI／l,4-BD按1：3：2摩爾比，合成PU乳液，經塗層後溶劑蒸發，在織物上成膜，透氣量可達4500g／m2·24h，耐水壓可達數十萬帕［6］，但透氣性隨塗層膜厚度不同而有差異．這類常見的商品中有英國Baxenden化學公司生產的WltcoflexStayCool、X-Liner等，比利時UCBSpecialChemicals公司的UcecoatNUP產品，德國Bayer公司的Impraperm，日本東紡製造公司的BionⅡ，日本三菱化成公司的ExceporU等［10］。 3聚氨酯塗層的新研究3．1調溫功能聚氨酯近年來，人們正在致力於開發一種新型聚氨酯材料，除防水外，還兼有透氣和調溫功能，這更提高了織物的服用舒適性。初，美國農業部南方實驗室VigO、Frost等人發現經聚乙二醇浸漬過的麵料，具有儲熱功能，即受熱時吸收熱量，遇冷時放出熱量［12，13］。這項技術很快被轉移到PU塗層上。聚乙二醇作為聚氨酯合成的多元醇組分，通過選擇和設計PEG的聚合度和含量，使得聚氨酯中的聚乙二醇相區的相變轉化溫度，恰好在人們感覺舒適的溫度範圍．這樣，環境高於熔融溫度時，塗層相變吸熱，同時聚合物體積膨脹，親水基團空間自由體積增大，熱運動加劇，使透氣量增大，排熱排汗加快，使人有涼爽的感覺；當環境低於結晶溫度時，PEG鏈段結晶，PU塗層相變放出熱量，同時封閉孔隙，由於親水基團活性降低，透氣性減小，從而獲得良好的擋風和保暖性能．織物的這種“智能”型調溫功能，可大大提高其服用性能，獲“空調織物”的美譽。美國Polytech公司已經椎出的Ureatech即為此類[14]。．日前這類聚氨酯塗層材料的研究，還處在初始階段，距工業化還有一段路程，但可以預見，經科研技術人員的努力，這種產品將很快麵世，並廣泛應用［18］。目前，筆者正致力於這種調溫功能的防水透氣PU水分散塗層劑的合成及其應用的研究。3．2提高織物透氣性的研究透氣量的大小，從某種意義上講，決定了織物的服用舒適性。為提高織物透氣性，在傳統工藝的基礎上不斷進行改進，近的研究成果集中在以下方麵。3．2．1氨基酸改性聚氨酯[15]選用適當的氨基酸與多元醇組分混合，再與異氰酸酯組分無規或嵌段加聚，製成改進型塗層或薄膜，可以大大提高織物的透氣性．據報道，這類產品如三菱化成的Excepor-U，大透濕量可達7000g／m2·24h。3．2．2兩種類型的聚氨酯複合［15］將親水性聚氨酯製成多孔狀，或將多孔型結構進行親水處理，微孔結構與親水性結構兩種機理共同作用，從而獲得更滿意的透氣效果。美國3M公司生產的Thintech品牌即為這種方式。比利時UCB公司也采用將Ucecoat2000（s）形成的微孔膜加塗UcecoatNPU2307整理劑的工藝。日本Toray公司新近開發的EntrantGll則將兩種聚氨酯材料複合，內層聚氨酯含微孔和超微孔（＜0.5?m＝，利用其類似於“芯吸”作用，抽吸皮膚上的水分，擴散到外層，再排放到空氣中，提高排汗作用。3．2．3聚氨酯塗層添加劑［16］采用在聚氨酯塗層劑中添加其他物質的方法．不但可以提高PU薄膜的透氣性，而且還賦予織物殺蟲、滅菌的功效，以及優良的手感。甲殼質是貝殼類水生物和動物的鱗甲質的提取物，其化學結構如下：甲殼質類似於纖維素大分子，但2位上的酰胺基團，使其不溶於大部分有機浴劑，並具抗微生物性。甲殼質具有較高的吸濕性和釋濕性，並有一定的抗微生物性．在塗層劑中摻入一定量的甲殼質後，會對汗液、體液保持清潔，並具有一定醫療保健作用．如日本Asahikaseid的“Biochiton”。除此之外，加入羊毛屑、蠶絲屑、鱗質粉、纖維素粉等，旨在提高織物透濕量的研究均有報道[14]。這些粉末加入時溫度高，待冷卻固化時，體積縮小，發生相分高，在塗層膜內部及粉屑周圍形成微隙，增加透濕性[1]。3．3無汙染聚氨酯的研究開發研製一種完全水分散、在合成和應用過程中無溶劑汙染的PU塗層劑一直是科技工作者的心願。日前的加工工藝，無論是濕法，還是幹法，在加工過程中都采用一定量易揮發性的有機溶劑，存在環境汙染問題。如果把PU製成水溶性塗層劑，在烘幹過程中交聯成膜，不但可以大大地降低生產成本，而且可克服環境汙染問題，所以這方麵的研究也很活躍。美國Polytech新推出的Ureatech，據稱就是在這方麵著手，而被譽為“麵向新世紀的高科技產品”，國內也有這方麵的研究報道[17]。3．4金屬和陶瓷塗層在不影響原有防水透濕性的前提下，在樹脂中摻入金屬粉末，形成金屬層，反射人體的輻射熱，減少熱量散失。這種塗層適合用作冬季或高寒地帶登山運動員等運動服袋，如日本東麗公司的Entrantthermo，日本旭化成的Lyonthermo[15]。當PU中摻入具有較高遠紅外發射率的陶瓷粉後，這種塗層則具有吸收陽光的能量或人體熱量，向人體輻射遠紅外線，使織物保暖性能提高，並具促進人體微循環的功能［19］。如日本東麗公司的Megaclon，日本旭化成的VeraV，日本鍾紡的Masonic。有些陶瓷還具有吸收氨、硫化氫等異昧的功能，混入塗層後，成為除臭的防水透氣織物，如日本尤尼吉可公司Permilan和Deodrant。4結束語防水透氣及特殊功能塗層織物屬於一種高科技含量、高附加值的產品，多種加工技術構成防水透氣等功能塗層織物家族，而聚氨酯係列屬於具有開發潛力，多姿多彩的一個分支．西方各國和日本等發達國家均投入大量人力、財力競相開發研究，國內研究還較少．另外，美國、日本也把這類產品作為麵向新世紀的高科技產品．作為在世界紡織品市場具有競爭力的產品的開發和研究，我國這個領域的科技工作者應當抓住機遇，迎頭趕上。pt1Hov