纺织品防水阻燃配方研究论文

引言

所谓防水透湿，就是要求织物在一定的水压下不被水(主要是雨水)润湿或渗透，但人体散发的汗液蒸气却能通过织物扩散或传导到外界，不在体表和织物之间积聚冷凝，主观感觉不到发闷的现象。防水透湿织物(Waterproof and Moisture Permeable Fabrics)，也叫防水透气织物，又称“可呼吸织物”(Waterproof Windproof and Breathable Fabrics)，是集防水、透湿、防风和保暖性能于一体的功能织物。防水透湿织物既可以防止外界的水分进入织物内部，又可以使织物内部的水分排到织物外面，因此有很好的保暖性，从而实现织物防水功能和热、湿舒适性的统一。这种织物不仅能满足严寒雨雪、大风天气等恶劣环境中人们活动时的穿着需要，如冬季军服、登山服、救生服、核生化防护服等，也适用于人们日常生活中运动服、产业用布及雨衣、鞋类、帐篷等的要求，具有十分广阔的发展前景。

一

防水透湿织物的研究背景

防水透湿织物最早可以追溯到兽毛皮，其使用年代距今至少已有5万年。在我国，则可以追溯到早在周代就开始使用的“蓑衣”。国外最早的防水织物是15世纪末美洲印第安人用橡胶树流出的浆液涂在布上制成的防雨用具。

较早的防水透湿织物是英国锡莱(Shirley)研究所设计的文泰尔(Ventile)防雨布。Ventile是一种细号低捻度纯棉纱高密织物，当其处于干燥状态时，经纬纱线间孔隙约10m，汗液(气)可通过纱线、纤维间孔隙向外界扩散；在其浸湿后，棉纤维横向膨胀，纱线、纤维间孔隙减小为3~4 m，水(直径通常为100~3000 m)较难透过，从而表现出防水性。它的出现标志着防水透湿织物正式走向市场。Ventite最初主要用于“第二次世界大战”期间英国空军飞行员的防寒抗浸服，是一种选用埃及长绒棉的低特(高支)低捻度纯棉纱高密重平组织织物，经特殊织机编织而成。在干燥的文泰尔织物中，经纬纱之间的微孔较大，宽约10um，能提供高度透湿的结构。织物受湿后，棉纤维膨胀，迫使孔隙缩小到3-4um，以致需要极高的压力才能使水渗透，同时结合以特殊的拒水整理，从而具有防水性。Ventile是高密型防水透湿织物的代表产品。高密织物就其防水透湿功能方面，无法达到很高的防水性，因为防水性的提高会以损失透湿性为代价。但因其有着良好的手感和透湿性，因此在市场上仍然有着广泛的应用。

多年来，织物、服装的防水和透湿一直是一种矛盾。第二次世界大战后，由于合成高分子物的出现，产生了许多聚合物涂层剂，主要有氯丁橡胶(乳液型)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯酸酯(溶剂型、乳液型)。聚氨酯(PU溶剂型、乳液型)、硅橡胶(溶剂型)。在纺织品的涂层中，最重要的聚合物是聚氯乙烯和聚氨酯。早期，采用聚氯乙烯、聚氨酯、氯丁橡胶为涂层剂生产涂层织物，涂层厚度大于60g/cm2，这种织物防水性很好但不透气，穿着时发闷，人体产生的汗液无法排除到服装外面，在服装内表面冷凝，使人感觉到不舒适且有湿冷感。

20世纪60年代至70年代，涂层厚度小于30g/cm2，这种织物重量有所减轻，但透湿效果很差，因为涂层膜细薄、机械强力差，织物防水性也很差。

20世纪70年代，利用特细疏水性聚酯或锦纶长丝生产高密织物，其防水、防风效果优于传统防水透湿织物。1962年，拜耳实验室发明了具有水汽渗透性能的亲水性聚氨酯（PUs）。后来开始研制PUs微孔涂层织物和亲水PUs薄膜织物。1969年，美国人R.W.Gore研制成功以聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，简称PTFE)树脂为原料，经拉伸形成的微孔薄。

1976年试制成功用PTFE膜与织物进行层压复合制得的第一代商品名为Gores Tex的防水透湿层压织物，它具有优越的防水透湿性能。但是，用第一代Gores Tex膜制成的服装随着服用时间的增长，防水透湿效果逐渐变差，甚至会出现面料渗水的现象。为此，1979年日本某公司和高尔公司合作，推出第二代PTFE膜。它是由PTFE膜和聚氨酯构成的双组分薄膜，聚氨酯组分具有高度选择透过性，它仅让水蒸气分子通过，其他的液体都不能通过，克服了第一代产品的缺点。第二代Gores Tex层压织物其透湿量大，耐水压最高，综合性能最好，是目前市场上公认的最先进的防水透湿织物。

20世纪80年代中后期，开始采用聚氨酯材料或复合聚氨酯、聚醚聚酯共聚物等研制非微孔膜型材料（亲水性薄膜）。最著名的是荷兰AKZO公司开发的Sympa-tex亲水性聚氨酯层压织物和美国宝立泰（Poly-Tech）公司的优泰克（Qualitex）多功能防水透湿织物等。Qualitex薄膜是以聚氨酯为主，近十种化学原料反应合成的多相高分子材料，属无孔亲水性薄膜。薄膜在吸水后，仍能保持良好的机械性能，从而解决了薄膜的亲水性与薄膜牢度的矛盾，其织物的防水透湿性能接近聚四氟乙烯层压织物。Sympa-tex薄膜属聚酯嵌段高聚物制成的没有微孔的实心体，这样液体完全不能透过薄膜而透湿途径也不会被堵塞。其厚度仅为10 m，而一般涂层的厚度达70 m ~100 m，因此Sympa-tex具有重量轻、手感柔软和水蒸气由里向外的距离短等优点。

另外，据报道日本某公司已在世界上率先开发微孔聚氨基酸涂层材料，美国一家公司也开发出聚偏氟乙烯涂层材料，涂层微孔平均直径仅0.1 m。

从20世纪80年代中后期开始，随着超细纤维的迅速发展，各种用超细纤维制作的超高密织物大量涌现。这种防水透湿织物以高密织制为主的设计思想由于超细纤维的不断发展一直应用至今。与此同时，利用物理和化学手段，借助等离子体镀膜技术，在织物表面进行改性，使其具有憎水、防水能力。进入21世纪以后，防水透湿技术有了更新的发展―“智能化”。目前，日本、美国等发达国家已有智能型防水透湿面料问世。不同涂层材料其透湿性比较见表1

表1不同涂层薄膜的透湿性比较

薄膜种类

聚乙烯醇

聚氨酯

聚酯

聚乙烯

聚偏氯乙烯

聚氟乙烯

透湿量/g(m224)-1

200

100

12

4

2

1

二

防水透湿织物类型

2.1按生产加工方法分类

2.1.1涂层防水透湿织物

将各种具有防水和透湿功能的涂层剂，采用干法直接涂层、转移涂层、泡沫涂层、相分离涂层和放电涂层等工艺技术涂敷在织物表而，形成连续的高分子化合物薄膜的纺织品。涂层不仅能改善织物的外观和风格，还能根据所采用的高分子化合物的不同性能，使织物拥有防水、透气透湿、阻燃防污、遮光反射等不同功能，提高织物的附加值。

2.1.2高密（超高密）防水透湿织物

利用细的棉纤维或超细的合成纤维长丝织成比普通织物密度高许多倍的机织物。一般情况下，还需对该织物进行适度的拒水整理。对以超细合成纤维长丝为原料的高密织物，需要结合高收缩工艺和纤维超细化处理。而织物的透湿是利用纤维的吸湿能力、毛细效应、纤维中的空隙来吸收、转移和释放水蒸气。

2.1.3层压防水透湿织物

使用交联剂将有防水透湿功能的薄膜，用层压法或粘结法复合到织物上而得到的纺织品。采用的技术主要有焰熔法、压延法、热熔法等。其特点是使各种材料的优良性能复合为一体，取长补短，增加织物的使用效果。由于各种材料在层压织物内部是相互独立的，不会产生材料的相容性问题。目前层压织物多以微孔聚四氟乙烯薄膜、聚氨酯薄膜与织物复合为主。

2.2按织物透湿原理分类

2.2.1高密机织物

典型的产品就是Ventile织物。此类织物采用高密度组织结构，使纱线间隙小到不允许水滴通过的机理以达到防水的目的。高密织物制得的防水透湿织物的特点是透湿度、柔软性和悬垂性好，但是耐静水压稍低，一般小于9.8 kPa，且纺织染整加工困难，织物撕裂性能差，成本高，应用范围较小。

2.2.2微孔膜层压和涂层织物

成膜时所形成的薄膜上有无数微孔并形成通道，微孔的孔径比水滴小，一

般是水滴直径的1/5000一1/20000，是水蒸气分子的700倍，因而最小的水滴也不能通过，但水蒸气分子却可以通过，从而获得防水透湿功能。

2.2.3无孔薄膜层压和涂层织物

成膜时所形成的薄膜表面无孔，所以防水；薄膜上含有排列合适的亲水基团，可以与水分子作用，借助氢键和其它分子间用力，在高湿度高温度一侧吸附水分子，通过高分子链上的亲水基团传递到低湿度低温度的一侧解吸，因而具有透湿功能。

三

防水透湿机理

3.1微孔膜透湿机理

利用水分子和水滴尺寸的差异来实现防水透湿，微孔膜的孔径介于水蒸气分子和水滴直径之间，当薄膜或涂层织物两面存在蒸汽压差时，水蒸气分子可由曲折贯通的微孔孔道通过，而水滴则不能通过，从而达到防水透湿的目的。

表2水珠及水蒸气分子尺寸

液滴状态

水蒸气分子

雾

轻雾

毛毛雨

小雨

中雨

大雨

暴雨

直径（m）

0.0004

20

200

400

900

2000

3000~4000

6000~10000

3.2亲水型无孔薄膜防水透湿机理

利用含有亲水性基团（-OH、-COOH、-NH2等）的物质进行涂层，所形成的致密实心薄膜层，因无孔而起到好的防水作用，涂层聚合物本身含有的一些亲水基团可以吸收、扩散和解吸水蒸气，有传导水分的作用。亲水型无孔膜防水透湿织物有两种，一是以高分子材料为涂层胶的涂层整理织物，二是以高分子薄膜为功能层经与织物层压整理获得的层压复合织物。

亲水性基团或链段借助氢键和其他分子间作用力，在水分子浓度高的一侧吸附水分子，然后向水分子浓度低的另一侧扩散，到达另一侧面时，水分子解吸即蒸发到大气中。透湿过程可表示为：“吸附―扩散―解吸”。

四

发展前景

随着科学技术的发展，消费者对防水透湿织物提出了越来越高的要求，生态化、多功能化和智能化将是防水透湿织物发展的趋势。

4.1防水透湿织物的生态化

随着人们环保意识的增强和环保法规的完善，开发生态环保的防水透湿织物是防水透湿织物发展的必然趋势。

防水透湿织物的生态化可从3个方面考虑:生产过程中、消费过程中及废弃后是否生态环保。由于溶剂型聚氨酯某些性能比水分散型聚氨酯好，因此，不管是干法还是湿法聚氨酯涂层，当前大多采用的是溶剂型聚氨酯涂层剂，但由于有机溶剂有一定的毒性，溶剂回收困难，且易燃易爆，对环境污染大，目前溶剂型聚氨酯应用已受到一定的限制，因此开发无毒、不燃、节能、加工方便、生态环保及成本低的水性聚氨酯，逐步取代溶剂型聚氨酯已成为防水透湿织物发展的必然趋势。另外，防水透湿织物在废弃后是否能够完全降解，是否易回收利用，也是防水透湿织物的生态化的方向。

4.2防水透湿织物的智能化

随着调温功能的形状记忆聚氨酯的发展，使防水透湿织物如人体皮肤一样，随人体温度的变化其透湿性能随之而改变的智能型防水透湿织物，是未来防水透湿织物开发的重要方向。温敏型形状记忆聚氨酯防水透湿织物，随环境温度的升高，其透湿量增加，能更好地调节人体服装内的微气候；调温功能的形状记忆聚氨酯防水透湿织物，除防水透气功能外，还具有调温功能，即使在环境温度多变或人体发热出汗等情况下，穿着者都会感到舒适。

4.3防水透湿织物的多功能化

随着科技水平和消费水平的不断提高，人们对防水透湿织物多功能性的需求也不断提高。可以利用纳米技术，增加防水透湿织物的其他功能。多功能防水透湿织物是防水透湿织物发展的重要方向。可以将纳米级的功能材料加入到涂层剂中，开发出具有抗菌除臭、远红外保暖和保健、抗紫外、阻燃、抗静电、防毒和防生化等多重功能的防水透湿织物，以满足人们对防水透湿服装多功能性的需要。