電紡膜夾層防水透濕層壓織物的研究進展*

張 麗 王嬌娜 李從舉

(1.北京服裝學院材料科學與工程學院，北京，100029;2.北京市服裝材料研究開發與評價重點實驗室，北京，100029)

電紡膜夾層防水透濕層壓織物的研究進展*

張 麗1，2王嬌娜1，2李從舉1，2

(1.北京服裝學院材料科學與工程學院，北京，100029;2.北京市服裝材料研究開發與評價重點實驗室，北京，100029)

介紹了防水透濕織物及其防水透濕機理。與其他薄膜相比，用靜電紡絲技術制得的電紡膜作為防水透濕層壓織物功能膜有很大優勢。電紡膜具有可控性，可以通過改變紡絲液的原料和紡絲工藝條件制成不同性能的薄膜，進行層壓后使層壓織物具有不同水平的防水透濕性。綜述了用于防水透濕織物中的電紡膜的研究進展，并對其在防水透濕層壓織物中的應用進行了展望。

靜電紡絲，層壓織物，防水透濕，機理，應用

防水透濕織物是指具有防水透濕性能的織物。織物的防水透濕性能就是指織物在一定壓力水的作用下，水不能滲透到織物內部，而人體散發的汗液蒸氣卻能夠通過織物擴散或傳遞到外界，不在體表和織物之間積聚冷凝［1］。防水透濕織物是一種獨具特色的中高檔功能性織物。防水透濕織物除了可以用于民用(如戶外運動服、休閑服)，軍用(如空軍飛行員、船員、執行海陸軍行動等特種兵的服裝)，醫用(多功能防護服)等服裝方面外，還可以用于汽車內飾、座椅墊及頂棚布，勞動防護布等產業方面，所以防水透濕織物一直是科研工作者研究的重點之一，主要研發的品種有高密度織物、涂層織物和層壓織物。

不同類型的防水透濕織物的防水透濕機理有所不同。防水透濕織物的防水透濕機理有孔隙自然擴散機理、膨脹機理、微孔擴散機理以及親水性基團通過“吸附—擴散—解吸”傳遞水蒸氣分子機理［2］等，其中以微孔擴散機理最為重要。微孔擴散機理是根據水滴(直徑為100～300 μm)與水蒸氣分子(直徑0.000 3 ～0.000 4 μm)大小的巨大差異設計微孔，使微孔直徑介于水蒸氣分子直徑與水滴直徑之間，從而保證人體散發的汗蒸氣能順利通過微孔擴散到外界，而織物外側的雨雪等凝聚態的水滴不能滲入到織物內部，進而使織物具有防水透濕的功能［3-4］。

我國通常采用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜/面料層壓后，涂覆聚氨酯(PU)溶液的方法加工防水透濕織物。該織物具有防水、透濕、防風等性能，同時還具備病毒隔離和防護等多種功能［5-6］。這些防水透濕織物的初始性能很好，但經過幾次水洗后其防水透濕性能就會下降很多［7］。Gore-Tex織物被認為是最先進的防水透濕織物，但其不僅工藝條件要求苛刻、成品價格高，而且美國Gore公司長期以來控制著其生產專利，難以廣泛民用。因此，近年來很多研究者致力于研究性能優異、價格相對低廉的防水透濕織物，將目光轉向了靜電紡絲技術。

1 靜電紡絲技術

靜電紡絲技術是基于高壓靜電場作用下導電流體產生高速噴射的原理［8］。用靜電紡絲技術制得的電紡膜纖維直徑在幾十納米到幾百微米［9］。還有報道說，由靜電紡絲技術制得的納米纖維，最大的特點是其直徑范圍一般在3～51 nm［10］，比用常規方法制得的纖維直徑要小幾個數量級。電紡膜纖維比表面積大(是常規纖維的1 000倍以上)，孔隙率高，纖維精細程度和均一性高，長徑比大［11］。電紡膜被廣泛應用于過濾材料［12］、光學或化學傳感器［13］、電極材料［14］和生物支架材料［15］，而作為防護層用于服裝是在納泰科美國陸軍士兵中心對在極惡劣的環境下提供保護的目的上發展起來的，用電紡膜作為防護層提高了織物的可呼吸性和防風性［16］。電紡膜具有三維網狀結構［17］，在內外界存在壓差或濕度差的情況下允許水蒸氣和空氣自由通過彎曲的微孔，而這種微孔結構不允許水滴通過但能迅速地轉移水蒸氣。電紡膜還可以根據需要設計成多孔結構，進行層壓后賦予服裝防護性以及舒適性［18］。電紡膜與目前用于防水透濕層壓織物的薄膜相比，不僅在防水透濕方面占有優勢，而且在阻隔細菌、核武器和生化毒氣等防護方面有很大的優勢［19-22］。此外，還可以在紡絲液中加入一些納米粒子［19］，使電紡膜除具有上述功能外還具有更多的附加功能。例如:在紡絲液中加入銀，使其具有除臭、抗靜電、抗菌和防輻射等功能;在紡絲液中加入納米ZnO，使其具有抗紫外線的功能［23］;在紡絲液中加入納米TiO2，賦予其抗紫外線的功能。在靜電紡絲過程中，纖維隨機取向、交錯排列，使得纖維膜表面比較粗糙，便于纖維膜與其他織物黏合，因此以電紡膜作為功能膜的防水透濕層壓織物可以制成集更多附加功能于一體的紡織品。

2 層壓技術

采用層壓技術成功地解決了防水與透濕之間的矛盾，特別是以微孔膜作為功能膜的防水透濕層壓織物，將防水透濕性和防風保暖性集于一體，具有明顯的技術優勢。層壓方法主要分為壓延法、焰熔法、熱熔法和黏合劑法四種，其中黏合劑法又可簡單分為濕法、干法和干濕法三種工藝［1］。

黏合劑法中的干濕法復合工藝特別適合用于服用方面的防水透濕層壓織物。以微孔膜作為功能膜的防水透濕層壓織物在穿用一段時間后，人體散發的汗液中的雜質和油脂會隨同汗液一起停留在薄膜中，薄膜上附著的親水性物質會使層壓織物的防水性下降，且薄膜中的微孔會被汗液中的雜質堵塞，影響層壓織物的透濕性。干濕法工藝是在電紡膜與面料之間采用干法工藝，而在電紡膜與里料之間采用濕法工藝，這樣雜質和油脂很難到達薄膜中，使膜得到保護，可延長層壓織物的使用壽命。

3 基于電紡膜的防水透濕層壓織物的研究進展

Schreuder-Gibson等［16］對一些關于電紡膜作為防護層的性能與抗張強度進行了描述，也報道了膜結構對透濕、透氣、氣溶膠過濾、孔隙率和膜化學活性提高的影響，表明納米纖維層在特種層壓織物中有很大的應用潛能。例如聚酰胺66(PA 66)電紡膜、聚苯并咪唑(PBI)電紡膜、PU電紡膜與傳統的膜相比，具有可呼吸性、氣流阻力大和氣溶膠過濾性能，用其層壓后的織物可用于軍事服裝和運動服。

辛東坡等［24］研究了靜電紡納米纖維的含氣性，分析了影響透濕性的因素(材料、厚度、纖維體積含量);將同等厚度的聚丙烯腈(PAN)靜電紡納米纖維非織造布與聚酯(PET)紡粘非織造布進行比較，前者具有相對較好的透濕性，但其透濕性還不能滿足人對熱舒適性的要求;就此問題還提出了改善納米纖維非織造布透濕性的途徑，如改變靜電紡絲的原料和紡絲過程參數，在原料中引入親水性基團以及進行后整理等。辛東坡等［17］還研究了納米纖維的熱傳遞性質，通過在相同條件下，將納米纖維非織造布與其他非織造布熱性能進行對比，發現靜電紡納米纖維非織造布在熱傳遞性質方面具有很大的優越性，從而證明其具有良好的保暖性，為其在服裝上的應用奠定了一定的基礎。

Lee［23］比較系統地研究了基于電紡膜的層壓織物的透濕性、透氣性與膜面密度的關系。實驗結果表明，層壓織物的透濕量隨膜面密度的增大而減小，透氣性也會隨膜面密度增大而變差。同時，還研究了在一定條件下在紡絲液中加入ZnO，進行靜電紡絲，用得到的納米纖維膜進行層壓，層壓織物除具有防水透濕功能外還具有抗紫外線功能。

Tsai等［25］研究發現，靜電紡PU材料具有很高的水汽透過率(MVTR)以快速驅散人體產生的熱量，且具有很高的防風性能，靜電紡PAN纖維也具有同樣的性質，用在防護服上有很好的防風性。Lee等［26］用靜電紡絲技術得到聚丙烯(PP)納米纖維非織造布，其水蒸氣傳輸功能和對空氣的滲透率都比普通的織物好，而且舒適性也更好，可用于防護服。

利用電紡膜比表面積大、孔隙率高和密度低等特點，用其作夾層生產的防護服不僅能夠過濾細沙、擋風，不妨礙水蒸氣的擴散，可保證服裝的舒適性，而且對氣溶膠有很好的阻擋性能，從而對生化武器有很好的防護性［27］。與以木炭作為吸附劑的防護服相比，電紡膜夾層的層壓織物質量輕，能在有效防止毒氣入侵的同時不妨礙水蒸氣和空氣的傳輸，保證了服裝的舒適性。

Yoon等［18］為滿足不同的消費者需求，采用靜電紡絲技術制成不同復合結構的防水透濕層壓織物，還將基于PU電紡膜的防水透濕層壓織物與傳統的防水透濕層壓織物(高密度織物、微孔層壓織物、親水性無孔PU涂層織物)進行對比。結果表明:采用合適的層結構、底層以及層壓工藝制成的基于電紡膜的層壓織物比高密度織物具有更好的防水性，比其他微孔膜層壓織物和涂層織物有更好的透濕性和透氣性;采用靜電紡絲技術制得的防水透濕材料能夠填補防水透濕織物在防護和舒適性方面的空缺，新材料的引進將會在市場上為消費者提供更多的選擇。

4 結語

電紡膜與其他膜材料(如微孔PTFE膜、親水性無孔PU膜等)相比具有很大的優勢，除具有防水透濕性能外，還具有可呼吸性、良好的保暖性和很高的水汽透過率，而層壓技術又可將各種材料的功能疊加在一起。因此，用電紡膜作為防護層制作防水透濕層壓織物更符合防水透濕層壓復合織物向輕便化、舒適化、綠色化和多功能化發展的趨勢。

采用靜電紡絲技術，通過控制原料和紡絲條件 (如高聚物溶液的濃度、紡絲時間、接收距離、電壓、進料速度等)可以獲得不同性能、不同纖維直徑、不同孔隙率和不同厚度的電紡納米纖維膜，層壓后可以獲得透濕性好、透氣性好、防水性好、防風性好的不同水平的防水透濕層壓織物，用于運動服、登山服、保暖服、隔熱服、手術服、防護服、消防服、雪地靴、手套、睡袋和帳篷等，滿足不同的消費者的需求。

［1］潘鶯，王善元.Gore-tex防水透濕層壓織物的概述［J］.中國紡織大學學報，1988，24(5):110-114.

［2］徐旭凡，周小紅，王善元.防水透濕織物的透濕機理探析［J］.上海紡織科技，2005，33(1):58-60.

［3］張建春，黃機質.防水透濕織物的發展與展望［J］.棉紡織技術，2003，31(2):69-72.

［4］WEI Zhaohui，GU Zhenya.A study on novel waterproof and moisture-permeable poly(vinylidene fluoride)micropore membrane-coated fabrics［J］.Applied Polymer Science，2001，79:801-807.

［5］張建春，黃機質，郝新敏.織物防水透濕原理與層壓織物生產技術［M］.北京:中國紡織出版社，2003:2-21.

［6］郝新敏，張建春，周國泰，等.可重復使用透濕型SARS防護服材料的研究［J］.西安工程科技學院學報，2003，17(3):206-211.

［7］郭玉海，陳建勇，張建春，等.新型多功能復合膜及其層壓紡織品的研究［C］//第三屆紡織涂層、復合、功能紡織品技術交流會資料集，2007.

［8］吳易潘，李新新，馮喜增.電紡技術在生物醫學中的應用進展［J］.生命科學，2009，21(4):599－605.

［9］LI D，XIA Y N.Electrospinning of nanofibers:reinventing the wheel? ［J］.Advance Materials，2004，16(14):1151-1170.

［10］吳大誠，杜仲良，高旭珊.納米材料與應用技術叢書——納米纖維［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［11］徐志娟，林雪春.電紡絲制備納米纖維綜述［J］.國外塑料，2009，27(9):41-45.

［12］SCHREUDER-GIBSON H，GIBSON P，TSAI P，et al.Cooperativecharging effects of fibers from electrospinning of electrically dissimilar polymers［J］.Int Nonwovens J，2004，13(34):39-45.

［13］WANNATONG L，SIRIVAT A .Electrospun fibers of polypyrrole/polystyrene blend for gas sensing applications［J］.PMSE Preprints，2004，91(35):692-693.

［14］KIM C，PARK S H，LEE W J，et al.Characteristics of supercapacitor electrodes of PBI-based carbon nanofiber web prepared by electrospinning［J］.Electrochimi Acta，2004，50(39):877-881.

［15］KHIL M S，BHATTARAI S R，KIM H Y，et al.Novel fabricatedmatrix via electrospinning for tissue engineering［J］.J Biomed Mater Res B，2005，72B(13):117-124.

［16］SCHREUDER-GIBSON H，GIBSON P，SENECAL K，et al.Protective textile materials based on electrospun nanofibers［J］.Advanced Materials，2002，34(3):44-55.

［17］辛東坡.靜電紡納米纖維非織造布的熱濕傳遞性質［D］.東華大學，2009.

［18］YOON B，LEE S.Designing waterproof breathable materials based on electrospun nanofibers and assessing the performance characteristics［J］.Fiber and Polymers，2011，12(1):57-64.

［19］周歡，李從舉.過濾粉塵用紡織材料的發展現狀［J］.產業用紡織品，2011，29(1):1-6.

［20］曹鼎，付志峰，李從舉.靜電紡絲技術在過濾中的應用進展［J］.化工新型材料，2011，39(8):15-18.

［21］佟艷斌.靜電紡絲技術研究及納米纖維的應用前景［J］.內蒙古民族大學學報，2008，14(4):18-20.

［22］常敏，李從舉.靜電紡納米纖維的應用［J］.合成纖維工業，2001，30(4):50-52.

［23］LEE S.Developing UV-protective textiles based on electrospun zinc oxide nanocomposite fibers［J］.Fibers and Polymers，2009，10(3):295-301.

［24］辛東坡，覃小紅，王善元.靜電紡納米纖維非織造布的濕傳遞性能［J］.產業用紡織品，2009，27(3):13-17.

［25］TSAI P P，柯勤飛，McCULLOCH W J G.納米纖維在非織造材料中的應用現狀與未來［J］.產業用紡織品，2005，23(1):36-40.

［26］LEE S，OBENDORF S K.Developing protective textile materials as barriers to liquid penetration using meltelectrospinning ［J］.Applied Polymer Science，2006，102(4):3430-3437.

［27］靳玉偉，劉曉東，王策.多功能智能織物納米技術［J］.中國個體防護裝備，2005(2):28-29.

The research progress on waterproof moisture permeable laminated fabric based on electrospun fibrous membrane

Zhang Li1，2，Wang Jiaona1，2，Li Congju1，2
(1.College of Material Science and Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology;2.Beijing Key Laboratory of Clothing Materials R＆D and Assessment)

The waterproof moisture permeable fabric and the principle were introduced.Comparison on other methods，the electrospun fibrous membrane used as waterproof moisture permeable functional membrane in fabric has obvious superiority.Electrospun fibrous membrane be controllable，it could adopt various spinning solution and processes to produce electrospun fibrous membrane with various properties.Throughout laminating process could make the fabric have various waterproof moisture permeability.The research progress of the electrospun fibrous membrane used as waterproof moisture permeable fabric was summarized and the application of it in waterproof moisture permeable fabric was prospected.

electrospinning，laminted fabric，waterproof moisture permeable，principle，application

TQ340.649

A

1004－7093(2012)07－0001－04

*北京市屬高等學校人才強教深化計劃項目(IHLB);北京市科技計劃資助項目(課題)(Z111103066611004)

2011－12－23;修改稿:2012－02－22

張麗，女，1988年生，在讀碩士研究生。主要研究方向是納米技術與纖維。

李從舉，E-mail:congjuli@gmail.com