TPU薄膜在防水透濕織物中的應(yīng)用

翟婭茹,沈蘭萍

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048)

防水透濕面料[1-3]被稱為“可呼吸面料”,由該面料織制的織物應(yīng)具有2種功能:一種是防水功能,即外界的水、雨滴等在一定壓力下不能透過織物表面到達織物內(nèi)部;另一種是排汗、透濕、透氣功能,即人體的汗液可以以水蒸氣形式通過面料擴散到外界,從而避免汗液等積聚在人體皮膚表面和衣服之間,以保持服裝的舒適性。近些年來,越來越多的人使用防水透濕薄膜,產(chǎn)品主要有2種,一種是以Gore-Tex為代表的微孔聚四氟乙烯薄膜(PTFE),一種是以熱塑性聚氨酯(TPU)為代表的無孔分子膜。

1 TPU的化學(xué)成分及常用防水透濕薄膜性能比較

1.1 TPU化學(xué)成分

TPU,又稱熱塑性聚氨酯橡膠或熱塑性聚氨酯彈性體,是一種線性嵌段共聚物,由低聚物多元醇軟段和異氰酸酯硬段構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 TPU結(jié)構(gòu)圖解

大分子二元醇和異氰酸酯連接形成長鏈結(jié)構(gòu),因分子鏈長,表現(xiàn)出柔性,所以形成整個大分子鏈中的軟段結(jié)構(gòu);小分子多元醇和異氰酸酯連接形成短鏈結(jié)構(gòu),因分子鏈短,從而呈現(xiàn)剛性,形成大分子鏈結(jié)構(gòu)中的硬段結(jié)構(gòu)。軟段部分通常與剛性的硬段交替存在于TPU分子鏈中[4],以共價鍵“尾—尾”連接,如圖2所示。由于聚氨酯硬段間的相互作用,所以它具有良好的機械性能。TPU良好的回彈性得益于分子鏈的相對運動,這點在低溫撓性方面尤其明顯。分子鏈的運動性能很大程度取決于軟段的化學(xué)性質(zhì)和鏈的長度,軟段越是呈無定形狀態(tài),其柔順性就越好。

圖2 基團共聚彈性體的結(jié)構(gòu)

1.2 常用防水透濕薄膜比較

紡織行業(yè)中,我們一般要求薄膜既能阻止液體通過,又能允許水蒸氣散逸。要達到這兩種功能的完美結(jié)合,就要使涂層或薄膜既能透水汽,又能阻隔液體,可以采用致密型薄膜和微孔型薄膜。目前,最受歡迎的防水透濕薄膜有PU薄膜、TPU薄膜和PTFE薄膜等。

TPU薄膜是一種致密型薄膜,利用TPU原材料經(jīng)過塑化吹脹而成。由于具有非常高的性價比,產(chǎn)品線比較齊全,有高、中、低透濕系列,所以其在紡織行業(yè)被大量應(yīng)用;PTFE薄膜[5]是一種微孔型薄膜,通過PTFE定向拉伸而產(chǎn)生,因其不耐洗、易吸附灰塵、不環(huán)保等因素,只被限制用于軍事等特殊領(lǐng)域;PU膜[6]是一種致密型薄膜,利用PU漿體在特定材料上涂覆而成,是處于PTFE與TPU之間的過渡體,被一些個性化客戶采用。常用防水透濕薄膜性能比較如表1。

表1 常用防水透濕薄膜性能比較

從表1可看出,TPU薄膜具有高的拉伸強度、伸長率、高撕裂強度、耐環(huán)境和化學(xué)品腐蝕,硬度范圍廣,承載能力大,具有優(yōu)良的耐磨、耐油性能,應(yīng)用范圍十分廣泛。此功能配合紡織業(yè)的貼合加工技術(shù),大大提升紡織品的附加值。除此之外,耐候性佳、可回收和可分解更使TPU防水透濕薄膜成為21世紀主流材料之一。

2 TPU薄膜應(yīng)用于防水透濕織物的機理

TPU薄膜應(yīng)用于防水透濕織物的機理[7-10]即為高分子間“孔”和親水基團分子擴散透濕機制。

無孔膜透濕原理是在大分子鏈上引入親水基,并將其制成薄膜,這種薄膜是由一種單一組分構(gòu)成的、硬段和軟段交替排列而構(gòu)成的嵌段共聚物。該分子結(jié)構(gòu)中,硬鏈段疏水,加之薄膜本身具有連續(xù)性和較大的膜面張力,可以阻止水滴通過,從而表現(xiàn)出優(yōu)良的防風和防水作用;軟鏈段親水,它們會和水分之間相互作用,借助氫鍵和其他分子間作用力,按“吸附-擴散-解吸”的方式,在高濕度一側(cè)吸附水分子,沿分子鏈通過親水基團逐一將水分子傳遞到低濕度一側(cè)進行解吸,從而達到高透濕的目的。“吸附—擴散—解吸”示意圖如圖3所示,在這個過程中,親水基團相當于“化學(xué)階梯石”,實際生產(chǎn)中,我們一般可以通過改變大分子鏈中軟段的數(shù)量或相對分子質(zhì)量來增加親水基團的比例,使織物的透濕效果更佳。透濕量公式[11]為:

其中WVP為透濕量(g/(m2·24 h));ΔP為膜兩側(cè)水蒸氣分壓差(Pa);D為擴散系數(shù)(m2/s);S為溶解度參數(shù);L為膜的厚度(cm)。

從上公式可以看出,無孔親水膜的透濕性不僅和高分子膜的厚度和其自身的性能有關(guān),還取決于薄膜兩側(cè)水蒸氣分壓之差。

圖3 吸附—擴散—解吸附示意圖

3 TPU薄膜形成防水透濕層壓織物的加工過程

合適的層壓技術(shù)是生產(chǎn)高品質(zhì)層壓織物的關(guān)鍵。TPU薄膜形成層壓織物就是使用濕固化聚氨酯熱熔膠的熱熔黏合技術(shù),這種黏合技術(shù)具有對環(huán)境友好、能耗低、交鏈易于控制等優(yōu)點,應(yīng)用十分廣泛,特別適用于一些高檔紡織面料的復(fù)合。

3.1 涂層轉(zhuǎn)移

涂層轉(zhuǎn)移的目的是為了使?jié)窆袒郯滨崛勰z[12]從雕刻輥轉(zhuǎn)移到薄膜上,轉(zhuǎn)移后,薄膜與雕刻輥分離。分離過程中,熱熔膠必須有較低的黏度和好的流動性;若熱熔膠的流動性差、黏度高,則會使薄膜與雕刻輥之間黏連,分離過程中產(chǎn)生嚴重的拉絲現(xiàn)象,從而導(dǎo)致涂層轉(zhuǎn)移效率降低,分離難度加大。為了降低成本,減少不必要的浪費,這種情況在實際生產(chǎn)中是不允許出現(xiàn)的。

3.2 層壓復(fù)合

好的初始黏結(jié)強度是保證織物與薄膜復(fù)合形成優(yōu)質(zhì)層壓織物的關(guān)鍵因素。織物與涂了濕固化聚氨酯熱熔膠的薄膜在一定壓力下瞬間復(fù)合在一起時,熱熔膠應(yīng)具有低流動性和高黏度性;如果復(fù)合時熱熔膠的流動性太好,黏度過低,一方面會因為初始黏結(jié)強度低,造成層壓織物在離開壓合點后又可能分開;另一方面會由于流動性好,熱熔膠可能滲過織物造成透膠,從而影響層壓復(fù)合織物的外觀、手感、黏接強度和耐洗性能等。

4 TPU薄膜的應(yīng)用

4.1 TPU薄膜在服裝上的應(yīng)用

早期,人們?yōu)榱吮苡?創(chuàng)造了雨衣、雨傘、雨布等,使水不能浸透織物。后來為了方便,人們希望普通的外衣也具有一定的防水性,但這種衣服不透氣,導(dǎo)致在大量活動時出現(xiàn)汗流浹背的情況,服裝會粘貼皮膚而使人產(chǎn)生濕冷感。為了調(diào)節(jié)服裝內(nèi)氣候,改善其透濕性和手感,防水透濕的新型紡織品就產(chǎn)生了。對于無孔親水型透濕薄膜TPU來說,分子鏈段上有許多利于水分子遷移的化學(xué)基團,通過“吸濕—擴散—放濕”過程成功地將人體汗氣排出,即首先其親水性鏈段吸收人體散發(fā)的汗液,將濕氣由內(nèi)部迅速向外層擴散,最后將濕氣向外界環(huán)境中蒸發(fā)。TPU防水透濕薄膜解決了織物防水性與透濕性這兩大矛盾問題,從而被人們稱為“可呼吸面料”或“人類第二皮膚”。任何新科技的產(chǎn)生與發(fā)展都以人們的需要為出發(fā)點,這種集防水、透濕、防風、保暖于一體的高科技產(chǎn)品具有極大的使用價值。TPU以實用性為基礎(chǔ),美觀性為升華,一直以來倍受時尚界青睞,目前主要用于生產(chǎn)高檔風雨衣、軍服、休閑裝及運動衣等。

4.2 TPU薄膜在醫(yī)用材料中的應(yīng)用

近幾十年來,醫(yī)用紡織品在紡織行業(yè)中獨辟蹊徑,應(yīng)用越來越廣泛。與此同時,醫(yī)用防護材料也面臨著更嚴格的加工要求,不僅要求其有良好的防護阻隔性,也要求穿著舒適、衛(wèi)生,同時還要具有一定的物理機械性能。由于TPU薄膜具有高透濕、抗微生物性能以及良好的生物相容性和血液相容性,所以被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用防護服、手術(shù)巾、消毒器械包裹、血液過濾和外科敷料等方面。

手術(shù)服應(yīng)具有透氣性和防護性,使用前必須經(jīng)過嚴格滅菌和消毒,以保證手術(shù)過程中醫(yī)護人員穿著舒適并且不被病菌通過體液或血液而感染。醫(yī)用材料本身應(yīng)具有良好的透氣性、消毒耐受性、防菌、防靜電、耐洗滌且容易洗滌等性能,TPU薄膜正是以其無可比擬的優(yōu)勢做到了這點。

醫(yī)用敷料也是醫(yī)用紡織品的一個重要組成部分。臨床上,由于傷口的種類繁多,并且在傷口愈合過程中每一階段對敷料的要求也不盡相同,用于護理傷口的醫(yī)用敷料應(yīng)具有一系列特殊功能,如:除臭、耐菌,控制傷口上的氣味、細菌和微生物;吸濕、保濕,控制傷口產(chǎn)生的流體,從潮濕的傷口上吸收膿血,向干燥的傷口提供水分;低黏合性,不應(yīng)與創(chuàng)面粘連,在傷口愈合后應(yīng)該很容易地從傷口上剝離等。

5 展望

目前,TPU薄膜加工難度較大,成本高,所以產(chǎn)品價格也較高。未來TPU薄膜研發(fā)的重點是降低成本,開發(fā)具有抗菌或阻燃等多種功能的新型復(fù)合織物,并使織物朝著更加輕便、舒適的方向努力。

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