多層復合防水透氣蓬蓋材料的制備及性能

劉玉欣李長青何東昱張成斌呂耀輝

（1.中國人民解放軍陸軍裝甲兵學院，北京，100072；2.中國人民解放軍32178部隊，北京，100012）

我國東南沿海地區由于高溫、高濕、高鹽霧等自然環境，導致金屬結構零部件容易出現腐蝕現象，制約了設備管理和使用，嚴重時會影響各種裝備設施的技術性能［1-3］。由于條件所限，在役裝備通常在普通庫房或戶外存放，腐蝕問題不容忽視。

為實現整裝防護，國內外已經有氣相防銹薄膜、氣相防銹紙以及防銹封套［4-6］。氣相防銹薄膜具有透明性、熱塑性和氣密性等特點。氣相防銹紙具有耐蝕性，提高了原產品的強度、耐破性、抗沖擊等性能［7］。氣相防銹薄膜、氣相防銹紙多用于金屬設備或零件儲存和運輸，需要保證嚴格的密封，以達到防腐效果；另外，氣相防銹薄膜、氣相防銹紙可重復利用性較差［8-9］。防銹封套主要是采用高阻隔材料對小型設備進行嚴格密閉，同時在封套內充入保護氣體或者將裝入紗布、無縫袋內的氣相緩蝕劑粉末（將其壓制成不同形狀的片、丸、錠劑等）懸掛于封套內，或直接分散于設備需要防護的部位，實現防腐目的；由于保護氣體及緩蝕劑需要定期補充或者更換，增加了防護工作的難度和成本。上述防護方法的前提條件必須嚴格密封，并且材料沒有防水透氣層的結構設計，給大型設備在自然條件下防腐帶來了操作上的不便，并限制了整裝裝備的可移動性。

為實現在高溫、高濕、高鹽霧等自然環境下大型裝備的高效防護，我們研發了一種多層復合防水透氣蓬蓋材料。

1 試驗

1.1 剝離強度

使用CMT4303型萬能拉伸試驗機測試材料的剝離強度。按照GB/T 2792—1998《壓敏膠帶180°剝離強度試驗方法》測試，試樣規格25 mm×200 mm，用180°剝離方法施加拉力，拉力試驗機自動記錄剝離負荷圖，有效剝離長度大于125 mm，剝離速度1 mm/min，測試結果取5個不同試樣的測試平均值。剝離強度=剝離力/試樣寬度。

1.2 水蒸氣透過率

水蒸氣透過率參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》。采用Labthink蘭光W3/031型水蒸氣透過率測試儀測量。裁取直徑74 mm的3塊圓形試樣，將試樣分別裝夾在3個透濕杯中并置于透濕杯托架上。關閉測試腔門后設置試驗參數，包括試樣名稱、試驗溫度38℃、試驗相對濕度90%等，記錄測試結果。

1.3 斷裂強力

根據GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第一部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》測試。使用CMT4303型萬能拉伸試驗機，在溫度（25±2）℃、相對濕度（50±4）%環境下測試材料的斷裂強力。

1.4 微觀形貌

將材料制備成尺寸10 mm×10 mm×2 mm的待檢測試樣，用Quanta200型掃描電子顯微鏡觀察材料表面微觀形貌。因材料導電性較差，試驗前在表面進行噴金預處理，噴金電流2.5 A，時間35 s。

2 多層復合防水透氣蓬蓋材料的設計思路

針對目前整裝防護的難題，將常規的防紫外線、防風、防雨水、防潮濕等防護功能有機結合，提出并開展多層復合蓬蓋材料的結構設計。在結構設計中，首先考慮多層復合材料的防水透濕性和耐腐蝕性，同時兼顧雨雪風沙等常規防護性能。在實際使用中，多層復合蓬蓋材料還要有良好的力學性能，耐撕裂，不易破損，材料間的黏接性好。內部材料與裝備表面要有良好的柔韌性，對裝備不能造成損傷。多層復合材料既需要具有一定的透氣防凝露性能，又能充分發揮對裝備的防護性能。

多層復合防水透氣蓬蓋材料由5層結構組成，如圖1所示。從外到內分別為防水透氣層、第一黏接層、增強纖維層、第二黏接層和內部保護層。增強纖維層為織物；第一黏接層和第二黏接層為熱溶膠；內部保護層為非織造布。

圖1多層復合防水透氣蓬蓋材料結構示意圖

2.1 外層設計

外層采用高強度防水織物。一方面需要有效防止雨水進入蓬蓋材料內部對裝備及其零部件造成侵蝕，另一方面需具有良好的光反射特性，提高對日光的反射性能，從而在光照條件下有效降低材料的溫升速率，減緩光腐蝕和老化。另外，增強纖維層需為復合蓬蓋材料提供足夠的強度，使其具備良好的抗拉能力，使多層復合蓬蓋材料達到相應的強度要求。

2.2 黏接層設計

黏接層主要作用是連接外層、中間層和內層。所選用的黏接劑一要具有良好的黏接強度；二要熔點適當，在制備過程中不能因過高的制備溫度而影響內層的吸附性和外層防水及中間層的透氣性；三要在寬溫區范圍內具有良好的柔韌性；四要具有良好的抗老化性能。

2.3 內層設計

內層結構直接接觸裝備，要有較好的力學性能，厚度適中，能夠有較強的吸水性，并能吸收容納大量防腐蝕試劑顆粒；同時易于同其他材料黏接。可優選具有足夠強度和一定吸濕性能的非織造布作為內層。

3 多層復合防水透氣蓬蓋材料的篩選

依據GJB 2727—1996《主戰坦克篷布紡織材料規范》篩選各層材料。

3.1 外層材料的篩選

外層材料要具有防水透濕性。防水透濕材料是指在一定壓力作用下，液態水不能浸入，但是氣態水蒸氣和空氣卻能透過并傳導到外界的材料。將防水性和透濕性集于一種織物材料中，使防水透濕材料的設計與紡織材料轉移水蒸氣及液態水的機理密切結合起來。其中，涂層織物的性能最為優良。涂層織物是工程復合材料，由基布與其表面的聚合物通過黏合劑結合而成。涂層織物將紡織品的優點和其表面聚合物的優點結合在一起，基布為其提供機械強度，如撕裂強度、拉伸強度、伸長率和尺寸穩定性等，并支撐上面的涂層；聚合物為其提供化學性質，如耐磨性、防水性、阻隔氣體通過等。目前常用的聚合物有聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚氨酯和聚四氟乙烯等。

聚氨酯涂層具有良好的黏附性，并且成本較低，用于涂層織物時具有良好的彈性和手感，并且具有抗張強度高，伸長率大，柔韌性、潤濕性、光澤性以及耐磨性優異等優點，被廣泛應用于紡織品功能整理，尤其是在防水透濕織物領域。同時，在寬溫區范圍內聚氨酯也具有良好的特性，如在較低的溫度下聚氨酯也有較好的延伸性、彈性及良好的表面耐磨性。綜合考慮，選用聚氨酯作涂層材料，滌綸長絲織物作為涂層織物基布。選購了符合要求的兩種聚氨酯涂層防水透濕織物，并測試其力學性能和防水透濕性，結果如下。其中，織物1經緯紗均為滌綸111.1 tex長絲，經密110根/10 cm，緯密100根/10 cm；織物2經緯紗均為滌綸66.6 tex長絲，經密120根/10 cm，緯密110根/10 cm。

由以上測試結果可知，織物1的防水性、斷裂強力與撕破強力明顯高于織物2，因此選織物1為增強纖維層。

3.2 黏接層材料的篩選

中間層為黏接層，主要是黏接內層和外層。選取的熱熔膠要具有優良的黏接強度，熔點適當，易于使用，熱熔膠加熱固化后在寬溫區內具有一定的柔韌性，且擁有良好的抗老化性能。

EVA熱熔膠粉為白色粉末狀顆粒，具有良好的黏接強度，施膠溫度120℃～180℃，使用便捷。Swift·melt 1C2169熱熔壓敏膠為淺黃色透明塊狀固體，具有較好的耐熱性，黏接強度高，噴涂時使用Reka TR70-LCD型熱熔膠槍，將熱熔壓敏膠噴為霧狀或條狀的膠面。Flexel?反應性薄膜黏合劑為乳白色薄膜狀固體，使用時僅需將兩面保護層撕下，使薄膜黏合劑貼于待黏接面之間，放入加溫箱之中，設置溫度75℃～125℃，施加20 N/cm2～25 N/cm2的壓力，持續加壓100 s～250 s即可制備完成。因薄膜黏合劑無孔隙，故選用其黏接后，材料透氣性大大降低。參考多層復合蓬蓋材料透氣性要求，最終采用Swift·melt 1C2169熱熔壓敏膠作為黏接層材料。

3.3 內層材料的篩選

內層材料直接接觸裝備表面，需具有良好的力學性能和較強的吸水性，以吸收容納大量防腐蝕顆粒材料。非織造布吸水性好，厚度適中，質量輕，可以保證搬運和使用中的便攜性。非織造布易于同其他材料黏接。選購了3種非織造布進行吸水率、厚度及橫、縱向斷裂強力測試，結果如下。其中，試樣1為木漿水刺非織造布，試樣2為工業擦拭布，試樣3為粘膠水刺非織造布；試樣1、試樣2和試樣3的吸水率依次為300%～450%、250%～280%和800%～1 000%。

由測試結果可知，木漿水刺非織造布厚度達到0.25 mm，橫、縱向斷裂強力都達到了35 N，但吸水率不夠高，僅300%～450%。工業擦拭布單位面積質量為40 g/m2，輕便易搬運，但厚度僅有0.20 mm，并且吸水率僅為250%～280%，不能吸納足夠的防腐蝕顆粒。粘膠水刺非織造布吸水率高達800%～1 000%，能夠容納足夠劑量的防腐蝕顆粒，且厚度達到0.25 mm，單位面積質量45 g/m2，較為輕便，使用時具有便捷性；粘膠水刺非織造布縱、橫向斷裂強力均為30 N，低于工業擦拭布和木漿水刺非織造布。綜合考慮，選取粘膠水刺非織造布為內層結構材料。

4 測試結果與分析

4.1 剝離強度測試與分析

測試含膠量25 g/m2、50 g/m2、75 g/m2的多層復合蓬蓋材料與進口多層復合材料的180°剝離強度。其中，進口多層復合材料的180°剝離強度 為29.17 N/m2，含 膠 量25 g/m2、50 g/m2和75 g/m2的多層復合蓬蓋材料180°剝離強度依次為37.2 N/m2、39.14 N/m2、40.8 N/m2。

可以看出，隨著含膠量的增加，多層復合蓬蓋材料180°剝離強度呈上升趨勢，但剝離強度均大于進口多層復合材料。

4.2 水蒸氣透過率

測試進口多層復合材料的水蒸氣透過率為415 g/m2·24 h，含膠量25 g/m2、50 g/m2、75 g/m2的多層復合蓬蓋材料水蒸氣透過率依次為686 g/m2·24 h、608 g/m2·24 h、598 g/m2·24 h。可以看出，隨著含膠量的增加，多層復合蓬蓋材料水蒸氣透過率呈降低趨勢，但均高于進口多層復合材料。

在綜合考慮多層復合蓬蓋材料剝離強度、透氣性、施工難度、成本等條件后，最終選擇含膠量25 g/m2的制備工藝。

4.3 拉伸斷裂性能測試與分析

多層復合蓬蓋材料的斷裂強力基本為外層滌綸長絲織物的斷裂強力，測試其斷裂強力為3 000 N，內層非織造布的斷裂強力僅30 N。多層復合蓬蓋材料的斷裂強力符合材料設計強度要求。

4.4 多層復合蓬蓋材料形貌分析

采用以上優選的材料制備了多層復合蓬蓋材料，如圖2所示。

取10 mm×10 mm×2 mm多層復合蓬蓋材料，將其從第二黏接層撕裂，分為外層、內層兩部分。對兩部分的內外表面進行表面噴金預處理，用Quanta200型掃描電子顯微鏡觀察材料微觀形貌，具體如圖3所示。

由圖3可看出，復合材料外層表面是凹凸不平的非致密聚合物膜，膜上存在大小不一的細孔。放大100倍和200倍后，可清楚地看到細孔直徑在10μm～20μm間；這些細孔可以使蓬蓋材料內的水蒸氣（水蒸氣分子直徑約0.000 4μm）揮發出去，同時阻隔外界水滴（96.5%的水滴直徑在20μm～140μm之間）進入，保持復合材料內環境干燥。

圖2多層復合蓬蓋材料實物圖

圖3多層復合材料外層聚合物膜微觀形貌

多層復合蓬蓋材料內層形貌如圖4所示。由圖4（a）可看出，內層非織造布是由直徑約15μm的纖維無序排列組合而成；圖4（b）為剝離內層非織造布與外層防水透氣材料靠近非織造布剝離面的形貌圖。多層復合蓬蓋材料質地柔軟并且具有一定的物理強度。

圖4多層復合蓬蓋材料內層形貌

為了更加直觀地了解多層復合蓬蓋材料的結構，裁取10 mm×10 mm多層復合蓬蓋材料，保持材料干凈清潔，放入溫度低于-210℃的液氮中10 min，取出后立即敲斷，進行噴金處理后豎貼在載物臺上，觀察形貌，具體如圖5所示。

由圖5可清楚地觀察到：外層是聚酯纖維織物；中間層是用于連接內層非織造布與外層防水透氣層的膠狀物；內層是由纖維無序組合而成的非織造布。

圖5多層復合蓬蓋材料截面形貌

5 結語

針對整裝防護難題，對多層復合防水透氣蓬蓋材料進行了設計，克服了傳統蓬蓋材料防水透濕性差、防護性差等問題，并將常規的防紫外線、防風、防雨水、防潮濕等防護功能有機結合，介紹了多層復合蓬蓋材料的結構設計思路。確定了多層復合防水透氣蓬蓋材料的結構，篩選確定了內外層材料，并與進口的多層復合材料的各項性能進行了對比，結果顯示：制備的多層復合防水透氣蓬蓋材料的斷裂強力、剝離強度、水蒸氣透過率均高于進口多層復合材料，能夠滿足裝備整裝防護對蓬蓋材料性能的要求。