親疏水雙極棉織物的制備及其防水透氣性能的研究

顏 倩，孫元藝，嚴 佳，尤祥銀，朱新生

(1.蘇州大學敬文書院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州大學沙鋼鋼鐵學院，江蘇 蘇州 215137；3.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；4.江蘇麗洋新材料股份有限公司，江蘇 南通 226001)

隨著工業技術的發展和人民生活水平的提高，紡織品已經從遮體御寒的基本功能延伸到美觀、舒適、時尚、保護等功能，人們的消費理念也逐步從實用向保健、環保、多功能發展，各種智能化、功能化的紡織品得到廣泛關注與發展，防水透濕紡織品就是其中一例[1]。

防水透濕織物(Water-repellent and Moisture Permeable Fabric)在國外又稱“可呼吸織物”[2]。防水性是指織物對具有一定壓力的外部水或者小雨、大雨、霧等液態水透過時的阻抗性能，而人體散發的汗液、汗氣能夠以水蒸氣的形式傳遞到外界，而不會積聚或冷凝在體表和織物之間使人感覺到粘濕和悶熱，從而實現了織物防水功能與織物熱、濕舒適性的統一。因此防水透氣織物不僅能滿足嚴寒雨雪、大風天氣等惡劣環境中人們活動時的穿著需要，也適用于人們日常生活對雨衣鞋類等的要求，具有廣闊的應用和開發前景。

防水透濕織物的研發關鍵主要在于調控其防水性及透濕性兩個競爭關系性能能否達到和諧統一，即在有效防水的同時還能夠迅速吸收水蒸氣并向外傳遞擴散。實現這一基本特性，目前主要存在兩種方法：一種是利用服裝材料的物理性質實現防水透濕，即利用水蒸氣分子、液滴直徑和織物孔隙尺寸間的巨大差異實現防水透濕，在材料制備過程中使得織物的孔徑介于水滴與水蒸氣分子直徑之間；二是通過服裝材料本身的化學特性實現，即利用親水膜鏈段的化學吸附作用在一定溫度和濕度梯度下將體表汗液傳遞到外部再解吸,而服裝面料外側則通過親水膜的疏鏈段或拒水處理使得織物獲得防水性[3]。

目前市場上的雨鞋大多是由橡膠涂覆織物而制成，防水性好但透氣性差；而運動鞋則是透氣性好但其防水性差。本文采用絲網印刷與泡沫整理方法，賦予棉織物親疏水雙極特性，研制出一種運用于運動鞋的透氣防水材料，并對其疏水性、耐水壓、透氣性與耐洗刷性進行探討，達到預期效果。

1 實驗部分

1.1 原料

試劑：水性防水劑(DTM648-W-50)，廣州佳伲思抗菌材料有限公司；親水整理劑，常州美勝生物材料有限公司。純棉織物(350g/m2)，丙酮，二甲苯和去離子水。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

分別用熱水與丙酮預處理織物，脫除表面油脂雜質等。采用泡沫整理方法，將一定量疏水整理劑整理棉織物一側。經干燥處理后，繼續用絲網印刷方法，將親水整理劑施加織物的另一側，經干燥與焙烘處理后，再洗滌與干燥、備用。疏水劑與親水劑體積比設定為1∶1，1∶2，1∶3和1∶4，焙烘溫度為180℃和焙烘時間為6min。親水劑原液載液率在6.25%～50%之間。親水劑整理施工稀釋5～10倍。疏水劑整理施工前，添加少量起泡劑十二烷基磺酸鈉。

1.2.2 性能測試

(1)接觸角

本實驗采用的接觸角測試儀是德國data physics公司出廠的型號為DCAT21接觸角測試儀，采用的是50倍的放大倍數進行接觸角的測試以及拍攝。

(2)耐水壓

圖1 耐水壓測試裝置示意圖

本文設計了一個簡易的耐水壓測試裝置，圖1為其實驗原理示意圖。緩慢地向水壓容器添加去離子水，記錄第一滴水滴透過樣品時的水柱高度，即為織物的耐水壓。

(3)透氣量

我國國家標準(GB-T5453-1997紡織品織物透氣性的測定)規定為服用織物為100Pa(10mm水柱)、產業用織物為200Pa(20mm水柱)。本論文設計了如下織物透氣性實驗裝置(見圖2)。樣品置于布氏漏斗中，樣品與漏斗接觸面用真空封泥密封，確保氣體只從樣品表面透過。樣品面積等于布氏漏斗有效分離面積。

圖2 透氣量測試裝置示意圖

由于試驗開始時，試驗系統中含有空氣，為不影響實驗，10min后再從流量計中讀出該樣品下的流量計讀數，根據布氏漏斗有效面積表面積與流量計讀數計算透氣量。

(4)耐洗刷性

織物在使用過程中，在不同場合會受到機械、物理、化學等作用，從而逐步降低其使用價值，甚至損壞。在這些影響中，磨損占主要地位，是織物損壞的主要原因[2]。另外，在使用過程中，經常會除污洗凈等清潔過程。實驗室中常用的評定織物耐磨性的方法有：(1)用織物被磨破或被磨斷一定根數時，織物所經受的磨損次數來表示；(2)織物經受一定的磨損次數后，對織物的某些形狀進行評定，測定這些形狀的變化。本文用刷子對樣品進行磨損，而后再經受反復揉搓，測定其性能是否有變化。

2 結果與討論

2.1 接觸角與疏水性

表1給出樣品預處理條件、整理劑整理后焙烘時間及其所得樣品親疏水性能直觀判斷結果。由表1可知，當親水劑與疏水劑的體積比為1∶1和4∶1，此時防水透氣性為最佳。樣品1與樣品2相比，親水劑：疏水劑體積比均為2∶1，而親疏水性能不同，藥劑用量越多防水透氣性越佳。比例同為4∶1的樣品3與樣品5相比，會發現防水透氣性能均不錯，但是3號樣品的用量太多則導致親水性過強導致防水性下降；4號樣品與6號相較，可發現在親水劑與疏水劑體積比為1∶1的比例下防水透氣性較佳，但是6號樣品中的親水劑的用量偏低，降低了其親水性能。綜上所述，最佳防水透氣性的樣品的親水劑：疏水劑的體積比為4∶1和1∶1，并且親水劑用量最佳范圍為40～80mL/m2(即原液載液率12.5%～25%)。

表2給出了整理后棉樣的水接觸角數據(用θ表示，θL、θR和θAVE分別表示左側、右側和平均接觸角)。通常，水接觸角小于90°的表面是親水性的，此時水潤濕將會自發進行。水接觸角大于90°的表面則為疏水的，水不能自發潤濕而會在織物表面出現移動或滾動。由表2可知，改性后的織物接觸角均大于90°，具有疏水性，通俗地講，稱為防水性好，并且4、5、6號樣品水接觸角高達135°以上，具有很強的疏水性。特別樣品5，其平均接觸角高達147.1°，已經極其接近超疏水結構的150°。親水劑與疏水劑比例為4∶1時，疏水性反而更好。這可能是較大量的親水劑壓縮了疏水劑滲透空間，反而使疏水劑局部集中織物的表面區域。

表1 樣品整理工藝參數與親疏水性直觀判斷結果

表2 棉樣疏水側的水接觸角θ

圖3給出了所示為改性后織物角與原樣(7號樣品)水接觸角，從圖中可明顯看出接觸角的差異。圖3左側是5號樣品，其接觸角為147.1°。圖右是7號原樣接觸角為87.4°。原樣棉織物的接觸角表明，一方面，樣品在熱水與丙酮處理時，可能尚有一些油劑等未完全清洗干凈，另一方面，超厚織物中含有大量空隙結構。為另外，圖4也給出樣品4兩側宏觀水接觸角情況，樣品4號兩側分別具有較強的疏水及親水性。

圖3 樣品5和7號的接觸角

圖4 樣品4號改性織物性能水接觸角測試過程

2.2 耐水壓

表3給出了各樣品的耐水壓測試結果，第一滴水滴透過時所測得的水柱高度，宏觀顯示出了改性后的織物耐水壓的強弱程度。其中7號樣品為未改性的原樣，由于其水接觸角偏大，織物含有微孔，因此仍顯示出一定的耐水性。其他樣品與之相較，耐水壓均具有大幅度的提升，顯示出優異的拒水整理效果。其中5號樣品最佳，為原樣的17.8倍。這都表明，防水劑封堵了棉纖維之間大孔尺寸的微孔，且在棉纖維的空腔毛細孔中形成疏水膜層，從而提高了織物的耐水壓。

表3 耐水壓測試結果

2.3 透氣量

表4給出樣品在試驗條件下透氣性。由表4易知，改性后的織物仍能具有較好的透氣性。原樣7號的透氣量達到631.68L/(m2·s)，而樣品1和2號透氣性最差，樣品3透氣性最優。事實上，樣品3號親水劑用量大，應該透氣性較低。這進一步說明，親水與疏水作用是材料的表面特性，而非本體特性。由于棉織物是厚重型織物，載液率仍然非常低，內部仍有一些微孔通道存在，這又保證織物所需的透氣性。5號樣品透氣量達到518.59L/(m2·s)，仍達到原樣的92.1%。表5中則給出了濕樣品的透氣性，濕樣品中的水分或者水汽確實降低織物的透氣性。疏水性好的樣品中水分和水汽停留量少，因此，濕樣品的透氣量沒有明顯下降。原樣7號中水分的作用使其透氣性下降明顯。相比較而言，5號樣品透氣性達到原樣的97.7%。由此可見，親水劑與疏水劑的整理對于織物的透氣性幾乎沒有影響，改性后的織物仍具有較好透氣性。

表4 干樣品透氣量

測試條件：溫度28.5℃相對濕度56%。

表5 濕樣品透氣量

測試條件：溫度28.5℃相對濕度56%。

2.4 樣品刷洗與揉搓后疏水性及其形貌

圖5給出了2號樣品經刷洗和揉搓后樣品外觀，從左至右分別為磨損前、磨損后和疏水性測試情況，具體測試結果見表6。由表6可知，樣品1和2經受磨損后，性能下降明顯。樣品 3、4和5號經磨損后性能均未發生改變。樣品6號的防水僅具有區域性是因為藥劑用量較少、分布不均所導致的?？傮w而言，防水劑與親水劑比例合適時，防水劑可以富集在織物表面區域，并形成了基于化學交聯反應的疏水膜，其與織物的結合牢固。綜上所述，樣品3,4和5具有良好的耐洗刷和揉搓作用。

表6 樣品磨損后外觀及其性能變化

圖5 樣品經受磨損前后外觀及其防水性

圖6 樣品5號親水側與疏水側經刷洗和揉搓后的掃描電鏡圖

圖6給出了樣品5經刷洗和揉搓后掃描電鏡圖，其中，左圖為5號樣品親水側形貌，右圖為疏水側微觀形貌(右圖右上角是局部放大圖)。實際上，親水側形貌改性前后并無改變，而疏水側內部吸附有較大量防水整理劑。特別是在織物的表層形成分一層覆蓋膜，這層透明超薄薄膜可能在織物洗刷時留下的(見放大部分)。實質上這是由于含氟疏水整理劑中的特氟龍微粒在剪切作用下成膜的結果。

3 結論

本文用泡沫整理和絲網印刷技術分別將疏水和親水性整理劑整理到棉織物兩側，賦予棉織物鞋材面料防水透氣性。得出以下結論：

(1)選用的含氟防水劑及聚丙烯酸酯親水劑對于鞋材棉織物賦予其防水透氣性是可行的。以親水劑用量為80mL/m2(原液載液率25%)且親水劑與疏水劑體積比為4∶1時，透氣與防水綜合性能最好。

(2)親水劑用量為80mL/m2且親水劑與疏水劑體積比為4∶1樣品水接觸角高達147.1°，接近于超疏水結構。該樣品耐水壓高達1780Pa，而原樣的耐水壓僅為100Pa，最佳比例下改性后的織物的耐水壓是原樣的17.8倍。在干試樣的透氣量為原樣的92.1%，而濕樣的則為97.7%。

(3)在經受刷子刷洗10次，揉搓20次的磨損后，織物的防水性與透氣性未有明顯下降。疏水劑在織物上發生了化學聯結反應，使形成的疏水膜可以緊密覆蓋于織物之上，同時具有很好的防水透氣、排汗吸濕性。

參考文獻：

[1] 田海洋. 聚偏氟乙烯/聚氨酯纖維膜的制備及其防水透濕性能研究[D].上海：東華大學，2015.

[2] 鮑麗華. 防水透濕層壓織物的性能研究與開發[D]. 北京：北京服裝學院，2009.

[3] 逄蘭芹. 防水透氣抗菌多功能復合面料的開發[J].山東紡織科技, 2016(3)：8-10.