亲疏水双极棉织物的制备及其防水透气性能的研究

颜 倩，孙元艺，严 佳，尤祥银，朱新生

(1.苏州大学敬文书院，江苏 苏州 215006；2.苏州大学沙钢钢铁学院，江苏 苏州 215137；3.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；4.江苏丽洋新材料股份有限公司，江苏 南通 226001)

随着工业技术的发展和人民生活水平的提高，纺织品已经从遮体御寒的基本功能延伸到美观、舒适、时尚、保护等功能，人们的消费理念也逐步从实用向保健、环保、多功能发展，各种智能化、功能化的纺织品得到广泛关注与发展，防水透湿纺织品就是其中一例[1]。

防水透湿织物(Water-repellent and Moisture Permeable Fabric)在国外又称“可呼吸织物”[2]。防水性是指织物对具有一定压力的外部水或者小雨、大雨、雾等液态水透过时的阻抗性能，而人体散发的汗液、汗气能够以水蒸气的形式传递到外界，而不会积聚或冷凝在体表和织物之间使人感觉到粘湿和闷热，从而实现了织物防水功能与织物热、湿舒适性的统一。因此防水透气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，也适用于人们日常生活对雨衣鞋类等的要求，具有广阔的应用和开发前景。

防水透湿织物的研发关键主要在于调控其防水性及透湿性两个竞争关系性能能否达到和谐统一，即在有效防水的同时还能够迅速吸收水蒸气并向外传递扩散。实现这一基本特性，目前主要存在两种方法：一种是利用服装材料的物理性质实现防水透湿，即利用水蒸气分子、液滴直径和织物孔隙尺寸间的巨大差异实现防水透湿，在材料制备过程中使得织物的孔径介于水滴与水蒸气分子直径之间；二是通过服装材料本身的化学特性实现，即利用亲水膜链段的化学吸附作用在一定温度和湿度梯度下将体表汗液传递到外部再解吸,而服装面料外侧则通过亲水膜的疏链段或拒水处理使得织物获得防水性[3]。

目前市场上的雨鞋大多是由橡胶涂覆织物而制成，防水性好但透气性差；而运动鞋则是透气性好但其防水性差。本文采用丝网印刷与泡沫整理方法，赋予棉织物亲疏水双极特性，研制出一种运用于运动鞋的透气防水材料，并对其疏水性、耐水压、透气性与耐洗刷性进行探讨，达到预期效果。

1 实验部分

1.1 原料

试剂：水性防水剂(DTM648-W-50)，广州佳伲思抗菌材料有限公司；亲水整理剂，常州美胜生物材料有限公司。纯棉织物(350g/m2)，丙酮，二甲苯和去离子水。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

分别用热水与丙酮预处理织物，脱除表面油脂杂质等。采用泡沫整理方法，将一定量疏水整理剂整理棉织物一侧。经干燥处理后，继续用丝网印刷方法，将亲水整理剂施加织物的另一侧，经干燥与焙烘处理后，再洗涤与干燥、备用。疏水剂与亲水剂体积比设定为1∶1，1∶2，1∶3和1∶4，焙烘温度为180℃和焙烘时间为6min。亲水剂原液载液率在6.25%～50%之间。亲水剂整理施工稀释5～10倍。疏水剂整理施工前，添加少量起泡剂十二烷基磺酸钠。

1.2.2 性能测试

(1)接触角

本实验采用的接触角测试仪是德国data physics公司出厂的型号为DCAT21接触角测试仪，采用的是50倍的放大倍数进行接触角的测试以及拍摄。

(2)耐水压

图1 耐水压测试装置示意图

本文设计了一个简易的耐水压测试装置，图1为其实验原理示意图。缓慢地向水压容器添加去离子水，记录第一滴水滴透过样品时的水柱高度，即为织物的耐水压。

(3)透气量

我国国家标准(GB-T5453-1997纺织品织物透气性的测定)规定为服用织物为100Pa(10mm水柱)、产业用织物为200Pa(20mm水柱)。本论文设计了如下织物透气性实验装置(见图2)。样品置于布氏漏斗中，样品与漏斗接触面用真空封泥密封，确保气体只从样品表面透过。样品面积等于布氏漏斗有效分离面积。

图2 透气量测试装置示意图

由于试验开始时，试验系统中含有空气，为不影响实验，10min后再从流量计中读出该样品下的流量计读数，根据布氏漏斗有效面积表面积与流量计读数计算透气量。

(4)耐洗刷性

织物在使用过程中，在不同场合会受到机械、物理、化学等作用，从而逐步降低其使用价值，甚至损坏。在这些影响中，磨损占主要地位，是织物损坏的主要原因[2]。另外，在使用过程中，经常会除污洗净等清洁过程。实验室中常用的评定织物耐磨性的方法有：(1)用织物被磨破或被磨断一定根数时，织物所经受的磨损次数来表示；(2)织物经受一定的磨损次数后，对织物的某些形状进行评定，测定这些形状的变化。本文用刷子对样品进行磨损，而后再经受反复揉搓，测定其性能是否有变化。

2 结果与讨论

2.1 接触角与疏水性

表1给出样品预处理条件、整理剂整理后焙烘时间及其所得样品亲疏水性能直观判断结果。由表1可知，当亲水剂与疏水剂的体积比为1∶1和4∶1，此时防水透气性为最佳。样品1与样品2相比，亲水剂：疏水剂体积比均为2∶1，而亲疏水性能不同，药剂用量越多防水透气性越佳。比例同为4∶1的样品3与样品5相比，会发现防水透气性能均不错，但是3号样品的用量太多则导致亲水性过强导致防水性下降；4号样品与6号相较，可发现在亲水剂与疏水剂体积比为1∶1的比例下防水透气性较佳，但是6号样品中的亲水剂的用量偏低，降低了其亲水性能。综上所述，最佳防水透气性的样品的亲水剂：疏水剂的体积比为4∶1和1∶1，并且亲水剂用量最佳范围为40～80mL/m2(即原液载液率12.5%～25%)。

表2给出了整理后棉样的水接触角数据(用θ表示，θL、θR和θAVE分别表示左侧、右侧和平均接触角)。通常，水接触角小于90°的表面是亲水性的，此时水润湿将会自发进行。水接触角大于90°的表面则为疏水的，水不能自发润湿而会在织物表面出现移动或滚动。由表2可知，改性后的织物接触角均大于90°，具有疏水性，通俗地讲，称为防水性好，并且4、5、6号样品水接触角高达135°以上，具有很强的疏水性。特别样品5，其平均接触角高达147.1°，已经极其接近超疏水结构的150°。亲水剂与疏水剂比例为4∶1时，疏水性反而更好。这可能是较大量的亲水剂压缩了疏水剂渗透空间，反而使疏水剂局部集中织物的表面区域。

表1 样品整理工艺参数与亲疏水性直观判断结果

表2 棉样疏水侧的水接触角θ

图3给出了所示为改性后织物角与原样(7号样品)水接触角，从图中可明显看出接触角的差异。图3左侧是5号样品，其接触角为147.1°。图右是7号原样接触角为87.4°。原样棉织物的接触角表明，一方面，样品在热水与丙酮处理时，可能尚有一些油剂等未完全清洗干净，另一方面，超厚织物中含有大量空隙结构。为另外，图4也给出样品4两侧宏观水接触角情况，样品4号两侧分别具有较强的疏水及亲水性。

图3 样品5和7号的接触角

图4 样品4号改性织物性能水接触角测试过程

2.2 耐水压

表3给出了各样品的耐水压测试结果，第一滴水滴透过时所测得的水柱高度，宏观显示出了改性后的织物耐水压的强弱程度。其中7号样品为未改性的原样，由于其水接触角偏大，织物含有微孔，因此仍显示出一定的耐水性。其他样品与之相较，耐水压均具有大幅度的提升，显示出优异的拒水整理效果。其中5号样品最佳，为原样的17.8倍。这都表明，防水剂封堵了棉纤维之间大孔尺寸的微孔，且在棉纤维的空腔毛细孔中形成疏水膜层，从而提高了织物的耐水压。

表3 耐水压测试结果

2.3 透气量

表4给出样品在试验条件下透气性。由表4易知，改性后的织物仍能具有较好的透气性。原样7号的透气量达到631.68L/(m2·s)，而样品1和2号透气性最差，样品3透气性最优。事实上，样品3号亲水剂用量大，应该透气性较低。这进一步说明，亲水与疏水作用是材料的表面特性，而非本体特性。由于棉织物是厚重型织物，载液率仍然非常低，内部仍有一些微孔通道存在，这又保证织物所需的透气性。5号样品透气量达到518.59L/(m2·s)，仍达到原样的92.1%。表5中则给出了湿样品的透气性，湿样品中的水分或者水汽确实降低织物的透气性。疏水性好的样品中水分和水汽停留量少，因此，湿样品的透气量没有明显下降。原样7号中水分的作用使其透气性下降明显。相比较而言，5号样品透气性达到原样的97.7%。由此可见，亲水剂与疏水剂的整理对于织物的透气性几乎没有影响，改性后的织物仍具有较好透气性。

表4 干样品透气量

测试条件：温度28.5℃相对湿度56%。

表5 湿样品透气量

测试条件：温度28.5℃相对湿度56%。

2.4 样品刷洗与揉搓后疏水性及其形貌

图5给出了2号样品经刷洗和揉搓后样品外观，从左至右分别为磨损前、磨损后和疏水性测试情况，具体测试结果见表6。由表6可知，样品1和2经受磨损后，性能下降明显。样品 3、4和5号经磨损后性能均未发生改变。样品6号的防水仅具有区域性是因为药剂用量较少、分布不均所导致的。总体而言，防水剂与亲水剂比例合适时，防水剂可以富集在织物表面区域，并形成了基于化学交联反应的疏水膜，其与织物的结合牢固。综上所述，样品3,4和5具有良好的耐洗刷和揉搓作用。

表6 样品磨损后外观及其性能变化

图5 样品经受磨损前后外观及其防水性

图6 样品5号亲水侧与疏水侧经刷洗和揉搓后的扫描电镜图

图6给出了样品5经刷洗和揉搓后扫描电镜图，其中，左图为5号样品亲水侧形貌，右图为疏水侧微观形貌(右图右上角是局部放大图)。实际上，亲水侧形貌改性前后并无改变，而疏水侧内部吸附有较大量防水整理剂。特别是在织物的表层形成分一层覆盖膜，这层透明超薄薄膜可能在织物洗刷时留下的(见放大部分)。实质上这是由于含氟疏水整理剂中的特氟龙微粒在剪切作用下成膜的结果。

3 结论

本文用泡沫整理和丝网印刷技术分别将疏水和亲水性整理剂整理到棉织物两侧，赋予棉织物鞋材面料防水透气性。得出以下结论：

(1)选用的含氟防水剂及聚丙烯酸酯亲水剂对于鞋材棉织物赋予其防水透气性是可行的。以亲水剂用量为80mL/m2(原液载液率25%)且亲水剂与疏水剂体积比为4∶1时，透气与防水综合性能最好。

(2)亲水剂用量为80mL/m2且亲水剂与疏水剂体积比为4∶1样品水接触角高达147.1°，接近于超疏水结构。该样品耐水压高达1780Pa，而原样的耐水压仅为100Pa，最佳比例下改性后的织物的耐水压是原样的17.8倍。在干试样的透气量为原样的92.1%，而湿样的则为97.7%。

(3)在经受刷子刷洗10次，揉搓20次的磨损后，织物的防水性与透气性未有明显下降。疏水剂在织物上发生了化学联结反应，使形成的疏水膜可以紧密覆盖于织物之上，同时具有很好的防水透气、排汗吸湿性。

参考文献：

[1] 田海洋. 聚偏氟乙烯/聚氨酯纤维膜的制备及其防水透湿性能研究[D].上海：东华大学，2015.

[2] 鲍丽华. 防水透湿层压织物的性能研究与开发[D]. 北京：北京服装学院，2009.

[3] 逄兰芹. 防水透气抗菌多功能复合面料的开发[J].山东纺织科技, 2016(3)：8-10.