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防水透气织物的若干探讨-给LUCY的作业

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发表于 2006-5-26 19:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
——给LUCY的作业

前言

       收到LUCY的文件已经好几个月了。这期间也曾尝试从防水透气材质本身的原理以及工艺的角度写一些东西,但到最后,发现很难下笔。回想原因,一是因为自己作为非专业人员的接触面和知识储备十分有限,硬要从这个角度去写的话不可避免大量的复制现成知识;二是在我个人的角度,总觉得单纯进行这方面的研究似乎会陷入“屠龙之技”的尴尬。
一拖就是好久,弄的LUCY正式回信不理我了。每上8264,实在是手脚冰凉虚汗滚滚,只能硬起头皮交这样一篇东西凑数,否则不好混了。

       首先要澄清的,是角度的问题。在我心里,装备爱好者始终有3个角度是可以选择的:
        1是发烧友的角度:这个角度不必钻牛角尖,最大的乐趣在于亲身验证成品装备的优缺点,享受拥有一流产品的乐趣。简单的讲,发烧友的乐趣单纯的来自于装备本身。
        2是生产技术人员或研发人员的角度:这个角度可能需要十分深入的钻到各个细节中去。不论那类产品,这样的人都是既要有点的深度又要有面的广度。非但要具备关于材质及工艺的正确知识、了解尽可能多的材质、工艺特性,还要能够把握各种材质与工艺结合成成品后的实用效果。如果他够好,他还要关注用户的需求和熟悉环境的要求。这实在是一件难事,而他们也才有资格被称为“专家”。爱水电老兄所展现的令我叹服的T字型(深度与广度兼备)知识结构,令我在心中将他视为专家一级。
       3是中间人的角度:中间人类似于灰骑士、风间忍、飞鹰老兄和半袋饼干那样的人。对于市场上的装备,他们首先关注的是能够用在什么地方,而不一定是这个东西的科技含量有多么高,材质本身有多么优秀。当然,这就需要将广泛的专业知识面和丰富的应用经验相结合,这样的人是消费者与生产商的中间人,一方面他帮助消费者选择,一方面他帮助生产商改进。
       我的角度是是什么,在这篇文里可能不太清晰。实际上我现在还不知道自己要说什么,大家不妨看看再说。

        其次要澄清的是内容的问题。在这篇文章里,我尽力确保数据的正确性。至于结论性的文字,我并不能保证那一定是对的,希望大家能够提出更多的观点才好。基于知识面和环境的问题,文中可能很难有所谓的权威结论。引用的一些学术论文我会一一标明。由于主题是防水透气性能,因此本文的评价可能忽略了耐水洗性、加工难易度方面的问题,在实际产品的生产和运用中,不能因为本文的比较而以偏盖全,忽略了其他的实用要素。最后,文中所有的“透气”均指“透湿”,为了方便打字:)

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2007-11-8 09:38 编辑 ]
 楼主| 发表于 2006-5-26 19:29 | 显示全部楼层

正文

定义:

  防水透气功能,几乎已经成为户外运动爱好者最为关注的一项功能。而关于这个功能的指标及实用评价,往往也成为选购产品的一项重要依据。究竟怎样理解“防水透气”这个词组呢?
  防水透气,妙就妙在将矛盾放在一起去追求。对矛盾的追求注定就是没有100分的,但谁也不能肯定我们不能做到99.999,这就是它的意义所在。从理论角度来定义的话,防水至少能够胜任一般的雨天(2000MM水柱,中雨),而透气至少符合日常活动要求(2500G/平米/24小时,典型办公室活动的蒸发速率)的面料可以被称为防水透气。
 上述定义参考《印染》2004年4月号《防水透湿织物及其加工技术》,作者:权衡


防水透气织物的发展与类型(依据防水透气原理分类):

  高密度(及超高密度)织物类:高密度织物是防水透气面料的最早出现形式。最早应用于市场的防水透湿织物是出现在20世纪40年代,由英国雪莱(SHIRLEY)研究所研制的文泰尔(VENTILE)全棉布。这是一种采用100%埃及长绒棉以高密度制成的织物。在干态时汗气通过亲水纤维经由纱线空隙排出,而在湿态时棉纤维吸水引起纱线膨胀,使空隙缩小3倍,从而实现短时防水。VENTILE的性能根据目前的要求而言是比较差的,并且在湿水后变得较硬且重。但它对防水透气这一矛盾首次进行调和并取得了能在实用中发挥效果的成果,同时也奠定紧密型织物这一大类防水透气织物的基础。在这一类织物的发展上,混纺、新型化纤、拨水涂层、硅处理和胶囊处理的应用都带了更为优质的产品。但本质上,他们都是通过对纤维或纱线间空隙的控制来实现防水与透气。目前,高密度织物型防水透气面料最好的整理工艺是Nextec Applications公司的EPIC。这种整理工艺通过用聚合物将每条纤维独立包裹成胶囊并进行高密纺织来实现防水,而透气则依然通过细微的空隙实现。Nextec的这种工艺还可应用在其他织物上使其实现持久防水的效果。
  从发展角度来看,高密度织物不需进行涂层或覆膜,伴随新型纤维的出现和整理技术的进步,其前景依然可观。

EPIC 截面



100%棉的VENTILE面料尽管有诸多缺点,但它干时的舒适性较佳、没有静电同时兼有一定防水能力的特点至今依然适合用于休闲服、飞行服等服装的制造,并且价格高昂。这套VENTILE休闲猎装零售价高达1395美圆。
 楼主| 发表于 2006-5-26 19:32 | 显示全部楼层
微孔膜类:撇开制备薄膜的工艺不谈,PU(PU可分为亲水PU和非亲水PU,这里讲的是后者,前者后面会讲到)、TPU及E-PTFE都是通过控制覆合在面料上的薄膜的微孔来实现防水透气的。其主要原理,是将微孔直径控制在比水分子大、比水分子团小的范围内(0.0004微米---20微米),允许分子态的水通过,而阻止各种水分子团通过。就膜本身而言,与防水透气性能相关的要点是开孔率、开孔大小、薄膜厚度及孔的直接通过能力(即孔是直的还是弯的,这一点在实验中影响微小)。GORE-TEX薄膜在防水透气能力方面的优秀性,主要在于高开孔率、合理的开孔大小和厚度。在直接通过能力方面,由于GORE-TEX薄膜内部的蛛网结构,造成水分子不能轻松通过,但这也同时实现了防风的功能。

        目前应用在户外服装上的微孔类防水透气产品,薄膜原材料常见的是PU(聚氨酯,例如TNF HYVENT、MARMOT PRECIP等。)与PTFE(聚四氟乙稀,EVENT、GORE-TEX、DENTIK等)两个类型。早期的PU产品由于加工水平的问题,造成耐久性及低温透气性不佳的缺点,而在今天,这些问题已经得到较大的改观。2004年日本东丽所制备的ENTRANT  PU类薄膜即可实现10000毫米防水,透气4000-6000克/平米/24小时的性能,并且在各种现实温度下工作平稳。但就性能高度来讲,以PTFE作为原料的第二代GORE-TEX薄膜(这实际上是微孔亲水膜)目前已能够轻松达到20000毫米防水,透气16000克/平米/24小时,优势依然明显。这里我要表达的是,不能单纯的讲PU更好或PTFE更好,各个不同厂商的工艺水平在这中间起到重要作用。例如以PTFE为原料的DENTIK薄膜,防水能力差于以PU为原料的东丽ENTRANT,透气则差不多。另外,在内层材料及外层材料的处理上,还有很多因素影响到成品服装的防水透气能力,这点以后再讲。

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2006-5-26 19:44 编辑 ]
 楼主| 发表于 2006-5-26 19:33 | 显示全部楼层
致密亲水膜类:这一类薄膜的原理在理解上相对困难,简单的讲,这一类薄膜是以高分子聚合物(例如聚环氧乙烷或PU等)为基材,在其中导入亲水性分子,通过分子的亲水运动将水分由高浓度一侧导向低浓度一侧(亲水性分子在高浓度一侧吸附,在低浓度一侧扩散并解吸)。这一类薄膜防水性能好,且由于不存在堵塞透气孔的问题而较好养护,但其缺点是透湿速率不高(2004年SYMPATEX公布数据为2700克/平米/24小时)。但就象我们先头讲过的那样,不能单纯以薄膜本身的防水透气性能作为成品判断的指标。SYMPATEX由于不需在内侧覆盖聚氨酯涂层,因而能够比较好的在成品中利用薄膜的透气能力。在成品方面,SYMPATEX较GORE-TEX差距明显,但对比多数非亲水微孔PU类成品并不逊色。



        微孔致密亲水膜类:将微孔与亲水材料结合使用,是当今防水透气材质的一个方向。但复合使用的主要目的却不相同。目前服役的GORE-TEX2代产品就是在微孔E-PTFE膜内增涂亲水PU,实现高度的防水透气同时延长防水透气寿命的目的。东丽ENTRANT G2同样也是由微孔与亲水材料复合而成,达到防水约10000毫米,透气8000克/平米/24小时的高水平。

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2006-5-26 21:58 编辑 ]
 楼主| 发表于 2006-5-26 19:35 | 显示全部楼层
GORE-TEX的改进:

        作为最为热门的防水透气产品,我们也顺带谈一谈GORE-TEX的改进。1976年,第一代GORE-TEX即已经诞生。当时,是单纯的将薄膜层压在织物上。1985年在军方招标中,GORE-TEX作为唯一符合军方防水透气标准的材料被选中,这也表明PTFE的工艺在当时的先进性。
        随后,日本人腾井富美子研究发现,GORE-TEX产品在使用中存在问题,即使用时间一长,防水透气能力就下降。原因是人体的盐分、油脂和洗涤剂等物质残留在微孔中,一方面堵塞透气孔道,造成透气性下降,一方面使薄膜亲水性增加,引起毛细现象,造成防水能力减弱。鉴于这个缺陷,GORE与日本润工社合作,在GORE-TEX内层增加一层亲水性聚氨酯(PU)涂层,一方面阻隔这些有害物质,一方面保持其透气性能。这是第二代,也就是目前的GORE-TEX。
        当然,GORE-TEX的进一步开发与完善还在不断进行中,相信会有更好的产品面市。



影响导湿膜防水透气能力发挥的因素观察:

        通过在网络上的数据收集和对成品标签的观察,我发现两个普遍的现象:
        1、MARMOT PRECIP、TNF HYVENT这两种口碑甚好的PU类薄膜标称透湿率不到900克/平米/24小时,仅为GORE-TEX的十几分之一。也有可能这个标称透湿率是指的成衣而不是薄膜,这里盼望有条件能够进行实验测试
        2、在制成成衣后,成衣透湿率仅为薄膜本身的几分之一甚至十分之一左右,远达不到剧烈运动的排汗需求(参看表1、表2)。并且,多数不同类型、品牌薄膜的标称透湿率有明显差距,而制成成品后差距变小甚至结果相反。(《印染译丛》2004第六期《防水透气织物》)
        通过这个观察,我们需要了解的是,成品的辅材选择及其他工艺对于防水透气膜,尤其是微孔膜的性能发挥影响很大。通常,在内层采取亲水处理(使水尽量分散,便于蒸发及被亲水基团吸附),而外层进行拨水处理(防止外部水结成水膜阻碍透气)可以更好的发挥吸附——排出——阻止进入的过程。但我们不能否认的是每多一层材料(尤其是外层面料),就会不同程度的减少有效透气孔率(这一点在致密亲水膜上影响应不显著),从而影响性能。胶合、致密的面料和拨水处理都是其中的因素。   

表1
人体活动状态        蒸发速率(克/24小时)
睡眠                              2280
坐                              3800
行走                              7600
疾走                              11500
轻负荷疾走                              15200
重符合疾走                              19000
超重负荷疾走        22800-38400
超重强度劳作        38000-45600

表2
材质                  透气速率(克/平米/24小时)
GORE-TEX                  16000
DENTIK                  8000
ENTRANT G2                  8000
 楼主| 发表于 2006-5-26 19:36 | 显示全部楼层
导湿膜的方向性问题:

        关于导湿膜的方向性问题,有一个确凿的结论,就是上述的产品都是不分方向的。不论是压力差导湿(对水蒸气,微孔膜类面料显著利用)也好,浓度差导湿(对水分子,致密亲水膜类显著利用),布朗运动也好(对水分子,希望能够有更权威的解释),它们都不分方向。
        解决这个问题的方法,是结合应用环境及人体动态变化的特点,采取不同的复合材料和整理工艺。目前惯常的手法,是内层吸湿,薄膜(或涂层)导湿,外层拒湿。但这一点,如前所述会多少影响到薄膜透气能力的发挥。如果有方法在薄膜内面构建不阻碍有效孔率的亲水层,而中层薄膜具备亲水及微孔双重特性,外层面料可以以低密度实现高强度,拨水涂层不阻塞面料纤维空隙,则透湿能力可以改善。或者,高密度纺织品通过选择新材料和改善纺织工艺令本身实现高度拒水同时拥有符合要求的孔率与孔径,则在内层加入亲水材质可以实现有方向性的高度透湿。



防水透气面料的改进空间:

        就微孔膜材而言,本身的办法是在维持强度的同时适当增大孔径、增多开孔、减少厚度。从这个角度来讲,空间应该还是有的。
        致密亲水膜则可以添加更多的亲水基团并结合更为强力耐久的表层拨水整理。与微孔膜原料结合,制造兼备两者特点的产品也是一个可能的趋势。
        高密度织物方面,则要期待新型纤维或纤维处理技术的出现。
        就总体来讲,在内、外层辅材及整理技术上下文章,争取发挥目前薄膜产品的最大功效,也许是最为便捷的路径。

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2006-5-26 22:05 编辑 ]
发表于 2006-5-26 20:02 | 显示全部楼层
这篇文章写的比较专业了,阿宝丁辛苦了,防水透气材料的差别一般消费者是不容易比较的,只能靠品牌的宣传来比较,据说国产的也出这种材料了,不知道性能与国外品牌有多大差距?
 楼主| 发表于 2006-5-26 20:08 | 显示全部楼层
原帖由 看见野玫瑰 于 2006-5-26 20:02 发表
防水透气材料的差别一般消费者是不容易比较的,只能靠品牌的宣传来比较,

同意.
国产的DENTIK早就有了,性能标称就比GORE-TEX差一倍.
主要还是工艺问题
发表于 2006-5-26 20:42 | 显示全部楼层
介绍的比较全面。
对于复合织物来江,层压的过程比较关键。
发表于 2006-5-26 20:47 | 显示全部楼层
阿宝丁兄辛苦了,感谢您提供这么详细的好文章!谢谢!
另外,请问能否就GoreTex、GoreTex XCR还有eVent做一些更为相信的分析比较?谢谢!
发表于 2006-5-26 20:47 | 显示全部楼层
还有产品稳定性
没谱
 楼主| 发表于 2006-5-26 21:10 | 显示全部楼层
原帖由 hudixisu 于 2006-5-26 20:47 发表
阿宝丁兄辛苦了,感谢您提供这么详细的好文章!谢谢!
另外,请问能否就GoreTex、GoreTex XCR还有eVent做一些更为相信的分析比较?谢谢!


老实讲这超出我目前所能及的范围了,慢慢来吧:)

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2006-5-26 21:15 编辑 ]
发表于 2006-5-26 21:15 | 显示全部楼层
防水透面料的改进空间:

        就微孔膜材而言,本身的办法是在维持强度的同时适当增大孔径、增多开孔、减少厚度。从这个角度来讲,空间应该还是有的。

-------
按我从相关资料得到的信息来讲,
孔隙率,厚度,孔径对透湿量的影响很小,
不知道是否是过了某个阀值后,
关键已经不在这里了。
反而是复合的那层亲水膜的厚度影响比较大。
 楼主| 发表于 2006-5-26 21:19 | 显示全部楼层
是EVENT的资料这样说的吗?
也有可能啊.这样的问题,还是应该实验.
看能不能创造些条件吧
乌鸦兄能不能把你的资料摘录一下?

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2006-5-26 21:24 编辑 ]
 楼主| 发表于 2006-5-26 21:25 | 显示全部楼层
原帖由 砾岩 于 2006-5-26 20:47 发表
还有产品稳定性
没谱

确实用户很难实证
发表于 2006-5-26 21:35 | 显示全部楼层
罗瑞林著 中国纺织出版社 织物涂层技术  P296,
实验6种不同结构参数的PTFE 膜,
得出以上结论。
 楼主| 发表于 2006-5-26 21:42 | 显示全部楼层
原帖由 快乐乌鸦 于 2006-5-26 21:35 发表
罗瑞林著 中国纺织出版社 织物涂层技术  P296,
实验6种不同结构参数的PTFE 膜,
得出以上结论。

好.设法找来看看.
不知实验方法有否提到?

[ 本帖最后由 阿宝丁 于 2006-5-26 21:52 编辑 ]
发表于 2006-5-26 22:09 | 显示全部楼层
原帖由 阿宝丁 于 2006-5-26 21:42 发表

好.设法找来看看.
不知实验方法有否提到?


没有写出具体操作和流程,
只是简单提到使用干燥剂,
定时秤重量差。
 楼主| 发表于 2006-5-26 22:13 | 显示全部楼层
哦.谢谢鸦
发表于 2006-5-26 22:38 | 显示全部楼层
不过书中的附录里详细介绍了用透湿杯法测量透湿量的方法。
你可以参考一下。
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