防水透湿织物的研究现状及其在医用材料领域的应用

1、防水透湿织物的研究现状及其在医用材料领域的应用田涛杨荆泉段惠莉郝丽梅吴金辉(国家生物防护装备工程技术研究中心,天津,300161摘要:论述了各种防水透湿织物的防水透湿机理、性能特点、研究现状和发展趋势,并阐述了防水透湿织物在医用材料领域的应用现状与前景。关键词:防水透湿,微孔薄膜,亲水膜,医用材料中图分类号:TS195157文献标识码:A文章编号:1004-7093(200806-0001-050前言防水透湿织物(water p r oof and moisture per mea2 ble fabric也叫防水透气织物,在国外又称可呼吸织物(water p r oof,windp r oof

2、 and breathable fabric,简称WWB。研究表明,当靠近皮肤的衣服内“微气候区”的温度在(321,湿度在(5010%时人才感到舒适,此时人体处于最佳的生理状态1。人体出汗是热平衡调节中的有效散热手段,不同劳动条件下人体散热量和排汗量如表1所示2,其中人体散热量的80%是经过皮肤蒸发散热的。防水透湿织物制作服装能满足寒冷、雨雪、大风等恶劣天气中的穿着需要,且在较大劳动强度下排汗透湿、穿着舒适,也能在化学、有毒、传染环境中起到隔绝、过滤、透湿的作用13,尤其在2003年“非典”时期防水透湿防护服装发挥了重要作用,因而具有广阔的发展前景。1防水透湿织物的研究现状防水透湿织物可按其防

3、水透湿机理分类,具有不同防水透湿机理的三种防水透湿织物的研究现状叙述如下。收稿日期:2007-07-11作者简介:田涛,男,1979年生,研究实习员。主要从事防水透湿织物、生物防护装备的开发与研究工作。表1不同劳动条件下人体散热量和排汗量运动状态释放热量/kJm-2h-1不同温度条件下人体排汗量/gm-2(24h-101020坐209290320430爬406430520720水平步行5865806601010中劳动强度920101013301730重劳动强度1255193019902880 111高密度防水透湿织物高密度防水透湿织物利用孔隙自然扩散的机理设计而成。用精梳高支棉纱或其他超细合成

4、纤维长丝织成高密度织物,纱线间隙非常小,再经过防水处理,织物具有一定的防水性。这类织物的透气性主要取决于水蒸气从纱线间空隙的自然扩散,可表示为4:R=TB+0.71d1B-1B1/2(1式中:R气体扩散阻力;T织物厚度;B开孔率;d孔径。高密织物最典型的是文泰尔(Ventile织物5和超细纤维织物。文泰尔织物干燥时经纬纱线间的间隙约10m,变湿后棉纱膨胀使得纱线间的间隙减至34m,从而达到防水透湿的目的。随着超细纤维的飞速发展,各种超高密度织物不断涌1现。日本钟纺公司生产的Savina DP超高收缩高密织物2,30%聚酰胺和70%聚酯的超细纤维作纬纱,76dtex/72f的普通聚酯丝作经纱,纤

5、维间孔径可控制在7m,密度达68580根/(25.4mm2,透湿量50007000g/(m224h,耐静水压7kPa。德国Hoechst公司的Trevira Finasse防水透湿超细聚酯高密织物2,经纱长丝线密度小于1.4dtex,经密4800根/c m,纬纱长丝线密度小于0.7dtex,纬密2680根/c m,经氟化整理,成品的孔径为雨滴的三千分之一,透湿量达2万 4万g/(m224h,耐静水压约500Pa,人工淋喷5h后织物仍保持干燥。这类高密度织物的特点是透湿性、透气性良好,织物的柔软性和悬垂性也较好,但耐水压一般都很低,需通过进一步涂层或层压来提高,生产成本高,加工困难。112微孔膜

6、防水透湿织物微孔膜防水透湿织物利用微孔机理设计而成。水滴的直径通常在201万m,而水蒸气分子的大小为0.0004m,如表2所示。设计薄膜或涂层的微孔直径小于水滴而大于水蒸气,使外部的水由于表面张力不会渗入,而人体本身散发的汗气能够通过气体的扩散和对流自由地通过微孔,从而起到防水透湿的作用。其透湿过程实质上是一个扩散过程627:气体或蒸气在薄膜表面“溶解”,在一定梯度下薄膜内扩散,最后在浓度低的另一面蒸发8。透湿率的公式4可表示为:W vt=ABT+0.7d(1-B(2式中:Wvt透湿率;T涂层厚度;B开孔率;d孔径;A常数。表2水蒸气分子和水在不同形态下的直径(单位:m水蒸气分子轻雾雾毛毛雨小

7、雨中雨大雨暴雨0.000420200400900200030004000600010000利用微孔透湿机理已开发出了许多防水透湿织物,如聚四氟乙烯(PTFE层压织物、湿法聚氨酯涂层织物、干法聚氨酯涂层织物等。美国W.L.Gore公司的由聚四氟乙烯微孔膜与织物复合的Gore2Tex最为著名,其起主要透湿作用的是聚四氟乙烯微孔膜,聚四氟乙烯微孔膜的厚度约为0.20.7m,514mm2微孔膜约含有90亿个微孔,孔径为0.25m,约为水滴的两万分之一,比水蒸气分子大700倍9,开孔率大于82%,透湿量5000g/(m224h,耐静水压9.8kPa以上10。Gore2Tex织物是目前市场上最先进的防水透

8、湿织物之一。美国研究者开发出的一种聚偏氟乙烯(P VDF涂层材料,其涂层微孔平均直径仅为0.1m11。我国自行研制的聚四氟乙烯层压织物在某些性能上已超过Gore2Tex织物,涂层织物方面也取得了很大的进步。2001年,宁波登天氟材料公司研制成聚四氟乙烯微孔薄膜层压织物12。1999年聚偏氟乙烯微孔膜防水透湿织物研究项目在天津通过验收,2000年山东科亿达股份有限公司研制出湿法凝固工艺生产的微孔聚氨酯涂层织物11。微孔(膜结构材料的耐水压性、透湿性、防风性及保暖性都较好,但加工过程复杂,生产成本较高。113致密亲水膜防水透湿织物致密亲水膜防水透湿织物是一种无孔材料,利用高分子间“孔”和亲水基团透

9、湿机理设计而成。其原理是在大分子链上引入亲水性基团,通过链段上的亲水基团与水分子作用,借助氢键和其他分子间力,按“吸附扩散解吸”的方式将水汽分子由湿度高的一侧传递到湿度低的一侧13,从而达到透湿目的,如图1所示。其防水性来自于薄膜自身的连续性和较大的膜张力。透湿速率可表示为14:W vt=DS(P1-P2L(3式中:Wvt透湿率;P1-P2膜两侧水蒸气分压差;D扩散系数;S溶解度参数;L膜厚度。这类织物典型产品有英国Baxanden公司的W ilcoflex Staycool涂层织物、荷兰Akz o Nobel公司的Sy mpatex层压织物、美国宝立泰公司的Qualitex2图1亲水膜防水透

10、湿织物模型多功能防水透湿织物等13,1517。W ilcoflex Staycool 涂层织物透湿量为25001万g/(m224h,耐水压为1.5kPa。Sy mpatex是含20%50%聚环氧乙烷的聚对苯二甲酸丁二酯的熔融挤出共聚薄膜,属聚酯嵌段高聚物,其透湿量为2700g/(m224h,耐水压105kPa。因为聚氨酯具有物理性能优良和玻璃化温度低且易调节的优点,20世纪80年代开始采用聚氨酯材料或复合聚氨酯研制致密亲水性膜材料异常活跃。Qualitex致密亲水性薄膜是以聚氨酯为主的合成高分子材料,薄膜吸水后仍能保持良好的机械性能,从而解决了亲水性与薄膜牢度的矛盾18。美国Thoratec公

11、司1981年开发了一种名为B I O U II 的高性能无孔聚氨酯薄膜,能防止外部细菌及水的侵入,同时又具有良好的透湿性。美国BF Goo2 drich公司采用熔融挤出吹膜法制备了热塑性聚氨酯致密透气膜Estane系列,其透湿量可达9000114万g/(m224h。意大利Faitex为致密亲水型聚氨酯薄膜,薄膜的透湿量为2600 5800g/(m224h19。中国纺织科学研究院研究开发中心利用热熔挤出技术开发出的防水透湿聚氨酯(TP U薄膜系致密亲水薄膜,该薄膜的透湿量为3000 4000g/(m224h19。东华大学研制成聚氨酯微乳液无孔涂层剂,其涂层织物平均透湿量为2300g/(m224h

12、20。天津工业大学合成了无孔型聚氨酯防水透湿涂层剂,其涂层织物的透湿量约为1300g/(m224h21。致密亲水复合织物具有防水性好、对细菌污物阻隔性好的优点,但是透湿性相对较低,舒适性较差。此外,随着科学技术的发展,具有新一代功能的防水透湿织物的研究成为热点,并取得了一些可喜的成果。日本三菱重工业公司研制的智能防水透湿聚氨酯涂层织物Azekura22,透气性具有能随外界温湿度的改变而调节的特点,使织物在各种温度条件下具有良好的穿着舒适性。利用经聚乙二醇浸渍过的面料具有储热的功能,美国宝立泰公司推出了聚氨酯优泰克织物,该织物能随温湿度的不同自动调节透湿性,即受热时吸收热量,遇冷时放出热量,从而

13、获得了良好的挡风和保暖性能。宝立泰公司还研制出了世界上唯一的水溶性防水透湿涂层剂。日本东丽公司的Megacl on,日本旭化成的Vera V,具有吸收阳光的能量向人体辐射远红外线,使织物保暖性提高,促进人体微循环的功能;日本尤尼契卡公司的Per m ilan和Deodrant防水透湿织物具有除臭的功能12。2防水透湿织物在医用材料中的应用现代医疗卫生事业的进步对医用防护材料的发展起到了极大的促进作用。医用防护材料不但防护阻隔性能有严格的要求,而且对其舒适性、卫生及生物性能也提出了越来越高的要求。防水透湿织物因其鲜明特点在医用材料领域具有广阔的应用前景。2.1医用防护服医用防护服要求具有优良的污

14、染液体(被病毒、病菌污染的血液、体液等阻隔性能和微生物气溶胶阻隔性能,良好的耐消毒性能、物理机械性能和穿着舒适性能等,因此需要采用微孔防水透湿材料和致密亲水防水透湿材料。聚四氟乙烯微孔膜材料具有优异的耐化学腐蚀性,低表面能,阻燃,防水透湿性优异12。但由于病毒尺寸较小,如冠状病毒直径为0.080.2m,聚四氟乙烯膜孔径仍比病毒尺寸大,可能造成病毒渗透。同时,聚四氟乙烯膜由于其亲油性,在洗涤和使用中性能下降较大,也会影响其隔离性能。因此普通聚四氟乙烯微孔膜作为耐久医用防护服隔3 离层仍存在问题。为达到抗病毒渗透与透湿的有机统一,改进聚四氟乙烯微孔对称性,与封闭材料进行共同拉伸成膜,制得聚四氟乙烯

15、复合膜。采用了这种复合膜的防护服可以有效地抑制有毒液体和微生物气溶胶的进入,同时又能使人体产生的汗以水蒸气的形式散发出去,从而大大提高了人体的舒适度和持久作业能力。郝新敏等人采用聚四氟乙烯复合膜制得多功能“非典”防护服,具有耐久的隔离病毒、防血液渗透、防静电、防水、防油、抗菌、透湿等多项功能,综合防护性能达到并超过G B1908222003的要求23。霍瑞亭等采用先对基布进行阻燃整理,再经转移涂层将基布与阻燃、抗菌聚氨酯薄膜复合,最后再对复合织物进行拒水整理的工艺,制取了具有抗血渗、抗菌、阻燃、防水透湿等多种功能的新型医用防护服材料,其主要性能指标基本达到或超过国家标准24。2.2其他医用材料

16、防水透湿薄膜在手术巾、消毒器械包裹材料、伤口敷料等医用材料上也获得了广泛的应用。手术巾是一块中心开孔的无菌薄膜医用材料,将其粘贴在开刀部位皮肤,防止手术时血液和体液从皮肤周围倒流回伤口造成感染。用高透湿性能材料制成的手术巾,可避免粘贴区因聚集湿气而使膜与皮肤脱离。消毒包布是包裹手术刀、剪、钳等医疗器械在高温下进行消毒的材料,它既要有阻隔灰尘和微生物渗入消毒包内的防护性,又必须有足够的微孔让消毒剂渗透到消毒包内对器械进行消毒。有一种新型三明治式的消毒包裹材料,上下两层为耐热的聚酯和聚丙烯非织造布,中间层则为聚四氟乙烯微孔薄膜20。高透湿薄膜还用于静脉注射部位的敷料,可以减少伤口部位被细菌感染的危

17、险,由于体液得到挥发,长期贴着敷料的部位不会受到体液的浸渍,也就不会引起诸如外伤口、手术伤口及溃烂伤口的细菌繁殖导致感染。透湿性聚氨酯膜在敷料上的应用比较广泛。通过调节聚氨酯高分子中的亲水性和疏水性成分,可制得一种能使大量水汽和氧气透过,而阻止水分和细菌进入的半透膜材料。这种薄膜特别适用于作为一种复合敷料外层的保护膜,或者直接用于像表皮化伤口那样的低渗出伤口。它们有很强的透气性,透湿量为3000g/(m224h;它们柔软、舒适、结构透明,可使病人和医护人员方便地观察伤口的进展。因为聚氨酯有很好的弹性,在泡沫状态的结构中具有空洞而有很大的吸水性,可用作直接接触伤口的材料,或用来覆盖其他的敷料。当

18、与潮湿的伤口接触时,脓血等伤口渗出液被毛细孔作用吸收入泡沫之中,并由接触面向泡沫的内部和后背面转移,从而起到了把脓血从伤口表面去除的作用。当与比较干燥的伤口接触时,泡沫的结构可防止水分过分地从伤口上挥发,以保持一个潮湿的环境。由于聚氨酯薄膜质量轻、透气性好,还可以和其他高吸湿的材料结合制成复合敷料,起到保护膜的作用。3展望防水透湿织物已成为各国纺织品开发的一个主要项目。不同的生产工艺使其具有不同的特点,随着人民生活水平的提高,对织物多功能性的需求将不断提高,防水透湿织物具有很大的开发潜力。预计防水透湿织物性能提高与产品开发的研究将从三个方面展开25:第一,高分子材料的发展,使新型的互穿网络聚合

19、物、离子型聚合物、高度支化聚合物、枝状聚合物等材料广泛用于研究开发各种微孔防水透湿薄膜;第二,从物理形态方面提高防水透湿织物性能的研究,例如:开孔率更高、孔隙更均匀、厚度更薄的防水透湿薄膜,以及这些薄膜组成的复合薄膜;第三,研制各类功能防水透湿织物,例如:智能防水透湿织物,防水透湿阻燃、防生化和防毒等的复合织物,研制水性聚氨酯涂层、杀虫灭菌聚氨酯涂层等防水透湿织物。参考文献1刘雍,马敬安.防水透湿织物的研究现状及发展趋势J.中原工学院学报,2004,15(3:56260.2李朝晖,王春梅.防水透湿织物的种类和发展J.山4东纺织科技,2005(2:42244.3邵改芹.防水透湿织物研究新进展J.

20、产业用纺织品,2004,22(6:42245.4郝新敏.防水透湿织物原理及加工现状J.国际纺织品动态,1994(4:42245.5LOMAX G R.The design of water per meable fabricsJ.Journal of Coated Fabrics,1985,15(7:49296.6L I U L iying.Study on moisture per meati on thr ough wa2ter p r oof breathable gar ments during wearJ.Journal ofQ ingdao University,2002,17(1

21、:44247.7F I N NJ T,S AG AR A J G,MUKHOP ADHY AY S K.Effects of i m posing a te mperature gradient on moisturevapor transfer thr ough water resistant breathable fabricsJ.Textile Research Journal,2000,70(5:4602466.8李显波.防水透湿织物生产技术M.北京:化学工业出版社,2006:51253.9P A I N TER C J.W ater p r oof,breathable fabric

22、 la m inates:a pers pective fr om fil m t o market p laceJ.Journal ofCoated Fabrics,1996,26(10:1072130.10顾振亚.高性能防护织物J.中国个体防护装备,1999(1:24229.11CHABOT S,ROY C,CHOWDHURY G.Devel opmentof poly(vinylidene fluorideholl ow2fiber membranes forthe treat m ent of water/organic vapor m ixturesJ.Jour2nal of App

23、 lied Poly mer Science,1997,65(7:1263.12张建春,黄机质,郝新敏.织物防水透湿原理与层压织物生产技术M.北京:中国纺织出版社,2003.13DR I N K MANN M.Structure and p r ocessing of SY MP A2TEX la m inatesJ.Journal of Coated Fabrics,1992,21(1:1992211.14NE OGI P.D iffusi on in poly mersM.New York:Mar2cel Dekker,1996.15KR I SHNAN K.Ne w app licati

24、 ons for breathable hydr o2philic and non2hydr ophilic coatingsJ.Journal of Coa2ted Fabrics,1995,25(10:1032115.16WARD D.Gr o wing gl obal interest in water p r oof me m2branesJ.Textile Month,1998(3:14217.17LOMAX L G.Hydr ophilic coatingsJ.Journal of Coa2ted Fabrics,1990,20(10:882107.18权衡.防水透湿织物及其加工技术J.印染,2004(4:43247.19夏饮冰,常金凤.热塑性聚氨酯透气膜的生产、特点和应用J.聚酯工业,2001,14(1:15217.20王文妙,倪汉鑫.防水透湿薄膜的应用开发J.产业用纺织品,2003(10:124.21王炜,华载文.微乳型聚氨酯防水透湿涂层剂的研制J.纺织学报,2000,21(6:3842387.22张建春.高新技术在纺织工业