14二等奖“萌芽杯”论文梁元喆

北京化工大学第八届“萌芽杯”参赛作品—A类PAGE1-北京化工大学第八届“萌芽杯”参赛作品—A类作品名称：防水透湿材料的研究类别（综述类/实验类）：综述指导教师：张立群负责人：梁元喆联系方式：186355889862012年6月团队成员及指导老师介绍指导老师介绍：姓名张立群所属学院高分子材料学院职称长江学者研究方向橡胶团队成员介绍：姓名梁元喆所属学院理学院专业教改实验班级实验1101班姓名李致远所属学院理学院专业教改实验班级实验1101班目录第1章引言 3第1.1节课题简介 3第1.2节防水透湿织物的透湿机理 3第1.3节立项依据 4第1.4节创新点 4第2章正文 4第2.1节课题研究进程 4第2.2节聚氨酯膜防水透湿机理 5第2.3节加工方法 5第2.4节现状及展望 6第三章结语 8参考文献 8论文题目：防水透湿材料的研究梁元喆，李致远摘要：本文叙述了聚氨酯防水透湿织物的防水透湿机理、加工方法以及目前的发展动态。提出其智能化、多功能化及绿色环保是今后研究的重点。关键词：聚氨酯，防水透湿第一章．引言第1.1节课题简介新型纺织品向人们提供各种优异的服用功能，防水透气织物就是其中的一种。防水透气织物也叫防水透湿织物，国外又称“可呼吸织物”[1]。防水透湿织物是集防水、透湿、防风和保暖性于一体的功能织物，要求织物在一定的水压下不被水润湿，但人体散发的汗液蒸汽却能通过织物扩散或传递到外界，不在体表和织物之间积聚冷凝[2]。从而避免汗液积聚冷凝在体表与织物之间，主观感觉不到发闷的现象，保持服装的舒适性,是一种高档次、独具特色的功能性织物。防水透湿服装能防止雨雪的渗透,又能让人体散热的汗液以蒸汽的形式通过面料排出以使人感到干爽、舒适。美国、西欧、日本等经济、军事发达国家把防水透湿织物列为面向21世纪的高科技产品并已投入大量物力、财力竞相开发研究,并陆续应用到军需装备、恶劣条件下防护服装、运动服、休闲服等方面。国内防水透湿织物的研究比较晚,远没有跟上国际水平。因此科技工作者应积极开展科学研究。第1.2节防水透湿织物的透湿机理：1.2.1微孔质扩散：即利用高聚物微孔直径很小,只有0.5~20μm,允许直径0.0004μm水气分子通透而不允许直径为100~300μm水滴通过,起防水透湿作用。主要影响因素是微孔孔径、单位面积孔数、厚度和通道的曲折系数。1.2.2亲水性基团“吸附-扩散-解吸”传递水蒸气分子：高聚物膜亲水成分提供了足够的化学基团作为水蒸气分子的介质,在高湿度一侧吸附水分子,通过高分子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸,形成“吸附-扩散-解吸”过程达到透气的目的。其主要影响因素为膜内外间湿度梯度、温度。第1.3节立项依据聚氨酯具有物理机械性能、耐寒性、温度适应性、耐磨性、柔韧性、形状记忆功能及性能上的可调节性；但其涂膜耐水性差，自增稠性、固含量、光泽性不够理想，防水透湿性能有待于进一步提高。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的化学稳定性、耐高低温性、摩擦系数低、拒水性、难燃性、防水透湿性及成孔加工性等特点.，但价格高，成膜后没有弹性，PTFE微孔透湿具有亲油性和憎水性，其微孔在使用过程中容易发生微孔堵塞致使透湿性能变差或微孔会因拉伸而不断扩大,从而使液态水易于渗透。将PU、PTFE在溶液中复合在一起，制成以PU为连续相、PTFE为分散相的涂层材料，将是两种材料的性能互补，微孔与亲水基团结合以提高涂层的透湿性能，得到耐水、耐溶剂性、柔软的新型防水透湿复合材料，达到服用要求，其力学性能、粘着性、耐磨性也得到了提高。PU合成革真皮感强,具有和基材粘结力强、抗磨损、耐挠曲、抗老化等优异性能,且加工简便、价格低廉。早期的PU涂层织物防水效果一般都较好,但透湿能力较差,人体穿着这类服装在剧烈运动时,大量汗液无法以蒸汽的形式排出,在衣服内部形成冷凝水滴,使人感觉粘湿而不舒适。防水透湿聚氨酯的研究因此成为聚氨酯研究领域的热点课题。第1.4节创新点：1.4.1采用水性聚氨酯，对环境污染小，节约能源，操作加工方便。1.4.2PU、PTFE在溶液中复合，目前文献中，复合膜的一般制造方法是先制造多孔支撑膜（PTFE）,然后再设法在其表面形成一层非常薄的致密皮层（PU），PU与PTFE没有达到微观结构上的复合，且都是以PTFE为基材，价格昂贵。1.4.3制得的涂层既具有亲水性基团，又具有微孔结构，提高衣物的防水透湿性能。第二章．正文第2.1节课题研究进程目前，防水透湿织物产品主要分为三类：紧密织物，多以涤纶超细纤维作为经纬纱进行织造，后经超高收缩整理和防水处理而成，最早的防水透湿织物文泰尔(Ventile)织物就是利用纯棉细号纱织成的平纹织物，它的出现标志着防水透湿织物正式走向市场[3]；微孔薄膜层压和涂层织物，即在织物表面形成含有微孔结构的薄膜；亲水膜层压和涂层织物，即在织物表面形成含有致密结构的亲水薄膜[4]。1962年Bayer在实验室发明了聚氨酯，20世纪60年代后期到70年代开始了聚氨酯微孔涂层织物和亲水性聚氨酯薄膜层压织物的研制工作。20世纪80年代中后期开始，聚氨酯材料或不同类型复合材料的研究日益活跃，新工艺，新产品不断面世。典型产品如AKZO公司研制的Sympatex层压织物。Sympatexbo薄膜属聚酯嵌段高聚物制成的没有微孔的实心体，液体完全不能透过薄膜而且透湿途径也不会被堵塞[5]。现已研制的聚氨酯防水透湿膜主要有聚氨酯亲水膜和微孔膜两种第2.2节聚氨酯膜防水透湿机理2.2.1聚氨酯亲水膜透湿机理由于聚氨酯链软段中存在亲水性基团等极性基团，聚氨酯亲水膜的透湿性能随膜内外间湿度梯度的增加而增加，透湿性能随湿度而变化，同时聚氨酯链硬段疏水，它能阻止水滴通过，起到防水作用。水气分子在高聚物中的渗透过程包括“吸附-扩散-解吸”，由于聚氨酯膜中极性分子的存在，水气分子吸附于高湿度侧膜表面，极性基团、水气分子之间的氢键缔合使得水气分子向湿度低的方向发生扩散，从而使水气分子到达湿度一侧，然后解吸到外在环境，从而完成扩散作用。由于湿度梯度的增加水气分子在膜中扩散，解吸过程加强，从而增加膜的渗透性。当温度升高时，分子运动加剧，软链段中结晶的熔融，极性基团参与水分子之间的氢键作用加强，有利于水气分子的渗透[6]。2.2.2聚氨酯微孔膜透湿机理聚氨酯微孔膜是一种极性高分子材料，透湿原理除依靠微孔外，具有亲水性的分子链段还可以传递水分子。目前，聚氨酯微孔膜主要使用湿法成膜的方法，即利用溶剂二甲基甲酰胺(DMF)易溶于水，而聚氨酯不溶于水，凝固时，DMF被水置换出来，聚氨酯大分子聚集，进而在膜中形成微孔，从而利用微孔达到防水透湿的目的[7]。聚氨酯微孔膜干法成膜是将聚氨酯的有机溶剂（如甲苯或丁酮）加入水中制备W/O乳液，然后在织物上涂层，在不同温度下蒸发，水在涂层中的比例不断提高，当其达到一个临界值时，聚氨酯则以多孔形式析出，并形成大量微孔。此方法加工的防水透湿织物透气性约4000g/m2×24h，防水性可达2.45×105Pa(2500mmH2O)。该工艺简单，但环境污染严重，应用较少[8]。第2.3节加工方法2.3.1涂层织物涂层整理是在织物表面上均匀地涂上一层高分子薄膜，赋予织物以各种功能，扩大织物用途。与其他涂层材料相比，聚氨酯涂层的抗张强度高，伸长率大，弹性好，耐磨，耐热，耐低温和耐老化性能均较好，属高品质的涂层材料[9]。聚氨酯涂层织物的加工方法主要有干法和湿法。干法涂层可分为直接涂层和转移涂层，尤以转移涂层为主。直接涂层是将涂层剂直接涂覆在织物表面，主要用来做薄型的防水衣料。转移涂层是将配制好的溶液型聚氨酯浆料涂在离型纸上，经干燥使其成膜，然后再使用粘合剂，经挤压、干燥使基布和薄膜紧密地结合在一起，最后将离型纸剥离，可形成带有花纹的涂层织物。湿法涂层方法主要有三种：直接涂覆法，即先将配制好的聚氨酯浆液涂覆在基布上，后经湿法凝固形成多孔皮质膜；其次是薄膜法，即将聚氨酯浆液涂覆在聚氨酯薄膜上，湿法成膜形成多孔质层，然后贴合在底布上；第三种是浸渍法，即将基布浸渍于聚氨酯浆液中，然后将多余的浆液刮去，再经湿法凝固形成多孔质皮膜。2.3.2层压层压织物是将具有防水透湿功能的微孔膜或亲水性无孔膜或上述两种薄膜的复合膜，采用特殊的粘合剂与织物通过层压工艺复合在一起形成防水透湿层压织物。目前常用的层压工艺主要有焰熔法、压延法、热熔法、粘合剂法。聚氨酯加工主要用焰熔法和粘合剂法。2.3.3焰熔法聚氨酯泡沫体薄片在高温火焰中掠过，表面会发生熔融、发粘，此时薄片迅速与织物叠合、加压，即可制成焰熔法复合织物。此方法生产的聚氨酯层压织物工艺一般经过聚氨酯泡沫体制造、刨片和焰熔层压三步。焰熔法生产的织物具有丰满、挺括、保暖的优点，曾经风靡一时，但由于其生产过程中释放的废气、烟雾中含有毒性成分，所以被限制使用。2.3.4压延法压延法是生产聚氯乙烯(PVC)人造革的主要生产工艺，即将塑炼后的物料通过四辊压延机，在强大压力下，压延成薄膜，再与基布贴合的生产工艺。由压延法制备而成的层压织物价格便宜，且用途广泛。2.3.5热熔法高分子薄膜与基布的层压采取中间涂布粘合剂的工艺，若薄膜本身是热塑性的，兼有热熔粘合能力，则可以省去涂布粘合剂工序。热熔法可分为轧制法和挤出法。轧制法将树脂热熔轧制成膜，趁热将其直接与基布贴合；挤出法将热熔体通过挤压机、槽口模挤出后于基布复合。轧制法较挤出法涂布量较大，涂层膜是提供功能的主体，产品厚而强韧，而挤出法所生产的产品较柔软。2.3.6粘合剂法粘合剂法是层压工艺的基本方法，此种方法使用最早，也最方便。采用粘合剂法生产聚氨酯薄膜属于湿法加工，将液态的粘合剂通过涂覆、喷洒等方法实现织物与薄膜之间的层压。第2.4节现状及展望目前，防水透湿织物的研究重点向智能化、多功能化、绿色环保等方向发展。我们的研究工作主要从以下三个方面展开：一是随着高分子材料的发展，研究采用新型的互穿网络结构聚合物、离子型聚合物、高度支化聚合物、枝状聚合物等材料研制各种类型含有化学微孔的防水透湿膜。二是随着加工设备的不断更新，从物理形态方面研究提高防水透湿织物的性能，比如开孔率更高、孔隙更均匀、厚度更薄的防水透湿薄膜，以及这些薄膜复合组成的各种功能的双组分、多组分薄膜；各种不同结构、细度、性能的纱线织成的不同组织、表面形态的高密防水透湿织物。三是结合防水透湿织物的特性，研制各类特种防水透湿织物[7]。2.4.1智能化在众多的智能纺织品中，智能型防水透湿织物是当前研究的热点之一。由于聚氨酯的特殊结构赋予了涂层织物独特的柔韧性、耐磨性、低温性、润湿性、粘结性、光泽性以及高内聚力合固化速度等，使其在防水透湿织物加工中获得了广泛的应用。通过对其分子结构的调整和设计，可获得性能各异的产品（如形状记忆聚氨酯以及同时调温功能的形状记忆聚氨酯等）。张晓红采用溶液聚合的方法制备了智能型聚氨酯防水透湿整理剂。研究结果表明，影响聚氨酯涂层织物透湿及防水性能的主要因素为：软缎的结构组成，软缎的分子量，硬软段在聚氨酯分子链中的百分含量。其中随着聚氨酯分子链段中亲水性强的软段组分(PEG,PTMEG)分子量增大和含量提高，经整理织物的透湿量增大，但其防水性能有所下降；相反，随着硬段在聚氨酯分子链中的百分含量增大，织物的透湿量减小，而耐水压增大。另外，经智能型聚氨酯防水透湿整理剂整理的织物，随环境温度的升高，其透湿量增加，而且在聚氨酯材料软段链段的玻璃化转变温度区域内突变，整个曲线呈S形。这种智能型的防水透湿行为实质是软段相中柔性分子链的运动，其对温度的依赖性取决于软段相的玻璃化转变温度。2.4.2多功能化王慧玲等人将羊毛角蛋白溶液和抗紫外线纳米粉体加入水性聚氨酯中，对其进行改性，得到了具有更好防水、透湿和防紫外线的多功能涂层织物。羊毛角蛋白溶液的加入为聚氨酯膜中加入了亲水基团，可以通过亲水基团向外传递水分子，角蛋白溶液与纳米粉体的共同作用又使聚氨酯膜表面形成了均匀分布的微孔，进一步增强了涂层织物的透湿性。随着抗紫外线纳米粉体的引入，涂层织物的抗紫外线性能明显提高。徐旭凡在普通聚氨酯中添加壳聚糖不仅使聚氨酯涂层织物拥有更好的防水透湿性能，防止结露，而且赋予了其抗菌性能。随着壳聚糖含量的提高，壳聚糖本身所含的亲水基团—OH、—NH2增加，其吸湿性增强；另外，壳聚糖本身的超微孔结构，使其透湿性能增加，而接触角逐渐减小，因此，聚氨酯织物透湿量逐渐增大，防水能力逐渐降低。同时，壳聚糖含量提高，—NH3+数量增多，与带负电荷细菌结合机率增加即具有更好的抗菌性。除此之外，在聚氨酯中掺入具有较高远红外发射率的陶瓷粉，可以提高织物的保暖性能，由于有些陶瓷具有吸收氨、硫化氢等异味的功能吗，混入涂层后可以制成除臭防水透湿织物[1]；在聚氨酯中加入阻燃剂可以制成防水透湿阻燃的多功能纺织品。2.4.3绿色环保聚氨酯分为溶剂型聚氨酯和水性聚氨酯两大类。溶剂型聚氨酯应用于纺织工业，有些性能比水性聚氨酯好，如薄膜强度、耐水性和粘结性，另外光洁度也优于水性聚氨酯，在转移和湿法涂层上用量较大。但由于其主要溶剂为甲苯、二甲苯、丁酮等有机溶剂及其混合物，有机溶剂有一定的毒性，环境污染大，且易燃易爆，工厂建筑上也有特别要求，随着人们环保意识的增强和环保法规的完善，目前应用上已受到一定的限制。与此同时，水性聚氨酯以水为介质，具有不易燃、气味小、不污染环境、节能、操作加工方便等优点，已进入世界性的研究开发阶段，逐步取代溶剂型聚氨酯已成为发展的必然趋势。涂程等人以合适结构和分子量的聚酯和聚醚混合二元醇、异氟尔酮二异氰酸酯(IPPI)、二羟甲基丙酸(DMPA)、1，4-丁二醇(BDO)为主要原料，三乙胺(TEA)为中和剂，合成水性聚氨酯防水透湿涂层剂乳液。并且通过研究各组分比例对合成产物稳定性、涂膜力学性能及涂层织物防水透湿性能的影响，优化合成工艺参数。其最佳合成工艺为：以聚己二酸丁二醇酯二醇(PBA)/聚乙二醇(PEG)混合多元醇(nPBA:nPEG=2:1)为软段组分，DMPA含量为3.6%，与异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)进行预聚(R=1.4)，然后用1,4-丁二醇100%扩链，三乙胺中和。所得聚氨酯乳液的稳定性可维持半年以上，其胶膜的力学性能良好。织物涂层后，其透湿量可达4736.5g/(m2×24h)、静水压可达6.67kPa,制备出了防水透湿性能良好的水性聚氨酯涂层剂。2.4.4当前的影响以及未来发展趋势未来的防水透湿PU的发展方向将以环保水性分散体的研制为主,以智能化为目标,然而水性分散体的亲水性与防水性是一对难以攻克的矛盾,且产品应用要求具有多功能性倾向,由此预见改性聚氨酯水分散体将是解决问题的突破点。如,将有机硅、有机氟引入水性聚氨酯中,可以改善膜的拒水性、柔软性、耐磨性;微孔与亲水基团结合以提高涂层的透湿性能等。总之,未来的防水透湿PU将以更高透湿性、智能型及多功能性来满足人们的更高需求。第三章结语目前，聚氨酯在纺织行业中的应用已经越来越广泛，主要用于弹性纤维及其织物、纺织助剂及其制品、织物