防水透气功能纺织品技术及其性能要求的分析

2015-04-18王雪燕

纺织科学与工程学报 2015年4期

余彤，王雪燕

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安710048)

防水透气功能纺织品，是指人体在运动过程中，能使人体产生的汗液蒸汽不在织物和皮肤之间积聚、冷凝，而是以织物为媒介传递到外界，从而实现纺织品防水透气的功能。它是一种集透气、防水、防风和保暖性能于一身的功能纺织品，与传统的不透气的“防水织物”相比，有两个明显的优点，第一，能减少汗液在皮肤与织物之间的积聚，避免了恶劣天气时服装内较多的水蒸汽凝聚，舒适感增强;第二，防水层将微汗和大汗所产生的蒸发热损失值降到最低，在某些条件下会给人以真正的生理舒适感［1，2］。

1 织物的防水透气机理分析

1.1 物理透气机理分析

(1)利用水滴的最小直径与水蒸汽分子粒径大小相差悬殊的事实来实现。众所周知，水滴的直径远大于水蒸汽分子的粒径，防水透气织物就是想通过设计，使织物的经纬纱线间的孔隙只允许水蒸汽分子通过织物，而水滴不能透过织物，从而实现防水透气功能的目的。目前基于这一原理设计的防水透气功能纺织品主要有超细高密纺织品，如棉高密织物、超细涤纶高密织物。这类织物的透湿、透气功能的实现主要来自于水蒸汽通过纱线间孔隙的毛细效应传递到织物的外部。这一类高密织物由于具有轻薄、防风、透气性好等特点，而深受体育运动人员和经常参加户外活动的人们所喜爱。但由于织物密度大，织物的撕裂性能差，生产成本高，加工困难，防水性能也不令人满意［3］。

(2)采用微孔薄膜技术，使薄膜微孔的孔径介于水滴最小直径与水蒸汽分子粒径之间，再将薄膜与织物复合，从而赋予纺织品防水透气功能。目前经常采用两种方法来实现薄膜与织物的复合，即层压工艺和涂层工艺。为了使薄膜产生微孔，目前经常采用四种方式:①通过对薄膜的双向拉伸的方式，从而产生微孔;②通过在高聚物中添加陶瓷之类的填料的方式，从而在高聚物与填料之间形成孔隙;③通过微相分离技术产生微孔;④通过激光打孔技术产生微孔［4］。

1.2 功能透气机理分析

(1)利用高聚物大分子链上带有足够数量的强极性基团与水蒸汽分子之间强烈的氢键作用，纺织品会强烈吸附汗液蒸汽，然后汗液蒸汽通过织物扩散到外部，解吸到大气中。从而将纺织品与皮肤间的汗液蒸汽从纺织品内部传递到外部，实现纺织品透气功能的目的。为了实现优异的防水性，常对高聚物进行氟改性和有机硅改性［5］。

(2)利用聚氨酯具有两个玻璃化温度的特性，通过分子设计的手段，使聚氨酯的玻璃化转变温度区域在人体最舒适温度范围。经过这种智能型的整理，该类纺织品就像人体皮肤一样，能够随着外界气候的变化而自行调节。避免了微孔薄膜技术在使用过程中产生微孔堵塞的问题，更重要的是织物的透湿、透气性能会随着人体温度的变化而变化，使其适宜于不同气候环境下穿着［6～8］。

2 影响织物湿热传递性能的因素

水蒸汽通过织物传递到外部环境中的途径主要有两种:一是水蒸汽通过依靠织物经纬纱间的毛细管效应吸收汗液蒸汽，使汗液蒸汽从织物内部水汽压高的一侧向织物外部水汽压低的一侧传递和扩散;二是纤维自身具有良好的吸湿性能，如棉纤维、粘胶纤维、羊毛纤维等能够吸收水分，从而纺织品充当传输媒介的作用，将皮肤与织物间的汗液蒸汽传递到外部环境中。因此从水蒸汽传递的两个途径可以看出，影响汗液蒸汽在织物中传递的内在因素主要是纤维大分子链上亲水基团数目、亲水基团种类、织物的表面性能、织物的几何结构特征;外部因素主要是大气条件的影响［9］。

2.1 内在因素分析

织物透气性一方面取决于纤维大分子链上亲水基团数目、亲水基团种类，这主要与纤维的种类有关;另一方面取决于织物中经纬纱线间孔隙大小，这主要与纤维形状、织物几何结构、后整理等有关。例如，同种纤维的基础上，采用异型截面纤维制成的织物透气性比圆形截面纤维制成的织物好得多。

2.2 外部因素分析

空气相对湿度增加时，织物内外水汽压差值变小，从而传递水蒸汽的能力明显减弱，织物对人体的蒸发散热阻力明显增大，织物透湿性降低，汗液不易蒸发，从而人容易产生不舒适的感觉。风速对织物热湿传递性影响很大，风速大时，织物的隔热值随风速增加而降低，透湿性则随风速增加而增大，因而适当增大气流速度有利于服装的传热和传湿。

3 织物满足防水透气功能的条件

3.1 防水透气织物的防水性要求

防水透气织物首先应具有良好的防水、拒水性能，否则外界环境的雨水等落到织物上，雨水会在织物表面湿润、甚至完全润湿，从而织物表面形成厚厚的一层水膜，织物内外水汽压差值变小，织物对人体汗液的蒸发散热阻力明显增大，织物传递汗液蒸汽的能力明显减弱，织物透湿性显著降低，使穿着者产生“闷热”和“发粘”的烦躁感;此外，若织物不具有良好的拒水性能，当雨水进一步浸湿衣服后，水分子充满了纤维与纱线之间的孔隙，取代了纤维与纱线间所含有的空气，服装的防寒、保暖性能还会显著降低。陈一飞等［10］采用漏水法对不同耐静水压织物在不同降雨量下，防水性的测试评估结果为，一般纺织品耐静水压达到700mm水柱时候，在普通降雨50min和暴雨冲洗40min条件下，穿着者不会被淋湿。一般休闲服耐静水压要求达到500～1000mm水柱。而对于那些在剧烈运动场所的人们，所穿着的运动服，其耐静水压要求达到1500mm水柱以上。

影响织物防水性能的因素很多。涂层织物的防水性能除了涂层剂本身的性能外，在很大程度上还依赖于涂层基布的质地与规格及涂层工艺等;此外，还与测试方法、测试环境条件(环境温度及湿度等)，以及人为误差等因素有关。

3.2 防水透气织物的透湿性要求

在日常生活中，人体主要通过汗液蒸发来调节体温，如果所产生的汗液不能及时排放到外界，就会使织物与皮肤内的相对温度和相对湿度提高，人体就会产生不舒适感［11，12］。在有风、寒冷天气下将导致人体散热过快，织物的保暖性差，而使体温过低。魏征［13］的译文中测定了人体在从事不同运动项目时的出汗情况，通过统计分析，得出结论:防水透气功能纺织品必须有一定的透湿功能，其最低值应为2500g/m2·24hr，最好在 4000g/m2·24hr。

4 防水透气技术

4.1 微孔技术法

郝新敏的研究表明［14］，降到地面的雨滴直径通常在100μm～3000μm，而水蒸汽分子的大小为0.0004μm。微孔防水透湿技术正是根据雨滴与水蒸汽粒径大小相差较大这一客观事实，通过设计织物经纬纱线间的孔隙直径恰好在雨滴直径和水蒸汽分子粒径之间。一方面使织物外侧的水不会渗透到织物内侧，另一方面人体的汗液蒸汽依靠经纬纱线间孔隙的毛细效应，却能够通过微孔扩散到外界，从而具备了防水透湿功能［15～17］。

4.2 致密亲水膜技术法

近几年各科研机构深入研究了致密亲水膜防水透湿织物［18］。它是利用高聚物大分子链上强极性基团提供了足够的亲水性，作为水蒸汽分子的传递媒介，水分子与这些强极性基团之间存在氢键作用。在织物与皮肤接触的一侧，织物上这层致密亲水薄膜会依靠氢键作用，吸附汗液蒸汽，并通过高分子链上的强极性基团传递到织物外部，发生解吸，实现纺织品透气的目的。然而，为了实现优异的防水性，常对高聚物进行氟改性和有机硅改性［19～21］。

5 湿热传递性与服用舒适性机理

在正常人的生理活动中，人体为了保持相对恒定的体温，当外界气候条件改变时，人体便会自发地通过改变自身的血液循环、汗腺活动及呼吸状态等生理活动来调节身体温度，以维持与环境间的湿热平衡。但实际上大多数人的生理调节能力是非常有限的，当外界环境条件的变化幅度超出人体所能调节的范围时，人体便无法适应外界环境，会导致身体的不适，更会引发疾病。因此在平日的生活中，我们经常需要借助于服装来保证人体皮肤与服装内层之间的“微环境”处于人体的生理调节范围之内。这就要求服装能够智能性地调节，从而满足人们穿着的湿热舒适性［22～24］。

5.1 保暖性与舒适性

不快指数(DI)指随着环境温度与湿度变化而使人感觉到不舒适的程度，它是评价人体对温度、湿度环境的感觉指标。

戴晋明［26］在其书中提到了不快指数对人体的影响:不快指数增加表明人体不舒适感加重，给人带来烦躁不安，这将直接影响人们日常生活和工作。

5.2 透气性与舒适性之间的关系

通常人体的出汗量与其所处环境条件及日常的活动量有关，人体分泌的汗液只有在正常蒸发的情况下才会使人感到舒适，否则便会感觉憋闷、烦躁。因而在对织物进行透湿、透气功能整理前，除了考虑保暖性能以外，还应该考虑服装穿着的舒适性。

张建春［27］等研究了出汗量与人体活动状态及环境温度之间的关系。研究结果表明，为了将人体的汗液及时蒸发并扩散至外界，织物的透湿率应在2500～3000g/m2·24hr以上，这样才能够使穿着者在出汗多的情况下感觉到舒适。

为了使防水透气织物具有较好的保暖性和舒适性，其透湿、透气性应能够随着外界环境的变化而改变。在低温环境下，通常人体出汗较少，为了增强保暖性，织物应该具有较低的透湿、透气性能;而在较高温环境下，为了达到及时散热、透湿的目的，织物应该具有优异的透湿、透气性能。如此织物不仅具有良好透湿、透气性，还可以保证防水透湿织物具有优异的保暖性和舒适性。基于此，近几十年有关“智能型”防水透湿织物的报道屡见不鲜。K.Adwin［28］研究了不同环境下维持人体湿热平衡时，织物所需的透湿、透气性能。结果表明，要维持人体湿热平衡，织物所需的透湿、透气性能必须能够随着所处的环境及运动强度变化而变化，一般随环境温度的升高及运动强度的加大，织物的透湿、透气性应提高，并于10℃ ～20℃间有一个质的变化。一般来说，温度升高10℃左右，织物的透湿率应该增加4～5倍、透气率增加近4倍，这样才能够保证舒适的穿着环境。

6 结论

(1)透气性:防水透气功能纺织品的透气性应能够随着外界环境条件的变化而改变，并于10℃～20℃有一突变。

(2)防水性:当织物能够耐受 500mm～1000mm水柱的静水压时，已能够满足大多数民用及产业用纺织品的要求。

(3)保暖性:为确保防水透湿织物具有良好的保暖性能，记忆型聚氨酯的两个玻璃化温度区域应设置在人体最为舒适的环境气温18℃ ～24℃这个温度范围内。

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