Gore-Tex面料透湿性能对比测试

陈益松，唐晓楠

(东华大学 a.服装与艺术设计学院; b.现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

人体与环境的热湿平衡传递是一个复杂的过程[1]，人体出汗是排泄和调节体温的生理机制，而服装包裹在体外，作为人体与环境进行热湿交换的媒介，它的透湿性能直接影响到人体生理和着装的舒适性[2]。然而，人们的着装在很多情况下要求防风防雨，通常使用涂层来解决这一问题，但涂层会破坏面料的透湿透气性能[3]。使用PTFE(聚四氟乙烯)微孔膜的Gore-Tex层压复合面料[4]较好地解决了这一对矛盾，自其诞生以来被广泛应用于服装行业，特别是户外运动与作业领域。文献[5]介绍了e-PTFE膜物理化学参数，分析了层压织物的防水透湿性、防风性以及保暖性等机理，并将e-PTFE膜复合面料与其他面料对比，结果显示前者在特定性能方面具有优势。文献[6]探讨了影响防水透湿织物性能的因素，较之其他防水透湿织物，微孔膜层压织物的透湿性是最好的，其织物的抗沾水能力与层压膜或涂层的抗沾水能力有关。文献[7]介绍了防水透湿织物的微孔透湿机理，并探讨了防水透湿织物测试方法的研究进展，指出目前的测试方法存在着测试与穿着条件吻合度差的缺陷。文献[8]详细介绍了防水透湿织物防水性和透湿性的检测技术，其中透湿性的检测技术有吸湿法、蒸发法和模拟法(蒸发热板法)，由于各方法衡量织物透湿性能的相关标准差异较大，且测试结果难以比较，导致防水透湿纺织品产业的发展受限。文献[9]通过改变透湿杯的水温来测试Gore-Tex薄膜及其他几种PTFE微孔薄膜的透湿量，研究发现，当环境温度不变时，透湿量随水温的升高而增大，两者呈指数型关系。文献[10]的研究显示，对于某些防水透湿织物，水蒸气转移性能依赖于织物及其周围存在的温度梯度，当外界环境温度降低到0 ℃以下，织物对水蒸气的蒸发阻抗将急剧增加。

本文采用YG 601型织物透湿仪和被动式微气候仪两种试验装置，在3种标准试验条件和4种模拟穿着状态下，对3种6块Gore-Tex试样和2块棉织物试样进行透湿量对比试验，研究Gore-Tex在着装状态下的透湿性能。

1 试验仪器

1.1 YG 601型织物透湿仪

YG 601型织物透湿仪由恒温恒湿气候箱和箱内旋转的8个透湿杯构成，如图1所示。透湿杯是测定织物透湿性能的常用方法。

图1 YG 601型织物透湿仪Fig.1 Fabric moisture permeability apparatus of YG 601 type

气候箱左右两侧为多孔壁板，分别为出风侧和回风侧，两侧壁之间维持风速为0.3～0.5m/s的平行风。气候箱内温度和相对湿度由箱内的温度传感器和相对湿度传感器检测并反馈至控制器，温度精度可控制在±0.5 ℃，相对湿度精度可控制在±3%。8个透湿杯放置在一个缓慢旋转的托盘上，可以保证每只透湿杯所受的环境影响一致。透湿杯试验方法分吸湿法和蒸发法，试验时，吸湿法试样正面朝内，蒸发法试样正面朝外，覆盖于透湿杯上。一定时间内，称取透湿杯的质量变化，试样透湿量的计算如式(1)所示。

(1)

式中：W为试样每平方米每小时的透湿量，g/(m2·h); Δm为同一试验组合体两次称量之差，g;A为试样有效试验面积，m2;t为试验时间，h。试样透湿量为3个试样透湿量的算术平均值。

1.2 被动式微气候仪

被动式微气候仪[11]如图2所示。采用被动供水方式的出汗模拟机制[12]，通过调节装置中的水柱高度和皮肤温度，改变模拟皮肤的出汗率和微气候空间的湿气压，出汗量可以根据测试试样的透湿能力而自动调节并实时监测，弥补了以往微气候仪在供水和模拟出汗方面的不足。

图2 被动式微气候仪Fig.2 A passive micro-climate apparatus

被动式微气候仪的模拟出汗系统[13]由供水管1、模拟皮肤5和加热底盘9组成。蒸馏水充满其间并使管中水位高出模拟皮肤h，形成压力水柱，并在温度的作用下，压力水由Gore-Tex微孔膜复合织物制作的模拟皮肤微量渗出后形成汗液，汗液蒸发形成的汗气通过被测织物扩散到环境空间。为避免供水管水柱水位下降过多而影响皮肤出汗状态的改变，试验中每小时记录一次水柱水位下降高度，并进行补水使水位恢复到原来高度。通常1小时水位下降为1～7 cm左右，不到总水柱高度(1.5 m)的5%，对皮肤的出汗量无实质性影响。根据记录的水柱水位的高度差可以计算出每小时水柱中水减少量，即为皮肤的出汗量，计算如式(2)所示。

(2)

试验中发现，微气候仪由于内外温差缘故，在微气候室圆筒壁内、试样支撑架上会出现积水现象，故织物实际透湿量应减去这部分积水量。 则试样每小时的透湿量Q为

Q=Qz-Qj

(3)

式中：Qj为腔内每小时的积水量，g/h。

试样每平方米每小时透湿量的计算如式(4)所示。

(4)

式中：W为试样每平方米每小时的透湿量，g/(m2·h);A为试样的透湿面积，m2。微气候圆筒壁的内半径为0.08 m，A为0.02 m2。

2 试样选取及试验条件

2.1 试样选取

本文选取3种6块Gore-Tex面料，即三层层压织物、两层层压织物和两层半层压织物各2块，与2种棉织物作对比。试样尺寸为24 cm×24 cm(试样夹直径为16 cm)。面料的基本参数测试结果如表1所示。

表1 试样面料基本参数Table 1 Basic parameters of specimens

(续 表)

2.2 试验条件

YG 601型织物透湿仪与被动式微气候仪的试验条件如表2所示。

表2 试验条件Table 2 Experimental conditions

YG 601型织物透湿仪的试验操作按GB/T 12704.2—2009进行。

微气候仪的操作需要把试样固定于测试装置的试样架上，水位加注至距离模拟皮肤高150 cm处，供水管旁固定有米尺，测量精度为1 mm。当温度测量系统使皮肤下的水温控制呈现平稳状态时，试验正式开始。向供水管中加水到指定的水位高度，并记录试验开始时间。1 h(或下降特别慢的为2 h)后，观察并记录水柱中水位的刻度值，测量并记录试样表面温度，再向供水管中加水到试验开始时指定的水位高度，重复试验。

3 微气候仪内积水测量与分析

试验采用吸水能力很强的棉纱来吸收微气候室内的积水，然后用精度较高的电子天平称量吸水前后棉纱的质量，计算其质量差值来获得积水量的数据。为了不破坏腔内微气候区的温湿度平衡，在每3次重复试验完成后停止试验，打开测试装置用棉纱收集积水。在不同水温条件下，1、3、7号试样“衣下”微气候积水量随时间的变化如图3所示。

(a) 1号试样

(b) 3号试样

(c) 7号试样图3 在不同水温条件下3种试样“衣下”的微气候积水量随时间的变化Fig.3 Accumulated water in microclimate room under three specimens increased with time

试验发现，当皮肤内水温(21 ℃)与环境温度相同时，由于内外温差为零，微气候室内并没有积水发生。由图3可知，在水温分别为25、30、35 ℃条件下，当水温与环境温度之间的差异越大，微气候室内积水量也越大。所测试样微气候室内的积水量基本随时间呈线性增加。

由图3还可知：1号三层Gore-tex试样在水温为30 ℃时，其积水量要远大于7号棉织物，而水温为25和35 ℃时的积水量与棉织物差异不大; 5号二层Gore-Tex试样在35 ℃时其积水量要远大于7号棉织物，而25和30 ℃时与棉织物差异不大。总体而言，Gore-Tex织物的微气候室内的积水量要高于棉织物，这也从另一方面说明了Gore-Tex织物的透湿能力要弱于普通棉织物。

4 试验结果与分析

采用YG 601型织物透湿仪和被动式微气候仪分别对8种织物试样进行透湿量测试，结果如表3所示。

表3 两种方法测得的8种织物透湿量Table 3 The moisture transmission of eight specimens in two methods g/(m2·h)

由表3可知：

(1) 在YG 601型织物透湿仪测试中发现，透湿杯法中的试样平均透湿量及透湿量差异基本与方法所设定的试样两边的蒸气压差成正比，从大到小依次为：吸湿法、蒸发法一、蒸发法二。3种试验条件下6块Gore-Tex试样的透湿量虽有差异，但相差不大，都小于普通棉织物。

(2) 在被动式微气候仪的模拟衣下空间的透湿量测试中发现，试样的平均透湿量与皮肤下的水温成正比，即水温越高，皮肤本身的出汗量越大，皮肤表面到环境间的湿浓度差也越大，试样的透湿量越大，同时，微气候室内的积水量也越大。

(3) 被动式微气候仪在水温为35 ℃时，试样两侧的蒸汽压差与蒸发法一相似(试验3和5)，两种方法所测的平均透湿量同处一个量级。由此说明，水蒸气压力差是平均透湿量的主要影响因素，在被动式微气候仪测量中，考虑积水量的做法是正确的。

(4) 相比之下，被动式微气候仪所测得的试样透湿量差异比透湿杯要小，甚至不明显。这是因为微气候仪从模拟皮肤的出汗到微气候空间再穿过面料到环境空气，出汗本身受模拟皮肤性能、水温和压力共同影响较大，而试样本身对其影响相对变小。但从微气候室的积水量来看，Gore-Tex试样的积水量要大于普通面料，说明其透湿性能低于普通棉织物。

(5) 从透气数据看，Gore-Tex织物相对普通织物属于“基本不透气”，主要是Gore-Tex织物的PTFE微孔膜对高气压差的气流阻挡明显，而在蒸汽浓度的分压差下(总气压差不变)其透湿能力却接近普通织物。因此，将Gore-Tex织物称之为防风透湿面料是准确的。

5 结 语

本文使用YG 601型织物透湿仪和被动式微气候仪在7种试验条件下对3种6块Gore-Tex复合织物及2块棉织物进行了透湿能力的测量。试验发现，Gore-Tex织物总体表现出很高的透湿能力，其平均透湿能力接近但小于普通棉织物，但透气能力远小于普通棉织物。这说明虽然三层或两层Gore-Tex织物外层面料的织物结构、厚度、外观形态以及有无内经编保护层上有较大的差异，但是在特定试验条件下，其透湿量相差不大且具有强大的防风穿透能力。Gore-Tex复合织物的防风透湿性能主要取决于其自身PTFE膜，因此将其称之为防风透湿面料是准确的。

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