多层复合防水透气蓬盖材料的制备及性能

刘玉欣李长青何东昱张成斌吕耀辉

（1.中国人民解放军陆军装甲兵学院，北京，100072；2.中国人民解放军32178部队，北京，100012）

我国东南沿海地区由于高温、高湿、高盐雾等自然环境，导致金属结构零部件容易出现腐蚀现象，制约了设备管理和使用，严重时会影响各种装备设施的技术性能［1-3］。由于条件所限，在役装备通常在普通库房或户外存放，腐蚀问题不容忽视。

为实现整装防护，国内外已经有气相防锈薄膜、气相防锈纸以及防锈封套［4-6］。气相防锈薄膜具有透明性、热塑性和气密性等特点。气相防锈纸具有耐蚀性，提高了原产品的强度、耐破性、抗冲击等性能［7］。气相防锈薄膜、气相防锈纸多用于金属设备或零件储存和运输，需要保证严格的密封，以达到防腐效果；另外，气相防锈薄膜、气相防锈纸可重复利用性较差［8-9］。防锈封套主要是采用高阻隔材料对小型设备进行严格密闭，同时在封套内充入保护气体或者将装入纱布、无缝袋内的气相缓蚀剂粉末（将其压制成不同形状的片、丸、锭剂等）悬挂于封套内，或直接分散于设备需要防护的部位，实现防腐目的；由于保护气体及缓蚀剂需要定期补充或者更换，增加了防护工作的难度和成本。上述防护方法的前提条件必须严格密封，并且材料没有防水透气层的结构设计，给大型设备在自然条件下防腐带来了操作上的不便，并限制了整装装备的可移动性。

为实现在高温、高湿、高盐雾等自然环境下大型装备的高效防护，我们研发了一种多层复合防水透气蓬盖材料。

1 试验

1.1 剥离强度

使用CMT4303型万能拉伸试验机测试材料的剥离强度。按照GB/T 2792—1998《压敏胶带180°剥离强度试验方法》测试，试样规格25 mm×200 mm，用180°剥离方法施加拉力，拉力试验机自动记录剥离负荷图，有效剥离长度大于125 mm，剥离速度1 mm/min，测试结果取5个不同试样的测试平均值。剥离强度=剥离力/试样宽度。

1.2 水蒸气透过率

水蒸气透过率参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》。采用Labthink兰光W3/031型水蒸气透过率测试仪测量。裁取直径74 mm的3块圆形试样，将试样分别装夹在3个透湿杯中并置于透湿杯托架上。关闭测试腔门后设置试验参数，包括试样名称、试验温度38℃、试验相对湿度90%等，记录测试结果。

1.3 断裂强力

根据GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能第一部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》测试。使用CMT4303型万能拉伸试验机，在温度（25±2）℃、相对湿度（50±4）%环境下测试材料的断裂强力。

1.4 微观形貌

将材料制备成尺寸10 mm×10 mm×2 mm的待检测试样，用Quanta200型扫描电子显微镜观察材料表面微观形貌。因材料导电性较差，试验前在表面进行喷金预处理，喷金电流2.5 A，时间35 s。

2 多层复合防水透气蓬盖材料的设计思路

针对目前整装防护的难题，将常规的防紫外线、防风、防雨水、防潮湿等防护功能有机结合，提出并开展多层复合蓬盖材料的结构设计。在结构设计中，首先考虑多层复合材料的防水透湿性和耐腐蚀性，同时兼顾雨雪风沙等常规防护性能。在实际使用中，多层复合蓬盖材料还要有良好的力学性能，耐撕裂，不易破损，材料间的黏接性好。内部材料与装备表面要有良好的柔韧性，对装备不能造成损伤。多层复合材料既需要具有一定的透气防凝露性能，又能充分发挥对装备的防护性能。

多层复合防水透气蓬盖材料由5层结构组成，如图1所示。从外到内分别为防水透气层、第一黏接层、增强纤维层、第二黏接层和内部保护层。增强纤维层为织物；第一黏接层和第二黏接层为热溶胶；内部保护层为非织造布。

图1多层复合防水透气蓬盖材料结构示意图

2.1 外层设计

外层采用高强度防水织物。一方面需要有效防止雨水进入蓬盖材料内部对装备及其零部件造成侵蚀，另一方面需具有良好的光反射特性，提高对日光的反射性能，从而在光照条件下有效降低材料的温升速率，减缓光腐蚀和老化。另外，增强纤维层需为复合蓬盖材料提供足够的强度，使其具备良好的抗拉能力，使多层复合蓬盖材料达到相应的强度要求。

2.2 黏接层设计

黏接层主要作用是连接外层、中间层和内层。所选用的黏接剂一要具有良好的黏接强度；二要熔点适当，在制备过程中不能因过高的制备温度而影响内层的吸附性和外层防水及中间层的透气性；三要在宽温区范围内具有良好的柔韧性；四要具有良好的抗老化性能。

2.3 内层设计

内层结构直接接触装备，要有较好的力学性能，厚度适中，能够有较强的吸水性，并能吸收容纳大量防腐蚀试剂颗粒；同时易于同其他材料黏接。可优选具有足够强度和一定吸湿性能的非织造布作为内层。

3 多层复合防水透气蓬盖材料的筛选

依据GJB 2727—1996《主战坦克篷布纺织材料规范》筛选各层材料。

3.1 外层材料的筛选

外层材料要具有防水透湿性。防水透湿材料是指在一定压力作用下，液态水不能浸入，但是气态水蒸气和空气却能透过并传导到外界的材料。将防水性和透湿性集于一种织物材料中，使防水透湿材料的设计与纺织材料转移水蒸气及液态水的机理密切结合起来。其中，涂层织物的性能最为优良。涂层织物是工程复合材料，由基布与其表面的聚合物通过黏合剂结合而成。涂层织物将纺织品的优点和其表面聚合物的优点结合在一起，基布为其提供机械强度，如撕裂强度、拉伸强度、伸长率和尺寸稳定性等，并支撑上面的涂层；聚合物为其提供化学性质，如耐磨性、防水性、阻隔气体通过等。目前常用的聚合物有聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚氨酯和聚四氟乙烯等。

聚氨酯涂层具有良好的黏附性，并且成本较低，用于涂层织物时具有良好的弹性和手感，并且具有抗张强度高，伸长率大，柔韧性、润湿性、光泽性以及耐磨性优异等优点，被广泛应用于纺织品功能整理，尤其是在防水透湿织物领域。同时，在宽温区范围内聚氨酯也具有良好的特性，如在较低的温度下聚氨酯也有较好的延伸性、弹性及良好的表面耐磨性。综合考虑，选用聚氨酯作涂层材料，涤纶长丝织物作为涂层织物基布。选购了符合要求的两种聚氨酯涂层防水透湿织物，并测试其力学性能和防水透湿性，结果如下。其中，织物1经纬纱均为涤纶111.1 tex长丝，经密110根/10 cm，纬密100根/10 cm；织物2经纬纱均为涤纶66.6 tex长丝，经密120根/10 cm，纬密110根/10 cm。

由以上测试结果可知，织物1的防水性、断裂强力与撕破强力明显高于织物2，因此选织物1为增强纤维层。

3.2 黏接层材料的筛选

中间层为黏接层，主要是黏接内层和外层。选取的热熔胶要具有优良的黏接强度，熔点适当，易于使用，热熔胶加热固化后在宽温区内具有一定的柔韧性，且拥有良好的抗老化性能。

EVA热熔胶粉为白色粉末状颗粒，具有良好的黏接强度，施胶温度120℃～180℃，使用便捷。Swift·melt 1C2169热熔压敏胶为浅黄色透明块状固体，具有较好的耐热性，黏接强度高，喷涂时使用Reka TR70-LCD型热熔胶枪，将热熔压敏胶喷为雾状或条状的胶面。Flexel™反应性薄膜黏合剂为乳白色薄膜状固体，使用时仅需将两面保护层撕下，使薄膜黏合剂贴于待黏接面之间，放入加温箱之中，设置温度75℃～125℃，施加20 N/cm²～25 N/cm²的压力，持续加压100 s～250 s即可制备完成。因薄膜黏合剂无孔隙，故选用其黏接后，材料透气性大大降低。参考多层复合蓬盖材料透气性要求，最终采用Swift·melt 1C2169热熔压敏胶作为黏接层材料。

3.3 内层材料的筛选

内层材料直接接触装备表面，需具有良好的力学性能和较强的吸水性，以吸收容纳大量防腐蚀颗粒材料。非织造布吸水性好，厚度适中，质量轻，可以保证搬运和使用中的便携性。非织造布易于同其他材料黏接。选购了3种非织造布进行吸水率、厚度及横、纵向断裂强力测试，结果如下。其中，试样1为木浆水刺非织造布，试样2为工业擦拭布，试样3为粘胶水刺非织造布；试样1、试样2和试样3的吸水率依次为300%～450%、250%～280%和800%～1 000%。

由测试结果可知，木浆水刺非织造布厚度达到0.25 mm，横、纵向断裂强力都达到了35 N，但吸水率不够高，仅300%～450%。工业擦拭布单位面积质量为40 g/m²，轻便易搬运，但厚度仅有0.20 mm，并且吸水率仅为250%～280%，不能吸纳足够的防腐蚀颗粒。粘胶水刺非织造布吸水率高达800%～1 000%，能够容纳足够剂量的防腐蚀颗粒，且厚度达到0.25 mm，单位面积质量45 g/m²，较为轻便，使用时具有便捷性；粘胶水刺非织造布纵、横向断裂强力均为30 N，低于工业擦拭布和木浆水刺非织造布。综合考虑，选取粘胶水刺非织造布为内层结构材料。

4 测试结果与分析

4.1 剥离强度测试与分析

测试含胶量25 g/m²、50 g/m²、75 g/m²的多层复合蓬盖材料与进口多层复合材料的180°剥离强度。其中，进口多层复合材料的180°剥离强度 为29.17 N/m2，含 胶 量25 g/m²、50 g/m²和75 g/m²的多层复合蓬盖材料180°剥离强度依次为37.2 N/m2、39.14 N/m2、40.8 N/m2。

可以看出，随着含胶量的增加，多层复合蓬盖材料180°剥离强度呈上升趋势，但剥离强度均大于进口多层复合材料。

4.2 水蒸气透过率

测试进口多层复合材料的水蒸气透过率为415 g/m2·24 h，含胶量25 g/m²、50 g/m²、75 g/m²的多层复合蓬盖材料水蒸气透过率依次为686 g/m2·24 h、608 g/m2·24 h、598 g/m2·24 h。可以看出，随着含胶量的增加，多层复合蓬盖材料水蒸气透过率呈降低趋势，但均高于进口多层复合材料。

在综合考虑多层复合蓬盖材料剥离强度、透气性、施工难度、成本等条件后，最终选择含胶量25 g/m²的制备工艺。

4.3 拉伸断裂性能测试与分析

多层复合蓬盖材料的断裂强力基本为外层涤纶长丝织物的断裂强力，测试其断裂强力为3 000 N，内层非织造布的断裂强力仅30 N。多层复合蓬盖材料的断裂强力符合材料设计强度要求。

4.4 多层复合蓬盖材料形貌分析

采用以上优选的材料制备了多层复合蓬盖材料，如图2所示。

取10 mm×10 mm×2 mm多层复合蓬盖材料，将其从第二黏接层撕裂，分为外层、内层两部分。对两部分的内外表面进行表面喷金预处理，用Quanta200型扫描电子显微镜观察材料微观形貌，具体如图3所示。

由图3可看出，复合材料外层表面是凹凸不平的非致密聚合物膜，膜上存在大小不一的细孔。放大100倍和200倍后，可清楚地看到细孔直径在10μm～20μm间；这些细孔可以使蓬盖材料内的水蒸气（水蒸气分子直径约0.000 4μm）挥发出去，同时阻隔外界水滴（96.5%的水滴直径在20μm～140μm之间）进入，保持复合材料内环境干燥。

图2多层复合蓬盖材料实物图

图3多层复合材料外层聚合物膜微观形貌

多层复合蓬盖材料内层形貌如图4所示。由图4（a）可看出，内层非织造布是由直径约15μm的纤维无序排列组合而成；图4（b）为剥离内层非织造布与外层防水透气材料靠近非织造布剥离面的形貌图。多层复合蓬盖材料质地柔软并且具有一定的物理强度。

图4多层复合蓬盖材料内层形貌

为了更加直观地了解多层复合蓬盖材料的结构，裁取10 mm×10 mm多层复合蓬盖材料，保持材料干净清洁，放入温度低于-210℃的液氮中10 min，取出后立即敲断，进行喷金处理后竖贴在载物台上，观察形貌，具体如图5所示。

由图5可清楚地观察到：外层是聚酯纤维织物；中间层是用于连接内层非织造布与外层防水透气层的胶状物；内层是由纤维无序组合而成的非织造布。

图5多层复合蓬盖材料截面形貌

5 结语

针对整装防护难题，对多层复合防水透气蓬盖材料进行了设计，克服了传统蓬盖材料防水透湿性差、防护性差等问题，并将常规的防紫外线、防风、防雨水、防潮湿等防护功能有机结合，介绍了多层复合蓬盖材料的结构设计思路。确定了多层复合防水透气蓬盖材料的结构，筛选确定了内外层材料，并与进口的多层复合材料的各项性能进行了对比，结果显示：制备的多层复合防水透气蓬盖材料的断裂强力、剥离强度、水蒸气透过率均高于进口多层复合材料，能够满足装备整装防护对蓬盖材料性能的要求。