聚氨酯防水透湿整理研究进展

韩学琴，梁志光，田军明

(亨斯迈纺织染化(中国)有限公司，广东 广州 511447)

防水透湿织物既能阻止水滴透过又能使水汽顺利通过，类似于人类的皮肤，故而得名“会呼吸的织物”。该类织物一般通过以下三种方法制得：高织高密法、微孔技术法和无孔亲水膜法[1，2]。聚氨酯分子结构独特，其中含有亲水软段和疏水硬段，从20世纪70 年代初，就作为防水透湿材料应用在织物上[3-5]。本文对近年来聚氨酯材料在织物防水透湿领域的研究应用进行了综述，以期为聚氨酯防水透湿整理研究创新提供参考。

1 传统聚氨酯

人们对传统聚氨酯在防水透湿上的应用研究较多。权衡等人[6]研究了不同软硬段的聚氨酯，发现防水透湿性主要取决于亲水软段的亲水性及活动性，以及硬段相的微相分离程度。透湿性能正比于聚氨酯中醚键的含量，而防水性能则正好相反。PEG是防水透湿常用的聚醚软段，陈尔凡、曹亮[7]研究了PEG的分子量和用量对PU防水透湿涂层的性能影响，发现PEG分子量400，用量5%，交联剂用量1%，经过150℃、3 min烘焙，效果最好，产品耐静水压大于500 mm水柱，透湿量大于4000 g/(m2·24 h)，而且由于交联剂的引入，所制备的涂层织物耐水洗达15次以上。于建美[8]也以PEG和MDI为主要原料制备了一种防水透湿薄膜，发现薄膜的透湿性随着PEG含量的增加而增加，最大透湿量可达3325 g/(m2·24 h)。陈长钦、习智华[9]采用IPDI为硬段，聚醚多元醇为软段，DMPA为亲水扩链剂制备了一系列的水性聚氨酯乳液。研究表明，当选择R=2、DMPA用量为3%时，选用合适的反应温度和时间，所得的聚氨酯乳液稳定且具备良好的防水透湿功能。

除了选用聚醚多元醇，有些研究者选用聚酯多元醇或者聚酯多元醇与聚醚多元醇混合作为软段。涂程[10]将聚酯多元醇和聚醚多元醇混合作为软段，IPDI和小分子醇为硬段，制备了一系列聚氨酯。研究发现，制备的聚氨酯乳液以涂层方式整理到涤纶织物上，具备优良的防水透湿性能，耐静水压达6.74 kPa，透湿量达4810.3 g/(m2·24 h)。侯马飞、苏致淳[11]以聚碳酸脂二醇/聚四氢呋喃醚/聚乙二醇和异氰酸酯为主要反应物，合成了聚氨酯树脂，聚乙二醇的引入使得该树脂具有优良的亲水性和透湿性，透湿率最高可达11375 g/(m2·24 h)，耐水压大于10000 mm水柱。王彦波等人[12]以聚酯/多元醇和异氰酸酯，溶剂法合成了一种聚氨酯树脂，并将其应用于全棉粗布上，采用由高到低再由低到高的成型模式，得到了防水透湿膜，该膜透湿量可达3325 g/(m2·24 h)。

2 智能响应聚氨酯

智能响应聚氨酯是近年来的研究热点，其在防水透湿上的应用也比较广泛，主要集中在温度和pH响应两方面。

陶旭晨等人[13]以端羟基聚己二酸丁二醇酯(PBAG)为软段，TDI和丁二醇为硬段，制备了具有形状记忆功能的聚氨酯，结果显示，选用分子量为2000的PBAG，PBAG/TDI/BDO摩尔分数比为1/5/14时，合成的聚氨酯记忆温度接近人体体温。在此温度附近，其透湿量会突增。李钊等人[14]选用PBAG和PEG为软段，IPDI为硬段，DMPA为亲水扩链剂，制备了水性聚氨酯。研究发现，选用NCO/OH摩尔比为2，PBAG/PEG摩尔比为2.5，DMPA质量分数为3.5%，制得的水性聚氨酯乳液整理织物后的透湿量可达4550 g/(m2·24 h)，耐静水压达到6.08 kPa。

薛元等人[15]通过互穿网络方法制备了N-异丙基丙烯酰胺改性的形状记忆聚氨酯，与传统的物理共混法相比，该法所得产物具有较高的稳定性和相容性，可最大限度地保留N-异丙基丙烯酰胺的温敏特性，产品具有优良的防水透湿功能。随后他们又选用比较环保无毒的温敏材料聚膦腈来改性形状记忆聚氨酯，所得防水透湿膜同样具有温敏性，且由于聚膦腈玻璃化温度低，使得膜具有良好的柔韧性和舒适性[16]。

李杰等人[17]以嵌段聚醚(聚乙二醇/聚四氢呋喃醚)和二异氰酸酯(ADI)为硬段，合成了一种智能型防水透湿涂层，该涂层在人体温度附近(26～38℃)有响应，耐静水压可达29.4 kPa，透湿量可达4025 g/(m2·24 h)。随后他们又选用一种阻燃剂改性的异氰酸酯，制备了一种兼具防水透湿和阻燃(无卤)性能的聚氨酯涂层剂，所得涂层透湿量可达3953 g/(m2·24 h)，耐静水压达31.8 kPa，极限氧指数24.6%[18]。

周虎等人[19]以PCL、MEDA、MDI等为原料，成功合成了一种对pH和温度双重响应的聚氨酯膜材料，研究显示当温度高于各自软段结晶熔融温度以上时，聚氨酯膜水通量陡增，说明其对温度敏感，同时，当pH从8.5升高到10时，聚氨酯膜的水通量也陡增，显示出了pH敏感性。

张路萍[20]研究了PEG、PPG、PTMG、PCL、PBA等作为不同的软段，IPDI作为硬段，一系列水性聚氨酯的防水透湿性能，发现织物透湿量的大小顺序为：PTMG/PEG>PPG/PEG>PCL/PEG>PBA/PEG，耐静水压则正好相反，其中，最好的透湿量达到了5079.2 g/(m2·24 h)，耐水压为41.4 kPa。

孙雪娜[21]以MDI和BDO为硬段，PBA/PEG/PTMG/蓖麻油为软段制备了聚氨酯材料，并将其以涂层法整理到织物上，研究发现，无论聚醚、聚酯或者聚醚聚酯混合聚氨酯均出现了对温度敏感的特性，具有一定的“智能”透湿功能，PEG的分子量和含量会影响织物透湿性，蓖麻油的引入会提高织物防水性但会损失一定的透湿性。

3 改性聚氨酯

聚氨酯通常有两种改性：物理共混改性和化学改性。刘玉章等人[22]将季铵盐壳聚糖(HACC)通过物理共混方法改性水性聚氨酯，研究显示最佳共混条件为100～110℃下共混15～20 min，当HACC添加量10～15%时，制备的共混膜具有良好的防水透湿性能和抗菌性能。王志佳、陈英[23]利用羧甲基纤维素(CMC)、海藻酸钠(ALG)和聚乙二醇(PEG)良好的亲水性和透湿性，将其复配到水性聚氨酯涂层胶中，结果发现，PEG添加量为10%，CMC添加量为0.25%时，涂层具有优良的防水透湿性能，透湿量达到6721.5 g/(m2·24 h)，淋雨性为5级，且不影响织物手感。周金丽等人[24]利用丝素优良的吸湿透气性改性水性聚氨酯，然后将其整理到涤纶织物上，结果发现，改性后的聚氨酯与未改性前的透湿性明显提升，达到3000 g/(m2·24 h)以上，静水压3000 Pa以上。丁子寒、邱华[25]使用气相纳米二氧化硅改性水性聚氨酯而后将其以涂层的方式涂布到棉织物上，研究显示，气相纳米二氧化硅可以明显提高原来聚氨酯的耐水性和透湿性，当纳米二氧化硅添加量为1.5wt%时，涂层膜的耐静水压和接触角均有大幅提升，吸水率和透湿量均增加50%以上。

除了上述靠物理共混改性聚氨酯，有些研究者尝试采用化学接枝来改性聚氨酯。董青青等人[26]以PPG和聚醚改性聚硅氧烷二元醇为混合软段，IPDI为硬段，DMPA为亲水扩链剂，制备了有机硅改性水性聚氨酯(Si-WPU)乳液，结果表明，当聚醚聚硅氧烷二元醇用量为6%时，制得的Si-WPU乳液可以明显提高涂层织物的透湿性和耐水性。雷海波等人[27]也采用侧氨基聚硅氧烷(SAPDMS)与PTMG、PEG共为软段，IPDI和小分子醇为硬段制备了有机硅改性聚氨酯，结果显示，侧氨基聚硅氧烷的引入，提高了聚氨酯内部的微相分离，从而使自由体积空洞变大，透湿量明显提高，但防水性有所下降。Gu X Y等人[28]利用硅胶改性聚氨酯得到了复合膜，该膜同时具备优良的防水和透湿功能。朱敏、周向东[29]采用自乳化法合成了含氟丙烯酸酯改性聚氨酯乳液，然后用其整理棉织物，结果显示整理后的棉织物具有疏水性，水接触角可达到130.3°，拒水性达90分。但通常氟改性聚氨酯透水性能会下降。周金丽等人[30]利用聚乙烯吡咯烷酮对水性聚氨酯乳液进行了改性，所得乳液与未改性前相比，透湿率和耐静水压均有近10%的提升，其他力学性能没有明显变化。

4 结语

目前，国内外科技工作者已经尝试了采用不同方法改性聚氨酯，使其兼顾防水和透湿功能，并尝试引入诸如抗菌、防紫外线等其他功能，但绝大多数聚氨酯的合成过程都要使用溶剂，污染大，成本高，随着科技的进步和科研工作者的不懈努力，防水透湿织物会越来越趋向于智能化、舒适化和环保化。