VAP 膜透气性测试及影响因素分析

郭帅 李志强 李广斌 李洁 刘涛

摘 要 研究测试了不同批次、不同型号单向透气膜（VAP膜）的透气性能，并利用扫描电镜对VAP膜的微观结构进行扫描分析，测试结果表明，VAP膜透气性与其成型工艺相关，并且与涂层截面的孔隙相关，涂层截面孔隙率越高，透气性越好；另外，透气性与涂层表面孔洞数量无直接相关性。

关键词 防水透气膜；涂层；孔隙率；透气性；湿法涂布

VAP Membrane Gas Permeability Test

and Influencing Factor Analysis

GUO Shuai1，3， LI Zhiqiang1， LI Guangbin1， LI Jie2， LIU Tao2

（1.Lianyungang Industrial Investment Group Fiber and New Materials Test Center Co.， Ltd.， Lianyungang 222000; 2.Zhongfu Lianzhong Wind Power Blade（Lianyungang）Co.，Ltd.， Lianyungang 222000;  3.Lianyungang Industrial Investment Group Fiber and New Materials Test Center Co.， Ltd.， Lianyungang 222000）

ABSTRACT The air permeability of different batches and different types of VAP membranes was tested， and the microstructure of VAP membranes was scanned and analyzed by scanning electron microscope， and the test results showed that the air permeability of VAP membrane was related to its molding process and the porosity of the coating section， and the higher the porosity of the coating section， the better the air permeability. It is worth mentioning that the air permeability is not directly related to the number of pores on the surface of the coating.

KEYWORDS waterproof and breathable ; coating; porosity; air permeability; wet coating

通讯作者：郭帅，硕士研究生，中级工程师。研究方向为纤维与复合材料工艺性能评估与应用。E-mail：guoshuai031007@126.com

1 引言

VAP膜又称单向透气膜，是一种可以阻挡树脂并允许气体通过的材料。该产品由基布和半透膜涂层两部分组成。

风电叶片在真空灌注成型过程中会使用VAP膜，利用其透气不透胶的特性提供辅助抽气功能并保护真空管路不被树脂进入，避免树脂在流动过程中进入真空管路，造成堵塞。使用过程中，为获得更好的抽气效果，将VAP膜涂层面朝向树脂侧，基布面朝向抽气侧。

目前市面上VAP膜产品质量参差不齐，不合格、不稳定的VAP膜产品，对于风电叶片的灌注成型质量有很大影响。一旦出现VAP膜透气性不足，风电叶片产品在灌注过程中极易出现因压力不足导致的浸润不良，造成不必要的质量损失。因此，叶片成型过程中的VAP膜，对透气性能有较高要求；我国对织物透气性的测试标准为GB/T5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》，标准中规定了试样面积为5 cm2、20 cm2、50 cm2或100 cm2［1］，试样两侧压降为50 Pa、100 Pa、200 Pa或500 Pa。而根据VAP膜在叶片成型过程中的使用环境特点，行业内大型叶片制造公司一般选用的试样面积为38 cm2，试样两侧压降2500 Pa。

为此，针对这一问题，对目前市面上的不同VAP膜产品进行透气性测试，织物透气性的测试标准参照GB/T5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》执行［2-3］，并利用扫描电镜对VAP膜的微观结构进行扫描分析，结合VAP膜成型工艺，深入分析VAP膜透气性机理。

2 VAP膜透气性能影响因素及分析

2.1 成型工艺

防水透气膜成型工艺一般分为干法涂布与湿法涂布工艺。其中，干法涂布，将PU树脂直接涂覆在基布上而成。湿法涂布，先在基布上涂覆PU树脂，然后放到DMF水溶液中，等到基布上的PU树脂中的DMF（二甲基甲酰胺）析出到水里后，干燥成型。湿法工艺由于加上水的作用，手感较为柔软，且透气性较好，款式也较多［4］。

除此之外，涂布工艺还有静电纺丝等；利用聚合物在高压电场作用下，从喷嘴进行喷射拉伸，从而获得固体纳米级纤维，此种工艺产生的孔隙更大，透气性更好［5］。

2.2 涂层孔隙率

VAP膜工作原理是利用水滴與空气分子/水蒸气分子之间的尺寸差异，空气分子/水蒸气分子尺寸量级为纳米，约为0.3～0.4 nm。涂层表面存在密集的孔洞，其孔洞尺寸量级为微米，可以满足空气分子/水蒸气分子顺利通过；液态水/水滴因为表面张力的作用（水分子之间互相“拉扯抗衡”），且液态水/水滴的粒径远大于防水透气膜微孔直径的，因此液态水/水滴就不能顺利渗透到另一侧［6］。

流体通过这种特征的多孔介质而流动则叫做渗流。透气性测试原理是在规定压差下，测定一定时间内垂直通过试样给定面积的气流流量，计算出透气率。在此测试条件下，满足气体稳定渗流基本方式，如公式（1）所示。

v=-kμ p（1）

式中，v—气体流动速度，K—渗透率张量，μ—参数，▽p—压降。

根据公式（1）可知，VAP膜透气率与两侧压降应成正比关系（公式中“-”是因为流速与压降方向相反）。

2.3 基布规格

VAP膜基布所用材质一般为尼龙6或涤纶，对纯纺织织物而言，织物的透气性与其紧度和经密、纬密之间都存在直接的关系。并且，在机织物透气性相关研究中，学者们已取得一定成果，探讨了纤维种类、纱线捻度、纱线纱支、织物密度、织物交织状态、织物厚度以及织物后整理技术对织物透气性的影响，并且得出了一般规律［7-10］。

而涂层织物透气性，基布对整体的透气性影响微乎其微，原因是基布透气性量级一般为1000 mm/s，而涂层织物透气性一般在10 mm/s以下，本文中忽略基布对整体的透气性影响。

3 VAP膜透气性试验

3.1 主要原材料

本文选择VAP膜产品共5款，分别来自不同厂商A、B、C。A、B厂商VAP膜产品成型工艺是在PA6的基布上，通过湿法涂布工艺制成。湿法涂布工艺，工艺流程为：基布→浸渍→涂胶→凝固池→清洗池→烘箱→冷却→卷曲→后贴处理→成品检验，即得成型的VAP膜。VAP膜产品参数如表1所示。

3.2 主要检测设备及标准

调湿标准按照GB/T6529-2008《纺织品 调湿和试验用标准大气》执行；透气量测试标准按照GB/T5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》执行；透气试验仪器型号为FX3300-IV，瑞士TexTest公司制造；试样面积为38 cm2；试样压强为2500 Pa；扫描电镜仪器型号为EVO10，德国Zeiss制造；试样电压为15 Kv。

4 结果与讨论

4.1 透气性测试结果

参照GB/T5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》标准测试步骤如下：

（1）用标准取样器取所需的VAP膜样品三个，检查切口，试样表面需平整无划伤无损坏，边缘没有伤痕及裂缝；（2）按GB/T 6529-2008放在标准温湿度环境（温度20 ℃，湿度65%）进行状态调节，时间不少于4小时；（3）将取好的样品放入测试台，选择压盘面积为38 cm2，测试压强为2500 Pa，完全盖住测试腔表面，然后盖上测试腔上腔，按压手柄压紧试样，等待结果出现，测得各VAP膜透气性如表2所示。

由表2可知，1、2、3号样品虽然是同一厂商同一规格型号，但是由于批次的不同，其透气性差异较大。VAP膜本身批次间透气性的不稳定，对于叶片的灌注成型质量影响较大，并且在后期质量问题排查无法追本溯源，给生产过程制造巨大麻烦。各VAP膜透气性从小到大依次是：1号＜2号＜4号＜3号＜5号。5号样品透气性远高于其他样品，推测与其成型工艺相关。

4.2 扫描电镜结果

4.2.1 涂层表面扫描结果

利用扫描电镜，对各VAP膜涂层面进行扫描测试，放大倍数2000倍和10000倍，测试结果分别如表3所示。

由表3可以发现，样品1-4涂层面微观结构基本一致，涂层表面孔洞大小数量相近，孔径尺寸范围0.1～1 μm，无法与宏观透气性结果对应；而5号样品则呈现完全不同的状态，在2000倍放大下，从正面观测到内部呈现空间网状结构，并且孔洞尺寸已经超过20 μm。表面孔洞与透气性无法看出直接相关性。

4.2.2 涂层断面扫描结果

利用扫描电镜，对各VAP膜涂层断面进行二次扫描测试，放大倍数4000倍和2000倍，测试结果分别如表4所示。

由表4可知，1-4号样品涂层面微观结构相似，但是涂层断面孔洞大小数量已经可以观测到明显差异，1号样品断面孔洞数量最少，仅观测到2-3个孔洞，并且孔洞近乎闭孔；1-4号样品涂层断面孔洞数量尺寸从小到大依次为：1号＜2号＜4号＜3号，与透气性宏观测试结果保持一致。

而5号样品与1-4号样品微观结构完全不同，与涂层表面扫描结果保持一致，内部呈现空间网状结构。造成差异的原因是成型工艺的差异，1-4号样品的成型工艺采用的是湿法涂布工艺，而5号样品采用的是静电喷丝工艺，利用静电喷头将液态涂层喷出成丝，在基布表面形成复合网状结构，成型后有更多、更大的孔隙率，所以最终的制品透气性更好。

5 结语

通过上述试验，测试各VAP膜透气量及涂层微观结构，可以得出以下结论：

（1）5号产品透气性达到了4.7 m/s，而1-4号产品透气性能均小于1 m/s，表明VAP膜成型工艺对透气性有影响，说明了静电纺丝工艺优于湿法涂布工艺；

（2）5号产品孔洞尺寸为20 μm，而1-4号产品孔洞尺寸为0.1-1 μm，表明VAP膜透气性与涂层孔隙有关。另外，在计算分析涂层孔隙时，不能仅考虑涂层表面孔洞，需与涂层断面孔隙结合分析，孔隙越大，透气性越好。

参 考 文 献

［1］吴如妹. 试样面积对织物透气性测试结果的影响［J］.上海纺织科技，2014（7）：22-23.

［2］GB/T5453-1997. 纺织品织物透气性的测定［S］.

［3］李汝勤，宋钧才. 纤维和纺织品测试技术［M］.上海：东华大学出版社，2009.

［4］陈一飞. PU树脂透湿性涂层防水整理湿法加工工艺［J］.江苏丝绸，2006（2）：12-13.

［5］陈一飞. 透湿性涂层防水整理加工工艺［J］.四川丝绸，2006（3）：27-29.

［6］徐旭凡.多功能聚氨酯涂层织物的制备及性能［J］.纺织学报，2006，27（3）：71-73.

［7］朱远胜. 防水透气织物的种类及应用［J］.浙江纺织服装职业技术学院学报，2008，9（3）：22-24.

［8］周穎，姚理荣，高强.聚氨酯/聚偏氟乙烯共混膜防水透气织物的制备及其性能［J］.纺织学报，2014（5）：23-29.

［9］钟浩.PVDF纳米膜防水透气复合织物制备及性能研究［D］.浙江工业大学，2013.

［10］于磊. 溅射 PTFE 的PU防水透湿电纺膜层压织物的制备与性能［D］. 江南大学，2014.