14二等獎“萌芽杯”論文梁元喆

北京化工大學第八屆“萌芽杯”參賽作品—A類PAGE1-北京化工大學第八屆“萌芽杯”參賽作品—A類作品名稱：防水透濕材料的研究類別（綜述類/實驗類）：綜述指導教師：張立群負責人：梁元喆聯(lián)系方式：186355889862012年6月團隊成員及指導老師介紹指導老師介紹：姓名張立群所屬學院高分子材料學院職稱長江學者研究方向橡膠團隊成員介紹：姓名梁元喆所屬學院理學院專業(yè)教改實驗班級實驗1101班姓名李致遠所屬學院理學院專業(yè)教改實驗班級實驗1101班目錄第1章引言 3第1.1節(jié)課題簡介 3第1.2節(jié)防水透濕織物的透濕機理 3第1.3節(jié)立項依據 4第1.4節(jié)創(chuàng)新點 4第2章正文 4第2.1節(jié)課題研究進程 4第2.2節(jié)聚氨酯膜防水透濕機理 5第2.3節(jié)加工方法 5第2.4節(jié)現(xiàn)狀及展望 6第三章結語 8參考文獻 8論文題目：防水透濕材料的研究梁元喆，李致遠摘要：本文敘述了聚氨酯防水透濕織物的防水透濕機理、加工方法以及目前的發(fā)展動態(tài)。提出其智能化、多功能化及綠色環(huán)保是今后研究的重點。關鍵詞：聚氨酯，防水透濕第一章．引言第1.1節(jié)課題簡介新型紡織品向人們提供各種優(yōu)異的服用功能，防水透氣織物就是其中的一種。防水透氣織物也叫防水透濕織物，國外又稱“可呼吸織物”[1]。防水透濕織物是集防水、透濕、防風和保暖性于一體的功能織物，要求織物在一定的水壓下不被水潤濕，但人體散發(fā)的汗液蒸汽卻能通過織物擴散或傳遞到外界，不在體表和織物之間積聚冷凝[2]。從而避免汗液積聚冷凝在體表與織物之間，主觀感覺不到發(fā)悶的現(xiàn)象，保持服裝的舒適性,是一種高檔次、獨具特色的功能性織物。防水透濕服裝能防止雨雪的滲透,又能讓人體散熱的汗液以蒸汽的形式通過面料排出以使人感到干爽、舒適。美國、西歐、日本等經濟、軍事發(fā)達國家把防水透濕織物列為面向21世紀的高科技產品并已投入大量物力、財力競相開發(fā)研究,并陸續(xù)應用到軍需裝備、惡劣條件下防護服裝、運動服、休閑服等方面。國內防水透濕織物的研究比較晚,遠沒有跟上國際水平。因此科技工作者應積極開展科學研究。第1.2節(jié)防水透濕織物的透濕機理：1.2.1微孔質擴散：即利用高聚物微孔直徑很小,只有0.5~20μm,允許直徑0.0004μm水氣分子通透而不允許直徑為100~300μm水滴通過,起防水透濕作用。主要影響因素是微孔孔徑、單位面積孔數(shù)、厚度和通道的曲折系數(shù)。1.2.2親水性基團“吸附-擴散-解吸”傳遞水蒸氣分子：高聚物膜親水成分提供了足夠的化學基團作為水蒸氣分子的介質,在高濕度一側吸附水分子,通過高分子鏈上親水基團傳遞到低濕度一側解吸,形成“吸附-擴散-解吸”過程達到透氣的目的。其主要影響因素為膜內外間濕度梯度、溫度。第1.3節(jié)立項依據聚氨酯具有物理機械性能、耐寒性、溫度適應性、耐磨性、柔韌性、形狀記憶功能及性能上的可調節(jié)性；但其涂膜耐水性差，自增稠性、固含量、光澤性不夠理想，防水透濕性能有待于進一步提高。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的化學穩(wěn)定性、耐高低溫性、摩擦系數(shù)低、拒水性、難燃性、防水透濕性及成孔加工性等特點.，但價格高，成膜后沒有彈性，PTFE微孔透濕具有親油性和憎水性，其微孔在使用過程中容易發(fā)生微孔堵塞致使透濕性能變差或微孔會因拉伸而不斷擴大,從而使液態(tài)水易于滲透。將PU、PTFE在溶液中復合在一起，制成以PU為連續(xù)相、PTFE為分散相的涂層材料，將是兩種材料的性能互補，微孔與親水基團結合以提高涂層的透濕性能，得到耐水、耐溶劑性、柔軟的新型防水透濕復合材料，達到服用要求，其力學性能、粘著性、耐磨性也得到了提高。PU合成革真皮感強,具有和基材粘結力強、抗磨損、耐撓曲、抗老化等優(yōu)異性能,且加工簡便、價格低廉。早期的PU涂層織物防水效果一般都較好,但透濕能力較差,人體穿著這類服裝在劇烈運動時,大量汗液無法以蒸汽的形式排出,在衣服內部形成冷凝水滴,使人感覺粘濕而不舒適。防水透濕聚氨酯的研究因此成為聚氨酯研究領域的熱點課題。第1.4節(jié)創(chuàng)新點：1.4.1采用水性聚氨酯，對環(huán)境污染小，節(jié)約能源，操作加工方便。1.4.2PU、PTFE在溶液中復合，目前文獻中，復合膜的一般制造方法是先制造多孔支撐膜（PTFE）,然后再設法在其表面形成一層非常薄的致密皮層（PU），PU與PTFE沒有達到微觀結構上的復合，且都是以PTFE為基材，價格昂貴。1.4.3制得的涂層既具有親水性基團，又具有微孔結構，提高衣物的防水透濕性能。第二章．正文第2.1節(jié)課題研究進程目前，防水透濕織物產品主要分為三類：緊密織物，多以滌綸超細纖維作為經緯紗進行織造，后經超高收縮整理和防水處理而成，最早的防水透濕織物文泰爾(Ventile)織物就是利用純棉細號紗織成的平紋織物，它的出現(xiàn)標志著防水透濕織物正式走向市場[3]；微孔薄膜層壓和涂層織物，即在織物表面形成含有微孔結構的薄膜；親水膜層壓和涂層織物，即在織物表面形成含有致密結構的親水薄膜[4]。1962年Bayer在實驗室發(fā)明了聚氨酯，20世紀60年代后期到70年代開始了聚氨酯微孔涂層織物和親水性聚氨酯薄膜層壓織物的研制工作。20世紀80年代中后期開始，聚氨酯材料或不同類型復合材料的研究日益活躍，新工藝，新產品不斷面世。典型產品如AKZO公司研制的Sympatex層壓織物。Sympatexbo薄膜屬聚酯嵌段高聚物制成的沒有微孔的實心體，液體完全不能透過薄膜而且透濕途徑也不會被堵塞[5]。現(xiàn)已研制的聚氨酯防水透濕膜主要有聚氨酯親水膜和微孔膜兩種第2.2節(jié)聚氨酯膜防水透濕機理2.2.1聚氨酯親水膜透濕機理由于聚氨酯鏈軟段中存在親水性基團等極性基團，聚氨酯親水膜的透濕性能隨膜內外間濕度梯度的增加而增加，透濕性能隨濕度而變化，同時聚氨酯鏈硬段疏水，它能阻止水滴通過，起到防水作用。水氣分子在高聚物中的滲透過程包括“吸附-擴散-解吸”，由于聚氨酯膜中極性分子的存在，水氣分子吸附于高濕度側膜表面，極性基團、水氣分子之間的氫鍵締合使得水氣分子向濕度低的方向發(fā)生擴散，從而使水氣分子到達濕度一側，然后解吸到外在環(huán)境，從而完成擴散作用。由于濕度梯度的增加水氣分子在膜中擴散，解吸過程加強，從而增加膜的滲透性。當溫度升高時，分子運動加劇，軟鏈段中結晶的熔融，極性基團參與水分子之間的氫鍵作用加強，有利于水氣分子的滲透[6]。2.2.2聚氨酯微孔膜透濕機理聚氨酯微孔膜是一種極性高分子材料，透濕原理除依靠微孔外，具有親水性的分子鏈段還可以傳遞水分子。目前，聚氨酯微孔膜主要使用濕法成膜的方法，即利用溶劑二甲基甲酰胺(DMF)易溶于水，而聚氨酯不溶于水，凝固時，DMF被水置換出來，聚氨酯大分子聚集，進而在膜中形成微孔，從而利用微孔達到防水透濕的目的[7]。聚氨酯微孔膜干法成膜是將聚氨酯的有機溶劑（如甲苯或丁酮）加入水中制備W/O乳液，然后在織物上涂層，在不同溫度下蒸發(fā)，水在涂層中的比例不斷提高，當其達到一個臨界值時，聚氨酯則以多孔形式析出，并形成大量微孔。此方法加工的防水透濕織物透氣性約4000g/m2×24h，防水性可達2.45×105Pa(2500mmH2O)。該工藝簡單，但環(huán)境污染嚴重，應用較少[8]。第2.3節(jié)加工方法2.3.1涂層織物涂層整理是在織物表面上均勻地涂上一層高分子薄膜，賦予織物以各種功能，擴大織物用途。與其他涂層材料相比，聚氨酯涂層的抗張強度高，伸長率大，彈性好，耐磨，耐熱，耐低溫和耐老化性能均較好，屬高品質的涂層材料[9]。聚氨酯涂層織物的加工方法主要有干法和濕法。干法涂層可分為直接涂層和轉移涂層，尤以轉移涂層為主。直接涂層是將涂層劑直接涂覆在織物表面，主要用來做薄型的防水衣料。轉移涂層是將配制好的溶液型聚氨酯漿料涂在離型紙上，經干燥使其成膜，然后再使用粘合劑，經擠壓、干燥使基布和薄膜緊密地結合在一起，最后將離型紙剝離，可形成帶有花紋的涂層織物。濕法涂層方法主要有三種：直接涂覆法，即先將配制好的聚氨酯漿液涂覆在基布上，后經濕法凝固形成多孔皮質膜；其次是薄膜法，即將聚氨酯漿液涂覆在聚氨酯薄膜上，濕法成膜形成多孔質層，然后貼合在底布上；第三種是浸漬法，即將基布浸漬于聚氨酯漿液中，然后將多余的漿液刮去，再經濕法凝固形成多孔質皮膜。2.3.2層壓層壓織物是將具有防水透濕功能的微孔膜或親水性無孔膜或上述兩種薄膜的復合膜，采用特殊的粘合劑與織物通過層壓工藝復合在一起形成防水透濕層壓織物。目前常用的層壓工藝主要有焰熔法、壓延法、熱熔法、粘合劑法。聚氨酯加工主要用焰熔法和粘合劑法。2.3.3焰熔法聚氨酯泡沫體薄片在高溫火焰中掠過，表面會發(fā)生熔融、發(fā)粘，此時薄片迅速與織物疊合、加壓，即可制成焰熔法復合織物。此方法生產的聚氨酯層壓織物工藝一般經過聚氨酯泡沫體制造、刨片和焰熔層壓三步。焰熔法生產的織物具有豐滿、挺括、保暖的優(yōu)點，曾經風靡一時，但由于其生產過程中釋放的廢氣、煙霧中含有毒性成分，所以被限制使用。2.3.4壓延法壓延法是生產聚氯乙烯(PVC)人造革的主要生產工藝，即將塑煉后的物料通過四輥壓延機，在強大壓力下，壓延成薄膜，再與基布貼合的生產工藝。由壓延法制備而成的層壓織物價格便宜，且用途廣泛。2.3.5熱熔法高分子薄膜與基布的層壓采取中間涂布粘合劑的工藝，若薄膜本身是熱塑性的，兼有熱熔粘合能力，則可以省去涂布粘合劑工序。熱熔法可分為軋制法和擠出法。軋制法將樹脂熱熔軋制成膜，趁熱將其直接與基布貼合；擠出法將熱熔體通過擠壓機、槽口模擠出后于基布復合。軋制法較擠出法涂布量較大，涂層膜是提供功能的主體，產品厚而強韌，而擠出法所生產的產品較柔軟。2.3.6粘合劑法粘合劑法是層壓工藝的基本方法，此種方法使用最早，也最方便。采用粘合劑法生產聚氨酯薄膜屬于濕法加工，將液態(tài)的粘合劑通過涂覆、噴灑等方法實現(xiàn)織物與薄膜之間的層壓。第2.4節(jié)現(xiàn)狀及展望目前，防水透濕織物的研究重點向智能化、多功能化、綠色環(huán)保等方向發(fā)展。我們的研究工作主要從以下三個方面展開：一是隨著高分子材料的發(fā)展，研究采用新型的互穿網絡結構聚合物、離子型聚合物、高度支化聚合物、枝狀聚合物等材料研制各種類型含有化學微孔的防水透濕膜。二是隨著加工設備的不斷更新，從物理形態(tài)方面研究提高防水透濕織物的性能，比如開孔率更高、孔隙更均勻、厚度更薄的防水透濕薄膜，以及這些薄膜復合組成的各種功能的雙組分、多組分薄膜；各種不同結構、細度、性能的紗線織成的不同組織、表面形態(tài)的高密防水透濕織物。三是結合防水透濕織物的特性，研制各類特種防水透濕織物[7]。2.4.1智能化在眾多的智能紡織品中，智能型防水透濕織物是當前研究的熱點之一。由于聚氨酯的特殊結構賦予了涂層織物獨特的柔韌性、耐磨性、低溫性、潤濕性、粘結性、光澤性以及高內聚力合固化速度等，使其在防水透濕織物加工中獲得了廣泛的應用。通過對其分子結構的調整和設計，可獲得性能各異的產品（如形狀記憶聚氨酯以及同時調溫功能的形狀記憶聚氨酯等）。張曉紅采用溶液聚合的方法制備了智能型聚氨酯防水透濕整理劑。研究結果表明，影響聚氨酯涂層織物透濕及防水性能的主要因素為：軟緞的結構組成，軟緞的分子量，硬軟段在聚氨酯分子鏈中的百分含量。其中隨著聚氨酯分子鏈段中親水性強的軟段組分(PEG,PTMEG)分子量增大和含量提高，經整理織物的透濕量增大，但其防水性能有所下降；相反，隨著硬段在聚氨酯分子鏈中的百分含量增大，織物的透濕量減小，而耐水壓增大。另外，經智能型聚氨酯防水透濕整理劑整理的織物，隨環(huán)境溫度的升高，其透濕量增加，而且在聚氨酯材料軟段鏈段的玻璃化轉變溫度區(qū)域內突變，整個曲線呈S形。這種智能型的防水透濕行為實質是軟段相中柔性分子鏈的運動，其對溫度的依賴性取決于軟段相的玻璃化轉變溫度。2.4.2多功能化王慧玲等人將羊毛角蛋白溶液和抗紫外線納米粉體加入水性聚氨酯中，對其進行改性，得到了具有更好防水、透濕和防紫外線的多功能涂層織物。羊毛角蛋白溶液的加入為聚氨酯膜中加入了親水基團，可以通過親水基團向外傳遞水分子，角蛋白溶液與納米粉體的共同作用又使聚氨酯膜表面形成了均勻分布的微孔，進一步增強了涂層織物的透濕性。隨著抗紫外線納米粉體的引入，涂層織物的抗紫外線性能明顯提高。徐旭凡在普通聚氨酯中添加殼聚糖不僅使聚氨酯涂層織物擁有更好的防水透濕性能，防止結露，而且賦予了其抗菌性能。隨著殼聚糖含量的提高，殼聚糖本身所含的親水基團—OH、—NH2增加，其吸濕性增強；另外，殼聚糖本身的超微孔結構，使其透濕性能增加，而接觸角逐漸減小，因此，聚氨酯織物透濕量逐漸增大，防水能力逐漸降低。同時，殼聚糖含量提高，—NH3+數(shù)量增多，與帶負電荷細菌結合機率增加即具有更好的抗菌性。除此之外，在聚氨酯中摻入具有較高遠紅外發(fā)射率的陶瓷粉，可以提高織物的保暖性能，由于有些陶瓷具有吸收氨、硫化氫等異味的功能嗎，混入涂層后可以制成除臭防水透濕織物[1]；在聚氨酯中加入阻燃劑可以制成防水透濕阻燃的多功能紡織品。2.4.3綠色環(huán)保聚氨酯分為溶劑型聚氨酯和水性聚氨酯兩大類。溶劑型聚氨酯應用于紡織工業(yè)，有些性能比水性聚氨酯好，如薄膜強度、耐水性和粘結性，另外光潔度也優(yōu)于水性聚氨酯，在轉移和濕法涂層上用量較大。但由于其主要溶劑為甲苯、二甲苯、丁酮等有機溶劑及其混合物，有機溶劑有一定的毒性，環(huán)境污染大，且易燃易爆，工廠建筑上也有特別要求，隨著人們環(huán)保意識的增強和環(huán)保法規(guī)的完善，目前應用上已受到一定的限制。與此同時，水性聚氨酯以水為介質，具有不易燃、氣味小、不污染環(huán)境、節(jié)能、操作加工方便等優(yōu)點，已進入世界性的研究開發(fā)階段，逐步取代溶劑型聚氨酯已成為發(fā)展的必然趨勢。涂程等人以合適結構和分子量的聚酯和聚醚混合二元醇、異氟爾酮二異氰酸酯(IPPI)、二羥甲基丙酸(DMPA)、1，4-丁二醇(BDO)為主要原料，三乙胺(TEA)為中和劑，合成水性聚氨酯防水透濕涂層劑乳液。并且通過研究各組分比例對合成產物穩(wěn)定性、涂膜力學性能及涂層織物防水透濕性能的影響，優(yōu)化合成工藝參數(shù)。其最佳合成工藝為：以聚己二酸丁二醇酯二醇(PBA)/聚乙二醇(PEG)混合多元醇(nPBA:nPEG=2:1)為軟段組分，DMPA含量為3.6%，與異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)進行預聚(R=1.4)，然后用1,4-丁二醇100%擴鏈，三乙胺中和。所得聚氨酯乳液的穩(wěn)定性可維持半年以上，其膠膜的力學性能良好?？椢锿繉雍?，其透濕量可達4736.5g/(m2×24h)、靜水壓可達6.67kPa,制備出了防水透濕性能良好的水性聚氨酯涂層劑。2.4.4當前的影響以及未來發(fā)展趨勢未來的防水透濕PU的發(fā)展方向將以環(huán)保水性分散體的研制為主,以智能化為目標,然而水性分散體的親水性與防水性是一對難以攻克的矛盾,且產品應用要求具有多功能性傾向,由此預見改性聚氨酯水分散體將是解決問題的突破點。如,將有機硅、有機氟引入水性聚氨酯中,可以改善膜的拒水性、柔軟性、耐磨性;微孔與親水基團結合以提高涂層的透濕性能等。總之,未來的防水透濕PU將以更高透濕性、智能型及多功能性來滿足人們的更高需求。第三章結語目前，聚氨酯在紡織行業(yè)中的應用已經越來越廣泛，主要用于彈性纖維及其織物、紡織助劑及其制品、織物