户外睡袋用面料防水透湿性能的评价

安昱盈, 温 润,b, 徐广标,b

(东华大学 a.纺织学院;b.纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620)

随着人们对户外探险活动需求的不断增长和对户外活动综合质量要求的不断提高,户外装备产业迅速发展[1]。户外睡袋作为一种适用于男女老幼,且可在野外、山地等多种环境条件下使用的装备,市场需求越来越大。由于户外睡袋需要在特殊环境使用,睡袋面料对防水性能和透湿性能有很高的要求[2]。市场上户外睡袋面料的种类很多,主要包括高密面料、涂层面料和覆膜面料。高密面料以涤纶、锦纶面料为主,涂层面料以PVC、PU涂层面料为主,覆膜面料包括PU、TPU、PTFE覆膜面料。目前国内对于防水透湿涂层及薄膜的制备方法与性能研究较多[3-5],对普通棉毛、涤锦织物的抗渗水性能与透湿透气性能也有涉及[6-8],但对专门用于户外睡袋的面料性能尚未有整体的比较与分析。由于市场缺乏对户外睡袋面料防水性能和透湿性能的数据支撑,本文对市场上已有的20种户外睡袋面料进行调研,旨在对面料的表面抗湿性、抗渗水性、透湿性进行测试与评价,为户外睡袋面料的制备与筛选提供一些指导。

1 试 验

1.1 试 样

本文收集了户外睡袋市场上的20种面料,分别标号为1#～20#,其中面料1#～15#为高密面料,面料16#、17#为涂层面料,面料18#～20#为覆膜面料。面料具体规格参数如表1所示。

1.2 指标测试

1.2.1 仪 器

Y813型织物沾水度测定仪、YG 812E型抗渗水性能测定仪(温州方圆仪器),YG 601H型电脑型织物透湿仪(宁波纺织仪器),FlexSEM 1000电子显微镜(HITACHI)。

表1 面料规格参数Tab.1 Specification parameters of fabrics

1.2.2 表面抗湿性

根据GB/T 4745—1997《纺织织物 表面抗湿性测定 沾水试验》,采用Y813型织物沾水度测定仪对面料的表面抗湿性进行测试;每种试样测试3次,取平均值作为测试结果。具体测试步骤:将调湿后的织物正面朝上夹紧放在支座上;将250 mL去离子水迅速注入漏斗,待淋水停止,将夹持器连同试样一起拿开,使织物正面朝下呈水平;对着硬物轻敲两次,观察试样润湿程度,评定沾水等级。

1.2.3 抗渗水性

根据GB/T 4744—1997《纺织织物 抗渗水性测定 静水压试验》,采用YG 812E型抗渗水性能测定仪,选用增压法对面料的抗渗水性能进行测定;每种试样测试5次,取平均值作为测试结果。具体测试步骤:将YG812E型抗渗水性能测定仪按规定装满去离子水,打开仪器按加水键将水位加至规定处;将试样放于平台上,将夹持器拧紧,开始测试;当试样出现第三滴水珠时,记录此时压力。

1.2.4 透湿性

根据GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分:吸湿法》,采用YG 601H型电脑型织物透湿仪测定面料的透湿性能;每种试样测试5次,取平均值作为测试结果。具体测试步骤:将无水氯化钙和试样按规定放入透湿杯,组成组合体;不盖杯盖将组合体放入温度38 ℃、湿度90%的电脑型织物透湿仪平衡0.5 h后取出;盖上杯盖在硅胶干燥器中平衡0.5 h取出依次称重,记录数据;再取下杯盖放入试验箱内,1 h后取出,盖上杯盖依次称量,记录数据,计算出试样的透湿量。透湿量的计算公式如下:

(1)

式中:WVT是每平方米24 h的透湿量,g/(m2·d);Δm是同一试验组合体两次试验之差,g;S是试样试验面积,m2;t是试验时间,h。

2 结果与分析

2.1 表面抗湿性

20种面料的沾水度评级如表2所示。

表2 面料沾水度评级Tab.2 Grading of surface moisture resistance

由表2可知,20种面料的沾水度评级从1～5级不等,表面抗湿性能差异很大。对于高密面料来说,除了压光处理后的面料沾水等级在4级及以上,其他高密面料的沾水等级分布在1～3级。涂层面料的沾水等级分布在2～3级。覆膜面料的沾水等级均≥4级。

对于高密面料来说,面料的表面抗湿性能与纤维种类、织物组织结构、织物表面形态和后整理方式有关。对比高密面料14#、15#,棉/木棉面料与参数相近的锦纶面料相比表面抗湿性较差,因为棉和木棉是亲水性材料而锦纶为疏水性材料,吸湿性好的面料比吸湿性差的面料表面抗湿性差[9]。高密面料7#、8#、9#的沾水度很高,分析是由于织物总紧度小孔隙率大,且由于表面形态的关系,固液之间接触角较小,所以水分子容易铺展润湿织物,表面抗湿性能差。对比高密面料1#、2#、3#、5#、6#、12#、13#知,织物紧度越大、组织结构紧密程度越大、纱线间排列越整齐,面料表面抗湿性能越大。高密面料4#、10#、11#经过压光后整理后改变了织物的表面形态使表面抗湿性显著提高。对于涂层面料16#、17#,由于涂层种类的不同表面能也不同,PVC涂层的表面能小于普通印花涂层,所以表面抗湿性稍好。覆膜面料中PTFE膜的表面抗湿性能很好,这是由于PTFE薄膜表面能很小,且薄膜不亲水。同为覆膜面料的面料18#、20#比面料19#的表面抗湿性稍差,分析是因为PU膜和TPU膜均为亲水性薄膜,在薄膜表面的亲水基团会吸附一些水分子,故沾水等级较PTFE膜小。

在标准GB/T 32614—2016《户外运动服装 冲锋衣》中,要求服装面料的沾水度评级至少为4级。所以在所试验的面料中,高密压光面料与覆膜面料较适宜于用作户外睡袋面料。而涂层面料由于涂层种类与配方的不同可导致其性能差异较大,故不排除可通过改变浆料种类和生产工艺等方法提高其表面抗湿性的可能性。

2.2 抗渗水性

20种面料的抗渗水性能如图1所示。

图1 20种面料抗渗水性能Fig.1 Water penetration resistance of 20 kinds of fabrics

由图1可知,20种面料的静水压从11.33～55 kPa不等,抗渗水性能差异很大。并且覆膜面料18#、19#、20#的抗渗水性能均高于涂层面料16#、17#,涂层面料16#、17#的抗渗水性能普遍高于高密面料1#～15#。对高密面料、涂层面料和覆膜面料3类面料的静水压数值进行单因素方差检验,当α=0.05时,P=4.563 31×10-8<0.001,认为3类面料的抗渗水性能有非常显著的差异。

为了更深入地分析面料抗渗水性能的结果,采用FlexSEM 1000电子显微镜对各种面料的基本形态结构进行观察。20种面料的基本形态结构如图2所示。

图2 20种面料基本形态结构Fig.2 Morphology and structure of 20 kinds of fabrics

从图2可以看出,高密面料中纱线交织和纱线中纤维间存在空隙,使其较涂层、覆膜面料抗渗水性能差。对高密面料来说,由于织物结构参数不同,织物抗渗水性存在差异。为了进行更深入分析,对高密面料1#～15#的织物总紧度、织物厚度、织物面密度与抗渗水性能进行相关性分析,结果如表3所示。

表3 织物参数与织物静水压的相关性Tab.3 Correlation analysis between fabric parameters and hydrostatic pressure

由表3可知,织物总紧度与织物抗渗水性能相关系数>0.5,为强相关;织物面密度与织物抗渗水性能相关系数在0.3～0.5,为中相关。

由于织物总紧度与织物抗渗水性能有较强的相关性,对数据进行分析模拟,得到的关系曲线如图3所示。

图3 织物总紧度与织物静水压的关系曲线Fig.3 Relation curve between total tightness and hydrostatic pressure of fabrics

由图3可知,织物总紧度与织物静水压之间呈非线性正相关关系,随着织物总紧度增大,面料抗渗水性能也增大,但增大的幅度越来越小。

对涂层面料来说,两者的抗渗水性均稍大于高密面料,而PVC涂层面料的抗渗水性优于普通涂层面料。这是因为普通涂层面料的浆料较少地附着在纱线表面,对面料本身的空隙影响不大,而PVC涂层面料的浆料几乎覆盖住了面料,使面料孔隙率减小,所以抗渗水性高于普通涂层面料。但PVC涂层并没有完全覆盖整个织物平面,纱线尚能滑移使织物具有一定弹性,所以面料在抗渗水性实验中受到一定压力时,织物仍会变形使纱线间空隙增大从而使水渗透,导致PVC涂层面料的抗渗水性能相较于高密面料和普通涂层面料增加不明显。

对覆膜面料来说,3种面料的面密度、厚度、底布参数相差不大。PTFE膜的防水性能很好,这是因为PTFE膜的微孔孔径比水滴直径小,使水珠不能透过该层膜,从而达到防水效果[10]。PU膜的抗渗水性能优异,是由于其表面有一层致密薄膜,薄膜微孔孔径小于水分子直径,使水分子很难进行传递[11-12]。TPU膜抗渗水性能较好,但比PU膜与PTFE膜稍差,分析是由于TPU表面存在微孔,试验中当水压达到一定程度时,TPU膜的微孔孔径因受力而增大,部分水分子渗入。

标准GB/T 21295—2014《服装理论性能的技术要求》中,具有防雨功能的服装抗渗水性试验中的静水压值需要≥13 kPa。而一部分高密面料并未达到标准,所以覆膜面料和涂层面料更适宜于用作户外睡袋面料。

2.3 透湿性

20种面料的透湿性能如图4所示。

图4 20种面料的透湿性能Fig.4 Moisture penetrability of 20 kinds of fabrics

由图4可知,高密面料的透湿量集中在3 000～6 000 g/(m2·d),涂层、覆膜面料透湿量集中在1 000～4 000 g/(m2·d),可认为高密面料的透湿性能普遍优于涂层和覆膜面料。对3类面料的透湿量数值进行单因素方差检验,当α=0.05时,P=0.010 374 41≈0.01,说明3类面料的透湿性能存在显著差异。对3类面料的透湿性能作进一步分析:

1)对高密面料1#～15#来说,织物的透湿量与织物总紧度、织物面密度、织物厚度进行相关性分析,如表4所示。

表4 织物参数与织物透湿量的相关性Tab.4 Correlation analysis between fabric parameters and WVT

由表4可知,织物总紧度与织物透湿性能相关系数绝对值>0.5,为强相关;织物面密度与织物透湿性能相关系数绝对值在0.3～0.5,为中相关。

由于织物总紧度与织物透湿性能有较强的相关性,对数据进行分析模拟,得到的关系曲线如图5所示。

图5 高密织物总紧度与织物透湿量的关系曲线Fig.5 Relation curve between total tightness and WVT of high-density fabrics

由图5可知,高密织物总紧度与织物透湿性能呈非线性负相关关系,随着织物总紧度的增大,透湿性能逐渐降低,且降低速率越来越小。

2)对涂层面料来说,透湿量在1 000～3 000 g/(m2·d),透湿性能较差。普通印花涂层比非涂层高密面料的透湿性差,但比PVC涂层的透湿性能好。这是因为被涂覆的浆料较少,几乎没有堵住纱线间的空隙,所以对水蒸气分子透过织物的影响不显著。PVC面料的透湿性能差,是由于浆料已经从织物正面渗入到了内部,填满了大部分纱线空隙,而且浆料本身不亲水,所以导致大部分水蒸气分子不能很好地透出。

3)对覆膜面料来说,整体的透湿量在2 000～4 000 g/(m2·d),PTFE覆膜织物的透湿性能最好,因为PTFE膜是一种高分子聚合物薄膜,它内部的微孔孔径介于水蒸气分子直径和液态水分子直径之间,所以水蒸气分子能较容易透过织物[10]。PU膜的透湿性能较差,分析是由于PU膜配方中亲水基团含量较少,能被吸附、扩散、解吸的水蒸气分子很少,大部分水蒸气分子不能透过PU膜。对TPU薄膜来说,温度升高会使软链段中极性基团活动频繁,加强极性基团与水蒸气分子之间的氢键作用,提高扩散常数和溶解度参数,使软链段中极性基团单位时间内运输的水蒸气分子的数量增加,而且TPU薄膜在30～40 ℃时透湿量增加的幅度较大[12]。水蒸气在无孔亲水性聚氨酯膜TPU中的传递还与薄膜两侧的蒸汽压差有关,蒸汽浓度梯度越大,TPU膜的透湿性能越好[13]。由于本文透湿试验仪器要求在温度38 ℃、湿度90%的条件下测试,所以高湿高温环境使TPU的透湿性能得到了加强,TPU覆膜织物的透湿量大于PU覆膜织物。

标准GB/T 21295—2014要求服装的透湿量为3 000 g/(m2·d)。所以高密面料和PTFE覆膜面料更适宜用作户外睡袋面料。

3 结 论

1)对20种面料的表面抗湿性能来说,未经过压光的高密面料和涂层厚度较小的涂层面料表面抗湿性较差,沾水度评级≤3级。覆膜面料和高密压光面料的表面抗湿性能最好,沾水度等级达到了≤4级。

2)对20种面料的抗渗水性能来说,高密面料的抗渗水性能最差,最低仅为11.33 kPa。涂层面料的抗渗水性能稍优于高密面料,不到20 kPa。覆膜面料的抗渗水性能显著优于涂层和高密两类面料,静水压值最高达到55 kPa。

3)对20种面料的透湿性能来说,高密面料的透湿性能普遍高于涂层和覆膜面料,最高达到6 000 g/(m2·d)以上;涂层面料中PVC涂层面料透湿性能小于2 000 g/(m2·d),透湿性能较差;覆膜面料中PTFE两层覆膜面料透湿性能最好,透湿量约为4 000g/(m2·d)。

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