防水透濕織物的研究現(xiàn)狀及其在醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用

1、防水透濕織物的研究現(xiàn)狀及其在醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用田濤楊荊泉段惠莉郝麗梅吳金輝(國家生物防護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心,天津,300161摘要:論述了各種防水透濕織物的防水透濕機理、性能特點、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,并闡述了防水透濕織物在醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。關(guān)鍵詞:防水透濕,微孔薄膜,親水膜,醫(yī)用材料中圖分類號:TS195157文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1004-7093(200806-0001-050前言防水透濕織物(water p r oof and moisture per mea2 ble fabric也叫防水透氣織物,在國外又稱可呼吸織物(water p r oof,windp r oof

2、 and breathable fabric,簡稱WWB。研究表明,當(dāng)靠近皮膚的衣服內(nèi)“微氣候區(qū)”的溫度在(321,濕度在(5010%時人才感到舒適,此時人體處于最佳的生理狀態(tài)1。人體出汗是熱平衡調(diào)節(jié)中的有效散熱手段,不同勞動條件下人體散熱量和排汗量如表1所示2,其中人體散熱量的80%是經(jīng)過皮膚蒸發(fā)散熱的。防水透濕織物制作服裝能滿足寒冷、雨雪、大風(fēng)等惡劣天氣中的穿著需要,且在較大勞動強度下排汗透濕、穿著舒適,也能在化學(xué)、有毒、傳染環(huán)境中起到隔絕、過濾、透濕的作用13,尤其在2003年“非典”時期防水透濕防護(hù)服裝發(fā)揮了重要作用,因而具有廣闊的發(fā)展前景。1防水透濕織物的研究現(xiàn)狀防水透濕織物可按其防

3、水透濕機理分類,具有不同防水透濕機理的三種防水透濕織物的研究現(xiàn)狀敘述如下。收稿日期:2007-07-11作者簡介:田濤,男,1979年生,研究實習(xí)員。主要從事防水透濕織物、生物防護(hù)裝備的開發(fā)與研究工作。表1不同勞動條件下人體散熱量和排汗量運動狀態(tài)釋放熱量/kJm-2h-1不同溫度條件下人體排汗量/gm-2(24h-101020坐209290320430爬406430520720水平步行5865806601010中勞動強度920101013301730重勞動強度1255193019902880 111高密度防水透濕織物高密度防水透濕織物利用孔隙自然擴散的機理設(shè)計而成。用精梳高支棉紗或其他超細(xì)合成

4、纖維長絲織成高密度織物,紗線間隙非常小,再經(jīng)過防水處理,織物具有一定的防水性。這類織物的透氣性主要取決于水蒸氣從紗線間空隙的自然擴散,可表示為4:R=TB+0.71d1B-1B1/2(1式中:R氣體擴散阻力;T織物厚度;B開孔率;d孔徑。高密織物最典型的是文泰爾(Ventile織物5和超細(xì)纖維織物。文泰爾織物干燥時經(jīng)緯紗線間的間隙約10m,變濕后棉紗膨脹使得紗線間的間隙減至34m,從而達(dá)到防水透濕的目的。隨著超細(xì)纖維的飛速發(fā)展,各種超高密度織物不斷涌1現(xiàn)。日本鐘紡公司生產(chǎn)的Savina DP超高收縮高密織物2,30%聚酰胺和70%聚酯的超細(xì)纖維作緯紗,76dtex/72f的普通聚酯絲作經(jīng)紗,纖

5、維間孔徑可控制在7m,密度達(dá)68580根/(25.4mm2,透濕量50007000g/(m224h,耐靜水壓7kPa。德國Hoechst公司的Trevira Finasse防水透濕超細(xì)聚酯高密織物2,經(jīng)紗長絲線密度小于1.4dtex,經(jīng)密4800根/c m,緯紗長絲線密度小于0.7dtex,緯密2680根/c m,經(jīng)氟化整理,成品的孔徑為雨滴的三千分之一,透濕量達(dá)2萬 4萬g/(m224h,耐靜水壓約500Pa,人工淋噴5h后織物仍保持干燥。這類高密度織物的特點是透濕性、透氣性良好,織物的柔軟性和懸垂性也較好,但耐水壓一般都很低,需通過進(jìn)一步涂層或?qū)訅簛硖岣?生產(chǎn)成本高,加工困難。112微孔膜

6、防水透濕織物微孔膜防水透濕織物利用微孔機理設(shè)計而成。水滴的直徑通常在201萬m,而水蒸氣分子的大小為0.0004m,如表2所示。設(shè)計薄膜或涂層的微孔直徑小于水滴而大于水蒸氣,使外部的水由于表面張力不會滲入,而人體本身散發(fā)的汗氣能夠通過氣體的擴散和對流自由地通過微孔,從而起到防水透濕的作用。其透濕過程實質(zhì)上是一個擴散過程627:氣體或蒸氣在薄膜表面“溶解”,在一定梯度下薄膜內(nèi)擴散,最后在濃度低的另一面蒸發(fā)8。透濕率的公式4可表示為:W vt=ABT+0.7d(1-B(2式中:Wvt透濕率;T涂層厚度;B開孔率;d孔徑;A常數(shù)。表2水蒸氣分子和水在不同形態(tài)下的直徑(單位:m水蒸氣分子輕霧霧毛毛雨小

7、雨中雨大雨暴雨0.000420200400900200030004000600010000利用微孔透濕機理已開發(fā)出了許多防水透濕織物,如聚四氟乙烯(PTFE層壓織物、濕法聚氨酯涂層織物、干法聚氨酯涂層織物等。美國W.L.Gore公司的由聚四氟乙烯微孔膜與織物復(fù)合的Gore2Tex最為著名,其起主要透濕作用的是聚四氟乙烯微孔膜,聚四氟乙烯微孔膜的厚度約為0.20.7m,514mm2微孔膜約含有90億個微孔,孔徑為0.25m,約為水滴的兩萬分之一,比水蒸氣分子大700倍9,開孔率大于82%,透濕量5000g/(m224h,耐靜水壓9.8kPa以上10。Gore2Tex織物是目前市場上最先進(jìn)的防水透

8、濕織物之一。美國研究者開發(fā)出的一種聚偏氟乙烯(P VDF涂層材料,其涂層微孔平均直徑僅為0.1m11。我國自行研制的聚四氟乙烯層壓織物在某些性能上已超過Gore2Tex織物,涂層織物方面也取得了很大的進(jìn)步。2001年,寧波登天氟材料公司研制成聚四氟乙烯微孔薄膜層壓織物12。1999年聚偏氟乙烯微孔膜防水透濕織物研究項目在天津通過驗收,2000年山東科億達(dá)股份有限公司研制出濕法凝固工藝生產(chǎn)的微孔聚氨酯涂層織物11。微孔(膜結(jié)構(gòu)材料的耐水壓性、透濕性、防風(fēng)性及保暖性都較好,但加工過程復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高。113致密親水膜防水透濕織物致密親水膜防水透濕織物是一種無孔材料,利用高分子間“孔”和親水基團透

9、濕機理設(shè)計而成。其原理是在大分子鏈上引入親水性基團,通過鏈段上的親水基團與水分子作用,借助氫鍵和其他分子間力,按“吸附擴散解吸”的方式將水汽分子由濕度高的一側(cè)傳遞到濕度低的一側(cè)13,從而達(dá)到透濕目的,如圖1所示。其防水性來自于薄膜自身的連續(xù)性和較大的膜張力。透濕速率可表示為14:W vt=DS(P1-P2L(3式中:Wvt透濕率;P1-P2膜兩側(cè)水蒸氣分壓差;D擴散系數(shù);S溶解度參數(shù);L膜厚度。這類織物典型產(chǎn)品有英國Baxanden公司的W ilcoflex Staycool涂層織物、荷蘭Akz o Nobel公司的Sy mpatex層壓織物、美國寶立泰公司的Qualitex2圖1親水膜防水透

10、濕織物模型多功能防水透濕織物等13,1517。W ilcoflex Staycool 涂層織物透濕量為25001萬g/(m224h,耐水壓為1.5kPa。Sy mpatex是含20%50%聚環(huán)氧乙烷的聚對苯二甲酸丁二酯的熔融擠出共聚薄膜,屬聚酯嵌段高聚物,其透濕量為2700g/(m224h,耐水壓105kPa。因為聚氨酯具有物理性能優(yōu)良和玻璃化溫度低且易調(diào)節(jié)的優(yōu)點,20世紀(jì)80年代開始采用聚氨酯材料或復(fù)合聚氨酯研制致密親水性膜材料異?；钴S。Qualitex致密親水性薄膜是以聚氨酯為主的合成高分子材料,薄膜吸水后仍能保持良好的機械性能,從而解決了親水性與薄膜牢度的矛盾18。美國Thoratec公

11、司1981年開發(fā)了一種名為B I O U II 的高性能無孔聚氨酯薄膜,能防止外部細(xì)菌及水的侵入,同時又具有良好的透濕性。美國BF Goo2 drich公司采用熔融擠出吹膜法制備了熱塑性聚氨酯致密透氣膜Estane系列,其透濕量可達(dá)9000114萬g/(m224h。意大利Faitex為致密親水型聚氨酯薄膜,薄膜的透濕量為2600 5800g/(m224h19。中國紡織科學(xué)研究院研究開發(fā)中心利用熱熔擠出技術(shù)開發(fā)出的防水透濕聚氨酯(TP U薄膜系致密親水薄膜,該薄膜的透濕量為3000 4000g/(m224h19。東華大學(xué)研制成聚氨酯微乳液無孔涂層劑,其涂層織物平均透濕量為2300g/(m224h

12、20。天津工業(yè)大學(xué)合成了無孔型聚氨酯防水透濕涂層劑,其涂層織物的透濕量約為1300g/(m224h21。致密親水復(fù)合織物具有防水性好、對細(xì)菌污物阻隔性好的優(yōu)點,但是透濕性相對較低,舒適性較差。此外,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,具有新一代功能的防水透濕織物的研究成為熱點,并取得了一些可喜的成果。日本三菱重工業(yè)公司研制的智能防水透濕聚氨酯涂層織物Azekura22,透氣性具有能隨外界溫濕度的改變而調(diào)節(jié)的特點,使織物在各種溫度條件下具有良好的穿著舒適性。利用經(jīng)聚乙二醇浸漬過的面料具有儲熱的功能,美國寶立泰公司推出了聚氨酯優(yōu)泰克織物,該織物能隨溫濕度的不同自動調(diào)節(jié)透濕性,即受熱時吸收熱量,遇冷時放出熱量,從而

13、獲得了良好的擋風(fēng)和保暖性能。寶立泰公司還研制出了世界上唯一的水溶性防水透濕涂層劑。日本東麗公司的Megacl on,日本旭化成的Vera V,具有吸收陽光的能量向人體輻射遠(yuǎn)紅外線,使織物保暖性提高,促進(jìn)人體微循環(huán)的功能;日本尤尼契卡公司的Per m ilan和Deodrant防水透濕織物具有除臭的功能12。2防水透濕織物在醫(yī)用材料中的應(yīng)用現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的進(jìn)步對醫(yī)用防護(hù)材料的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。醫(yī)用防護(hù)材料不但防護(hù)阻隔性能有嚴(yán)格的要求,而且對其舒適性、衛(wèi)生及生物性能也提出了越來越高的要求。防水透濕織物因其鮮明特點在醫(yī)用材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2.1醫(yī)用防護(hù)服醫(yī)用防護(hù)服要求具有優(yōu)良的污

14、染液體(被病毒、病菌污染的血液、體液等阻隔性能和微生物氣溶膠阻隔性能,良好的耐消毒性能、物理機械性能和穿著舒適性能等,因此需要采用微孔防水透濕材料和致密親水防水透濕材料。聚四氟乙烯微孔膜材料具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性,低表面能,阻燃,防水透濕性優(yōu)異12。但由于病毒尺寸較小,如冠狀病毒直徑為0.080.2m,聚四氟乙烯膜孔徑仍比病毒尺寸大,可能造成病毒滲透。同時,聚四氟乙烯膜由于其親油性,在洗滌和使用中性能下降較大,也會影響其隔離性能。因此普通聚四氟乙烯微孔膜作為耐久醫(yī)用防護(hù)服隔3 離層仍存在問題。為達(dá)到抗病毒滲透與透濕的有機統(tǒng)一,改進(jìn)聚四氟乙烯微孔對稱性,與封閉材料進(jìn)行共同拉伸成膜,制得聚四氟乙烯

15、復(fù)合膜。采用了這種復(fù)合膜的防護(hù)服可以有效地抑制有毒液體和微生物氣溶膠的進(jìn)入,同時又能使人體產(chǎn)生的汗以水蒸氣的形式散發(fā)出去,從而大大提高了人體的舒適度和持久作業(yè)能力。郝新敏等人采用聚四氟乙烯復(fù)合膜制得多功能“非典”防護(hù)服,具有耐久的隔離病毒、防血液滲透、防靜電、防水、防油、抗菌、透濕等多項功能,綜合防護(hù)性能達(dá)到并超過G B1908222003的要求23?；羧鹜さ炔捎孟葘歼M(jìn)行阻燃整理,再經(jīng)轉(zhuǎn)移涂層將基布與阻燃、抗菌聚氨酯薄膜復(fù)合,最后再對復(fù)合織物進(jìn)行拒水整理的工藝,制取了具有抗血滲、抗菌、阻燃、防水透濕等多種功能的新型醫(yī)用防護(hù)服材料,其主要性能指標(biāo)基本達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)24。2.2其他醫(yī)用材料

16、防水透濕薄膜在手術(shù)巾、消毒器械包裹材料、傷口敷料等醫(yī)用材料上也獲得了廣泛的應(yīng)用。手術(shù)巾是一塊中心開孔的無菌薄膜醫(yī)用材料,將其粘貼在開刀部位皮膚,防止手術(shù)時血液和體液從皮膚周圍倒流回傷口造成感染。用高透濕性能材料制成的手術(shù)巾,可避免粘貼區(qū)因聚集濕氣而使膜與皮膚脫離。消毒包布是包裹手術(shù)刀、剪、鉗等醫(yī)療器械在高溫下進(jìn)行消毒的材料,它既要有阻隔灰塵和微生物滲入消毒包內(nèi)的防護(hù)性,又必須有足夠的微孔讓消毒劑滲透到消毒包內(nèi)對器械進(jìn)行消毒。有一種新型三明治式的消毒包裹材料,上下兩層為耐熱的聚酯和聚丙烯非織造布,中間層則為聚四氟乙烯微孔薄膜20。高透濕薄膜還用于靜脈注射部位的敷料,可以減少傷口部位被細(xì)菌感染的危

17、險,由于體液得到揮發(fā),長期貼著敷料的部位不會受到體液的浸漬,也就不會引起諸如外傷口、手術(shù)傷口及潰爛傷口的細(xì)菌繁殖導(dǎo)致感染。透濕性聚氨酯膜在敷料上的應(yīng)用比較廣泛。通過調(diào)節(jié)聚氨酯高分子中的親水性和疏水性成分,可制得一種能使大量水汽和氧氣透過,而阻止水分和細(xì)菌進(jìn)入的半透膜材料。這種薄膜特別適用于作為一種復(fù)合敷料外層的保護(hù)膜,或者直接用于像表皮化傷口那樣的低滲出傷口。它們有很強的透氣性,透濕量為3000g/(m224h;它們?nèi)彳?、舒適、結(jié)構(gòu)透明,可使病人和醫(yī)護(hù)人員方便地觀察傷口的進(jìn)展。因為聚氨酯有很好的彈性,在泡沫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中具有空洞而有很大的吸水性,可用作直接接觸傷口的材料,或用來覆蓋其他的敷料。當(dāng)

18、與潮濕的傷口接觸時,膿血等傷口滲出液被毛細(xì)孔作用吸收入泡沫之中,并由接觸面向泡沫的內(nèi)部和后背面轉(zhuǎn)移,從而起到了把膿血從傷口表面去除的作用。當(dāng)與比較干燥的傷口接觸時,泡沫的結(jié)構(gòu)可防止水分過分地從傷口上揮發(fā),以保持一個潮濕的環(huán)境。由于聚氨酯薄膜質(zhì)量輕、透氣性好,還可以和其他高吸濕的材料結(jié)合制成復(fù)合敷料,起到保護(hù)膜的作用。3展望防水透濕織物已成為各國紡織品開發(fā)的一個主要項目。不同的生產(chǎn)工藝使其具有不同的特點,隨著人民生活水平的提高,對織物多功能性的需求將不斷提高,防水透濕織物具有很大的開發(fā)潛力。預(yù)計防水透濕織物性能提高與產(chǎn)品開發(fā)的研究將從三個方面展開25:第一,高分子材料的發(fā)展,使新型的互穿網(wǎng)絡(luò)聚合

19、物、離子型聚合物、高度支化聚合物、枝狀聚合物等材料廣泛用于研究開發(fā)各種微孔防水透濕薄膜;第二,從物理形態(tài)方面提高防水透濕織物性能的研究,例如:開孔率更高、孔隙更均勻、厚度更薄的防水透濕薄膜,以及這些薄膜組成的復(fù)合薄膜;第三,研制各類功能防水透濕織物,例如:智能防水透濕織物,防水透濕阻燃、防生化和防毒等的復(fù)合織物,研制水性聚氨酯涂層、殺蟲滅菌聚氨酯涂層等防水透濕織物。參考文獻(xiàn)1劉雍,馬敬安.防水透濕織物的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.中原工學(xué)院學(xué)報,2004,15(3:56260.2李朝暉,王春梅.防水透濕織物的種類和發(fā)展J.山4東紡織科技,2005(2:42244.3邵改芹.防水透濕織物研究新進(jìn)展J.

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