1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） TPU 膜层压防水透湿及抗菌防护复合织物的研究 所在学院 专业班级 纺织工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要： 随着科技的发展、社会的进步及生活水平的提高，人们对生活质量的要求越来越高。纺织品的基本功能已经从遮 体御寒延伸到美观、舒适、时尚、保护等功能，人们的消费理念也逐步从实用向保健、环保、多功能等生态理念发展，各种智能化、功能化的纺织品得到广泛的关注和发展。 本文介绍了防水透湿织物的基本类型及其发展前景；指出了热塑性聚氨酯（ Polytetrafluoroethylene， TPU）防水透湿膜的透湿机理及加工工艺。通过对
2、热塑性聚氨酯（ TPU）薄膜的结构及性能的探讨，阐明热塑性聚氨酯层压织物防水透湿原理是“吸附一扩散一解吸”的过程，并对热塑性聚氨酯层压织物的防水、透湿性能进行测试，明确影响织物防水透湿性能因素，分析膜的 结构与层压织物防水透湿性能之间的关系；通过热塑性聚氨酯薄膜层压复合织物加工工艺过程，阐明层压织物与膜的粘合理论。经过分析，表明粘合剂与粘合温度对粘合效果的影响，从而优化对加工工艺过程中粘合剂、粘合温度的选择。通过添加抗菌剂使织物具有抗菌效果，并对抗菌效果及抗菌处理后的防水透湿性能进行测试，调整到最优方案。最后，对热塑性聚氨酯薄膜抗菌层压织物进行展望，由于该织物的优良性能，在防水透湿阻燃、防化服
3、等方面的开发前景广阔。未来 TPU 防水透湿层压织物研究开发的重点是降低成本 ,并朝着使织物更加轻便、舒适、多功能化的方 向发展。 关键词： 抗菌剂；层压织物； TPU 膜；防水透湿 II Study on waterproof &breathable of laminated composite fabric with antibacterial Abstract： With the scientific and technological development,social process and improved livingstandards,peoples quality of l
4、ife become increasingly demanding.The basic functiong of textiles changes from against cold tobeauty 、 comfort 、 fashion and protectiong,people consumption concept also gradually changes from the practical to health,environmental protection,and ecological developmeng,all,the function of textiles hav
5、e widespread concern and development.This article describes the basic types and their development prospects of waterproof$breathable fabric ,and pointed that the permeability mechanism with waterproof & breathable property of thermoplastic polyurethane and processing technology.Through the discuss o
6、f the structure and performance of polyurethane(TPU)film,clarify thermoplastic polyurethane waterproof&breathable fabric laminated principle is “absorption and desorption adiffusion”process,and test the waterproof & breathable performance to thermoplastic polyurethane laminated fabrics,clear the fac
7、tors of the performance with waterproof&breathable,analysis the relationship between the structure of membrane and the properties of laminated with waterproof&breathable.Through the processing process of thermoplastic polyurethane film laminated composite fabrics ,clarify laminated fabric and membra
8、neadhesive theory.After analysis,show adhesives andagglutinate theinfluence of temperature on the adhension of machining process,thus optimization process of adhesives,bonding temperature choice.The fabric can be anti-bacterial effect by adding the antimicrobial agent,then the antibacterial effects
9、and the perfornabce of waterproof & breathable after antibacterial treatment should be tested.It can be adjusted to the optimal solution .Finally,there will be the outlook of the thermoplastic polyurethane laminated fabric with antibacterial property.Because of the excellent performance of fabric,th
10、ere will be wide used in flame retardant or anti-chemical clothing with the waterproof & breathable. The focus of the research and development on TPU laminated fabric with waterproof & breathable in the future is lower the price ,and towards to make the fabric more comfortable and multi-oriented dir
11、ection. Keywords: antibacterial； laminated fabric； TPU membrance； waterproof and breathable III 目 录 1 绪 论 .1 1 1 防水透湿织物的基本类型及发展现状 . 1 1 1 1 防水透湿织物的基本类型 . 1 1 1 2 防水透湿织物的发展现状 . 3 1 2 抗菌织物的基本类型及发展前景 . 5 1 2 1 抗菌剂的基本类型 . 5 1 2 2 抗菌织物的发展前景 . 5 1 3 抗菌剂对层压复合织物防水透湿性能影响的开发利用 . 6 2 银离子抗菌剂的抗菌机制及特性 .8 2 1 银离子抗
12、菌剂的抗菌机制 . 8 2 2 银离子抗菌剂的特性 . 8 3热塑性聚氨酯膜及其层压织物的防水透湿机理及加工工艺 . 10 3 1 聚氨酯的结构及性能 . 10 3 2 防水透湿织物防水透湿机理 . 10 3 2 1 TPU薄膜复合织物的防水机理 . 10 3 2 2 TPU薄膜复合织物的透湿机理 . 11 3 3 热熔粘合机理 . 13 3 3 1 机械结合理论 . 13 3 3 2 吸附理论 . 14 3 3 3 扩散理论 . 14 3 3 4 化学键结合理论 . 15 3 4 薄膜与织物的粘合加工工艺 . 15 3 4 1 粘合温度的选取 . 16 3 4 2 涂敷量与车速的关系 . 1
13、6 3 4 3 固化率与湿度的关系 . 17 3 4 4 固化率与温度的关系 . 18 3 4 5 固化率与时间的关系 . 19 3 5 优化工艺方案 . 20 4 实验与讨论 . 21 4 1 实验部分 . 21 4 1 1 TPU膜 层压织物透湿性实验部分 . 21 4 1 2 TPU膜层压织物防水性实验 . 21 4 1 3 TPU膜层压织物剥离强度实验 . 22 4 1 4 TPU膜层压织物抗菌性能实验 . 22 4 1 4 1 形成 TPU膜层压织物抗菌材料试验 . 23 4 1 4 2 TPU膜层压织物抗菌性能测试试验 . 23 4 2 实验结果讨论与分析 . 25 4 2 1 T
14、PU膜及其复合织物的防水透湿性能 . 25 4 2 2 复合织物结构（厚度）对其防水透湿性能的影响 . 26 IV 4 2 3 温、湿度对复合织物防水透湿性能的影响 . 27 4 2 4 层压织物抗菌效果测试 . 28 4 2 5 经过抗菌处理后的 TPU膜复合织物的性能 . 30 4 3 层压织物实现防水透湿功能的必要条件 . 31 5 总结与展望 . 32 6 参考文献 . 34 7 致 谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪 论 随着科技的发展、社会考虑的进步及生活水平的提高，人们对生活质量的要求越来越高。纺织品的基本功能已经从遮体御寒延伸到美观、舒适、时尚、保护等功能逐步上升，人们的
15、消费理念也逐步从实用向保健、环保、多功能等生态理念发展，各种智能化、功能化的纺织品得到广泛的关注和发展。纺织纤维和面料的开发呈现了与以往不尽相同的态势，应用新型纤维的纺织面料已经成为时尚产品，多种功能交织的面料占有越来越重要 的地位。 1防水透湿织物就是人们一直追求的时尚、舒适型的纺织品。一般纺织品（如机织物、针织物、非织造物）制成后，织物在防水、透湿、透气等方面的物理性能往往达不到要求。 而目前病菌肆虐全球，健康的生存环境日益成为人类追求的目标之一。 2因而 ， 危 害人类健康的环境微生物也引起了人们的重视，抗菌也成为了人们选择的一项依据，也提出了相当高的要求。 如果为了获得织物抗菌的性能而
16、牺牲织物的防水透湿性能，这是得不偿失的 。因此， 作为一种高技术，将抗菌剂作用用层压复合织物，从而研究其防水透湿性能是否有影响，这是非常必要的。 防 水透湿织物是指水在一定压力下不浸入织物 ,而人体散发的汗液却能以水蒸气的形式通过织物传导到外界的一种功能性织物。 透水材料就是允许气体和液体通过的传统纺织品。这些材料，当被使用于阻隔车厢和修饰，能增强防护能力。 3处理的例子包括表面张拉技术，芯吸速率，静电表面处理。 用防水透湿织物制作的服装能满足寒冷、雨雪、大风等恶劣天气中的穿着需要 ,且在较大劳动强度下也能排汗透湿 ,穿着舒适 ,还能在化学、有毒及传染环境中起到隔绝、过滤和透湿作用 。 防水透
17、湿纺织品从字面上讲具体有两个方面的功能，既具有防水的功能又同时具有排汗、透气 、透湿的功能。具体含义可概括为：纺织品防水性能是指该织物具有阻止外部环境的雨水和雪水从外渗透到织物内部的能力；纺织品透湿性能是指该织物具有把人体散发的汗液以水蒸气的形式通过织物，向周围环境散逸的能力。因此，外部的雨水和雪水不能渗透到织物内，而内部的汗液又能通过服装面料迅速传递蒸发到外部，从而使人体与服装间的微小气候得到调节，保持穿着者干爽和温暖 。 近年来，防水透湿薄膜一直是市场上畅销的产品。目前，世界上有两种比较具有代表性的防水透湿薄膜，一种是以 Gore-Tex为代表的微孔聚四氟乙烯薄膜，一种是以热塑性聚氨 酯
18、(Estane TPU)为代表的无孔分子薄膜。 1 1 防水透湿织物的基本类型及发展现状 1 1 1 防水透湿织物的基本类型 世界市场尤其是欧美和日本等发达国家对防水透湿织物的需求逐年增加，试用于不同用途、基于不同原理、利用不同材料和加工方法的新产品不断问世。这些产品可按织物用途、织物性能、防水透湿原理和织物加工方法进行分类。 （一）按织物性能分 2 对于不同用途的防水透湿织物，必须选择相应防水透湿性能的织物，这点非常重要。按织物防水透湿性能的不同可分为以下几类： （ 1） 挡风保暖织物：其涂层或薄膜很薄， 织物表面未经拒水整理，其服装接缝处无热熔胶带密封。 （ 2）部分防水透湿织物：具有一定
19、防水功能，长时间在雨中会漏水。其涂层或薄膜厚度中等，织物表面经拒水整理，其服装接缝处无热熔胶带密封。 （ 3）防水透湿织物：任何雨雪环境，不会漏水。其涂层或薄膜很厚，织物表面经拒水整理，服装接缝处有热熔胶带密封。 （ 4）超级防水透湿织物：浸在水中不会漏水。其涂层或薄膜很厚，织物表面经拒水整理，服装接缝处有热熔胶带密封。 （二）按织物用途分 （ 1） 军用服装 :冬季军服、核生化防护服、作战服、飞行员服、特种兵服、舰艇防寒服等。 （ 2） 运动服装 :滑雪服、登山服、高尔夫球服、打猎服、跑步服、自行车手服、摩托车手服、水上运动服等。 （ 3） 休闲服装 :风衣、夹克、雨衣等。 （ 4） 工作服
20、装 :警服、消防服、野外防护服、医用防护服、工业防护服、极地保护服、水手服、宇航服、无尘工作服、手术服、特种医用服装等。 （ 5） 其他 :手套、登山鞋、袜子、帐篷、睡袋、医用床单等。 （三）按织物透湿原理分 按防水透湿原理或阻止液态水渗透和水蒸气传输的机理，目前已有的防水透湿织物基本上可以分为以下三种类型：高密度织物、微孔薄膜层压和涂层织物；无孔薄膜（亲水薄膜 ）层压和涂层织物；双组分（微孔和无孔复合）薄膜层压和涂层织物 4。 （ 1）高密度、微孔薄膜层压织物和涂层织物：在成膜时所形成的薄膜上有无数微孔并形成通道，这些微孔的直径一般在 0.2 5m，仅是水滴直径的 1/ 5000 1/ 20
21、000 ，但是水蒸气分子直径（ 0.0003 0.0004m）的 700倍， 5因此最小的雨滴也不能通过，而水蒸气分子却可以通过，加上织物以及薄膜本身的疏水性，从而使得织物具有防水透湿的功能。 （ 2）无孔薄膜层压和涂层织物：在成膜时所形成的薄膜表面无孔，所以防水；但由于薄膜上含有 亲水性基团 ,且排列合适 ,可以与水分子作用 ,借助氢键和其它分子间力 ,在高湿度、高温度一侧吸附水分子 ,通过高分子链上的亲水基团传递到低湿度、低温度的一侧解吸 ,因此具有透湿性能。 （ 3）双组分薄膜层压和涂层织物：双组分薄膜层压和涂层织物防水透湿原理主要视薄膜的组成而有所区别。如果无孔薄膜本身亲水再涂覆亲水层
22、构成双组分薄膜，则其防水性优于无孔薄膜，但透湿性不如无孔薄膜；因为无孔薄膜能够本身拒水，例如 亲水热塑性聚氨酯无孔薄膜的一面涂覆聚四氟乙烯，组成双组分薄膜，则其透湿性不如无孔薄膜，但防水性变化不大。 （四）按加工 方法分 3 从加工方法看，防水透湿织物可以分为高密度织物、涂层织物和层压织物三中类型，这也是目前最常用的分类方法 5。 （ 1）高密度织物：采用细棉纤维（长绒棉）或超细合成纤维长丝织成高密织物，使这类织物纱线间隙小到不允许水滴通过。当低特（高支）纯棉纱遇水膨胀，会使纱线间隙变得更小，从而使织物具有防水透湿功能。对涤纶超细纤维长丝原理，通常结合高收缩工艺制成表面类似荷叶的凹凸结构。表面
23、若经过拒水整理，则能进一步提高织物的防水效果。 这类织物的特点是具有优良的透湿性、悬垂性和较好的手感，但防水性能差，其耐水压值一般不超过 1m，织物的撕破强力低，耐折边摩擦性也较差。由于织物密度相当大，纺纱必须采用特殊工艺处理，织布时断头多，次品率高，一般染整加工较困难。 （ 2）涂层织物 :通过采用干法或湿法涂层工艺技术 ,使织物表面孔隙为涂层剂所封闭或减小到一定程度 ,从而得到防水性。透湿性则通过涂层时采用特殊的方法形成微孔或涂层剂中的亲水基团的作用来获得。由于这种方法本身的局限 ,一直未能很好地解决透湿与防水、耐洗涤之间的矛盾 ,但由于其价格较低 ,仍占据着低端市场。 （ 3）层压织物
24、:采用特殊的粘合剂 ,使用层压工艺，将具有防水透湿功能的微孔或亲 水性薄膜与普通织物层压复合在一起形成防水透湿织物。薄膜品种包括聚四氟乙烯微孔薄膜、亲水性聚氨酯无孔或微孔层压织物很好地解决了透湿性、防水性、耐洗涤之间的矛盾 ,占据了中高档市场。 6 层压织物不仅性能突出，而且在工艺技术上也具：有选材范围广、设计灵活、污染少等优点。与其它两种加工方法相比较，目前层压织物在防水透湿市场上占有率最高。 1 1 2 防水透湿织物的发展现状 防水透湿织物的发展大致可分为三个阶段：第一阶段从 2O 世纪 4O 年代初开始，即防水透湿织物的起始阶段；第二阶段始于 2O世纪 7O 年代初，即 防水透湿织物取得
25、突破性进展的阶段；第三阶段从 2O 世纪 8O 年代中后期至今，是防水透湿织物全面发展的阶段。 4 最早的防水透湿织物是 20 世纪 40 年代初由英国 Shirley 锡莱研究所设计的著名文泰尔(Ventel) 防雨布 7， 它的出现标志着防水透湿织物正式走向市场。这是一种细号低捻度纯棉纱高密织物。 这种线密度小、捻度低的纯棉高密织物，防水性不足。 20世纪 50年代至 70年代，采用聚氯乙烯 PVC、聚氨酯 PU等涂层剂生产涂层防水透湿织物，织物的防水性很好，但不透湿。 70年代 细特疏水的聚酯或尼龙长丝超高密 织物得到发展，其防水、防风性能要优于传统 (Ventile)高密防水透湿织物。
26、 自 1985年 10月，美国军队设立了专门的 Extended Cold Weather Clothing System（ ECWCS）项目，即扩展冬季军服系统。将轻便的防水透湿织物定为扩展冬季军用服装，以逐步取代现行军用棉衣。 从 2000 年起，美军设立了第二代扩展冬季军服系统。对防水透湿织物的防水、透湿、耐用、低温柔软性、抗污染性等指标提出了更高的要求。如防水性能从 240 kPa 提高到 276 kPa（牧林法）、透湿性能从 400 g/ 24 h 提高到 600 g / 24 h（美国标准测试法 ASTME 1996 Procedure B4 正相杯法）、耐用性能从 5 次洗涤循环
27、提高到 20次、低温柔软性从 - 32 提高到 - 40 、抗污染性能从人造汗液提高到包括驱虫剂、机油、柴油、武器油、飞机油等。此类防水透湿服装的重量只有现行冬季军服的 50% 左右，而使用温度范围却大大增加，可从 -50 20 8。 军用防水透湿服装正向减少服装种类，达到多军种共用的目标发展，为此，研究的重点趋向于使防水透湿织物更加轻便、舒适、多功能化。 另一方面，防水透湿服装也在向个性化、最优化方向发展，例如，对于防水（ 液）等要求高的各类军用、防护服等，主要采用层压织物或涂层织物；对于舒适要求高（手感、透湿）的普通服装，主要采用高密织物；对于防风为主的服装，织物的耐水压要求可以低些。总之
28、，可在满足服用者性能要求的基础上，灵活选用、设计防水透湿织物的种类与性能，降低成本。 近年来，防水透湿薄膜一直是市场上畅销的产品。目前，世界上有两种比较具有代表性的防水透湿薄膜，一种是以 Gore-Tex为代表的微孔聚四氟乙烯薄膜，一种是以热塑性聚氨酯 (Estane TPU)为代表的无孔分子薄膜。 Gore一 Tex织物是最早应用层压法制取的织物，第一批产品于 1 976年问世。标准产品的关键部分由具有微孔的 PTFE膜组成，孔的大小平均仅仅十万分之一平方米大小，以至于水不能通过，但水蒸气能通过。这意味着该类织物除了防水、防风外，还可应用于在好天气情况下穿着。 Gore-Tex织物为服装提供
29、了一个理想的性能，但由于此种薄膜使用的 PTFE价值偏高，而且不耐洗，微孔薄膜的表面积又大，是一个热力学不稳定体系，很容易吸附灰尘，沾污或堵塞薄膜微孔，从而降低薄膜的透湿性 9。 美国 BF Goodrich公司开发出的 Estane系列的 TPU制成的薄膜，不仅具有 TPU的耐磨、柔韧性好以及高弹特性，而且透湿性能特别优异。水气在分子薄膜上的渗透过程可称为“主动扩散”过程，渗透物附着在高浓度的一边，利用存在的压力差扩散渗透到薄膜的另一边。由于制得的薄膜几乎完全无孔，弥补了 PTFE微孔薄膜的缺点，目前在市场上发展很迅速。也正是由于分子薄膜没有微孔 ， 外界的物质甚至如病毒也无法通过。高透湿性
30、的 Estane热塑性聚氨酯技术可以生产出优质的分子透湿薄膜 10。 国外在这方面已作了大量工作，而且还在不断开发新的应用 领域。而国内防水透湿织物的研究比较晚，远没有跟上国际水平 11。经 过多年的努力 ,我国的防水透湿织物取得了长足的发展 ， 尤其是最具有潜力的 TPU层压织物 ， 虽然与国外同型产品相比还有一定差距 ， 但我国在这一纺织高新领域还是很有发展潜力的。 展望未来，防水透湿织物性能提高与产品开发的研究将主要从三个方面展开：一是随着高分子材料的发展，采用新型的互穿网络聚合物、离子型聚合物、高度支化聚合物、枝状聚合物（ Dentrimer）等材料研制各种类型的含有化学微孔的防水透湿
31、薄膜。二是随着加工设备的不断更新，研究从物理形态方面提 高防水透湿织物的性能，如开孔率更高、孔隙更均匀、厚度更薄的防水透湿薄膜以及这些薄膜复合组成的各种功能的双组分、多组分薄膜；各种不同结构、细度、性能的纱线织成的不同组织、表面形态的高密防水透湿织物。三是结合防水透湿织物的特性，研制5 各类特种或功能防水透湿织物。 4如对于热塑性聚氨酯薄膜层压复合织物，由于 TPU材料具有极优异的耐化学腐蚀性、低表面能、阻燃性能，加上薄膜的无孔结构又使其更具有优越的防水（液）透湿性，可作为防护有毒化学物质和其他恶劣环境的理想材料，因此最适合防水透湿阻燃、防生化和防毒等复合织物的开发 ；而各种功能性聚氨酯的开发
32、及其在纺织上的应用，对改善织物舒适性、克服环境污染等具有重要的意义。 由于防水透湿织物的测试标准各国并不一致，因此，这方面的研究工作也应加快。 1 2 抗菌织物的基本类型及发展前景 抗菌纤维及织物是指对细菌、真菌及病毒等微生物有杀灭或抑制作用的纤维或织物，其目的不仅是为了防止纺织品被微生物沾污而损伤，更重要的是为了防止传染疾病，保证人体的健康和穿着舒适，降低公共环境的交叉感染率，使纺织品获得卫生保健的新功能。 12抗菌材料是具有杀菌、抑菌性能的新型功能材料，它是通过加入的抗菌剂 而起作用的。 目前，抗菌剂的应用领域越来越广泛，如日常的服装、家用电器、卫生陶瓷制品、食品包装以及建筑用的钢板、涂料
33、等。其中纤维织物是抗菌剂应用最广的领域之一。 1 2 1 抗菌剂的基本类型 目前使用的抗菌剂大体可分为无机、有机和天然抗菌剂三大类。 13 (1)无机抗菌通过将无机抗菌成分与载体结合而制得 , 所采用的抗菌成分主要有银、铜、锌及其化合物，尤其以纳米级或亚微米级的银及其化合物用得最多。根据载体材料的种类不同，无机系抗菌剂又可分为沸石抗菌剂、磷酸复盐抗菌剂、澎润土抗菌剂、可溶性玻璃抗菌剂、托勃莫来石抗菌剂和硅胶抗菌剂。 14 (2)有机系抗菌剂分为化学合成抗菌成分和天然抗菌成分两类。化学合成抗菌剂的主要抗菌成分为有机金属化合物，如碘络合物，醇、酚、醛、酯及醚类化合物，咪唑系及噻唑系杂环化合物，季胺
34、盐系及双胍类有机含氮化合物等。天然抗菌剂的主要抗菌成分目前主要有脱乙酰壳多糖、扁柏硫醇，甲壳质的盐酸盐，茴香油等。 15 有机抗菌剂仍在抗菌产品中占主导地位 , 其优点是杀菌力强 ,即效好 ， 种类多 ， 缺点是毒性大 ，耐热性较差 ， 易迁移、可能产生微生物耐药性等。近年来无机抗菌剂和天然抗菌剂受到重视 ， 并有大量产品进 入市场 ， 而有机抗菌剂的研究开发差不多处于停顿状态 ， 市场需求下降。 16 1 2 2 抗菌织物的发展前景 人类最早使用抗菌纤维和织物的历史可以追溯到古埃及，大约 4000年前埃及人就采用植物浸渍液处理裹尸布，保存木乃伊。 现代抗菌纤维的研究以 1935年 Domag报告为标志，当时 Domag报告了用季铵盐处理后的服装具有抗菌的功能。二战期间，德军用季铵盐处理军服，大大降低了伤员的感染率； 1955-1965年间，名为“ Sanilized”的抗菌纺织品上市； 1966-1976年间，含锡、铜、锌、汞的有机金属化合物和醌类含硫化合物用来作为织物的抗菌整理剂；日本从 1955年开始研究具有抗菌防臭功能的抗菌纤
