複合防水厚聚醚TPU膜在戶外服裝中的防護性能研究 一、引言 隨著戶外運動的興起和人們對功能性服裝需求的不斷提升，高性能麵料的研發成為紡織科技的重要方向。其中，複合防水厚聚醚TPU（Thermoplastic P...
複合防水厚聚醚TPU膜在戶外服裝中的防護性能研究
一、引言
隨著戶外運動的興起和人們對功能性服裝需求的不斷提升，高性能麵料的研發成為紡織科技的重要方向。其中，複合防水厚聚醚TPU（Thermoplastic Polyurethane）膜因其優異的防水性、透氣性和耐候性，被廣泛應用於高端戶外服裝中。TPU是一種熱塑性聚氨酯材料，具有良好的彈性和耐磨性，而聚醚型TPU則在低溫下仍能保持柔韌性，適用於極端氣候條件下的服裝防護。
本文旨在係統分析複合防水厚聚醚TPU膜在戶外服裝中的應用及其防護性能，涵蓋其物理化學特性、結構組成、生產工藝、性能測試方法、實際應用案例以及國內外相關研究進展。文章將結合具體產品參數與實驗數據，輔以圖表說明，並引用國內外權威文獻資料，力求全麵展示該材料在現代戶外裝備中的技術優勢與發展趨勢。
二、TPU材料的基本特性與分類
2.1 TPU的基本性質
TPU是由多元醇、二異氰酸酯和擴鏈劑反應而成的線性高分子材料，具有優良的彈性、耐磨性、耐油性和生物相容性。根據軟段的不同，TPU可分為聚酯型和聚醚型兩大類：
| 類型 | 特點 | 適用環境 |
|---|---|---|
| 聚酯型TPU | 耐磨性好、機械強度高 | 幹燥或常溫環境 |
| 聚醚型TPU | 耐水解、耐低溫性能優異 | 潮濕、寒冷或極端氣候 |
聚醚型TPU由於其優異的耐水解性能，在戶外服裝領域尤為受歡迎，尤其是在防水層的應用中表現突出。
2.2 厚聚醚TPU膜的定義與特點
厚聚醚TPU膜是指厚度一般大於0.1mm的聚醚型TPU薄膜，通常用於複合結構中作為防水透氣層。其主要特點包括：
- 高拉伸強度與回彈性
- 良好的低溫柔韌性
- 優異的防水性與透濕性
- 耐化學腐蝕與抗紫外線能力
這些特性使其成為戶外衝鋒衣、登山服、滑雪服等專業服裝的理想材料。
三、複合防水厚聚醚TPU膜的結構與製備工藝
3.1 複合結構設計
複合防水膜通常由多層材料構成，常見的結構如下：
| 層次 | 材料 | 功能 |
|---|---|---|
| 表層 | 尼龍/滌綸織物 | 抗撕裂、防風、外觀美觀 |
| 中間層 | 厚聚醚TPU膜 | 防水、透濕、阻隔風雨 |
| 內層 | 微孔膜或吸濕排汗麵料 | 提升舒適性、調節體感溫度 |
這種三層複合結構不僅增強了服裝的防護性能，還兼顧了穿著舒適性。
3.2 製備工藝流程
厚聚醚TPU膜的生產通常采用流延法或吹膜法，具體流程如下：
- 原料準備：選擇合適比例的聚醚多元醇、MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）等原料；
- 預混與反應：通過雙螺杆擠出機進行熔融共混；
- 成膜工藝：采用流延成型或吹膜成型方式形成均勻膜材；
- 冷卻定型：控製冷卻速度以確保膜材尺寸穩定性；
- 複合加工：將TPU膜與織物進行熱壓貼合或膠粘複合。
不同工藝對膜材的性能有顯著影響，例如流延法可獲得更薄且均勻的膜，而吹膜法則適合製造較厚、高強度的防水膜。
四、複合防水厚聚醚TPU膜的主要性能指標
為了評估複合防水厚聚醚TPU膜在戶外服裝中的實用性，需從多個維度進行性能測試。以下為常見測試項目及標準值範圍：
| 測試項目 | 測試標準 | 性能要求（典型值） |
|---|---|---|
| 防水等級（靜水壓） | GB/T 4744-2013 / ISO 811 | ≥5000 mmH₂O |
| 透濕率 | GB/T 12704.1-2009 / JIS L 1099 B1 | ≥5000 g/m²·24h |
| 撕裂強度 | ASTM D624 | ≥60 N/mm |
| 拉伸強度 | ASTM D429 | ≥30 MPa |
| 耐低溫性能 | GB/T 5293-2008 | -30℃無脆化 |
| 紫外線老化試驗 | ISO 4892-3 | 500小時後保持90%以上性能 |
| 耐洗性 | AATCC 61-2013 | 經過50次洗滌後防水性能不變 |
注：上述數值為行業普遍認可的優質TPU膜標準，具體產品會因配方與工藝略有差異。
五、複合防水厚聚醚TPU膜在戶外服裝中的應用實例
5.1 戶外衝鋒衣的應用
衝鋒衣是戶外活動中重要的防護裝備之一，對防風、防水、透氣性要求極高。厚聚醚TPU膜作為核心防水層，能夠有效阻擋雨水滲透，同時允許汗氣排出，從而維持穿著者的幹爽狀態。
以某品牌衝鋒衣為例，其采用三層複合結構，中間層為厚度為0.15mm的聚醚TPU膜，其性能參數如下：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 靜水壓 | 10,000 mmH₂O |
| 透濕率 | 6500 g/m²·24h |
| 撕裂強度 | 70 N/mm |
| 拉伸強度 | 35 MPa |
| 耐低溫 | -35℃仍柔軟 |
5.2 登山服與滑雪服的應用
登山服和滑雪服通常需要麵對更低的氣溫與更強的風力，因此對材料的耐寒性與抗撕裂性提出了更高要求。厚聚醚TPU膜在此類服裝中不僅提供防水功能，還能增強整體麵料的耐用性。
某知名品牌的滑雪服采用四層複合結構，其中TPU膜厚度為0.2mm，具備以下特點：
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 防水等級 | 20,000 mmH₂O |
| 透濕率 | 8000 g/m²·24h |
| 耐寒性 | -40℃不硬化 |
| 抗UV性能 | 1000小時老化後保留95%性能 |
六、國內外關於厚聚醚TPU膜的研究現狀
6.1 國內研究進展
近年來，國內多家高校和科研機構在TPU材料改性、複合工藝優化等方麵取得顯著成果。例如：
- 東華大學在《高分子材料科學與工程》期刊上發表研究表明，通過引入納米二氧化矽可以顯著提高TPU膜的耐磨性與耐候性[1]。
- 中國紡織工業聯合會發布的《功能性紡織品發展報告》指出，厚聚醚TPU膜已成為國產戶外服裝防水層的主流選擇之一[2]。
6.2 國際研究動態
國外對TPU材料的研究起步較早，尤其在環保型TPU和高性能複合膜方麵取得了較多突破：
- 德國BASF公司研發的Elastollan®係列聚醚TPU已廣泛應用於Gore-Tex等國際知名品牌中[3]。
- 美國杜邦公司在其專利US 20180015481A1中提出一種新型TPU複合膜，可在極端環境下保持穩定性能[4]。
- 日本旭化成株式會社開發的“Thermolast K”係列TPU材料，以其優異的低溫柔韌性和環保性能受到市場青睞[5]。
七、複合防水厚聚醚TPU膜的性能測試與評價方法
7.1 防水性能測試
防水性能主要通過靜水壓測試來評估，測試原理是在一定時間內施加逐漸增大的水壓，觀察水是否穿透材料。
| 測試標準 | 方法描述 |
|---|---|
| GB/T 4744-2013 | 在試樣上逐步增加水壓，記錄滲水前的大壓力值 |
| ISO 811 | 同上，國際通用標準 |
7.2 透濕性能測試
透濕性能反映材料對水蒸氣的透過能力，常用杯式法測定。
| 標準 | 方法 |
|---|---|
| GB/T 12704.1-2009 | 將試樣封於裝有幹燥劑的容器口，測量單位時間內的重量變化 |
| JIS L 1099 B1 | 日本標準，操作類似，結果表達方式略有不同 |
7.3 力學性能測試
力學性能包括拉伸強度、撕裂強度等，反映材料在使用過程中的耐久性。
| 測試項目 | 測試標準 |
|---|---|
| 拉伸強度 | ASTM D429 |
| 撕裂強度 | ASTM D624 |
7.4 耐候性與老化測試
耐候性測試主要包括紫外老化、低溫脆化等，模擬戶外環境對材料的影響。
| 項目 | 測試方法 |
|---|---|
| UV老化 | ISO 4892-3，氙燈照射500小時 |
| 低溫脆化 | GB/T 5293-2008，低溫箱中冷凍後彎曲觀察 |
八、複合防水厚聚醚TPU膜的優劣勢分析
8.1 優勢
- 卓越的防水性能：可承受高水壓，防止雨水滲透；
- 良好透氣性：有助於排出體內濕氣，提升舒適度；
- 耐低溫性能強：適合極寒環境穿著；
- 環保潛力大：部分TPU材料可回收再利用；
- 與多種織物兼容性強：便於複合加工，適應多樣化服裝設計。
8.2 劣勢
- 成本較高：相比傳統塗層材料，TPU膜價格偏高；
- 易受溶劑侵蝕：長期接觸某些有機溶劑可能影響性能；
- 複合工藝複雜：對設備和技術要求較高，生產難度較大；
- 部分產品存在透濕不均問題：需通過結構優化解決。
九、未來發展趨勢與挑戰
9.1 新型TPU材料的研發
未來TPU材料的發展方向包括：
- 環保型TPU：減少VOC排放，實現綠色製造；
- 多功能複合膜：集成抗菌、防靜電、紅外反射等功能；
- 智能響應型TPU：根據溫濕度變化自動調節透氣性。
9.2 工藝改進與成本控製
通過優化聚合工藝、降低能耗、提高自動化水平，進一步降低成本，使厚聚醚TPU膜在大眾市場更具競爭力。
9.3 國際標準化與認證體係建設
推動建立統一的TPU膜性能評價體係，加強與ISO、ASTM等國際標準組織的合作，提升我國產品的國際影響力。
十、結論（略）
參考文獻
- 東華大學，《聚醚TPU改性研究進展》，《高分子材料科學與工程》，2020年第36卷第5期
- 中國紡織工業聯合會，《功能性紡織品發展白皮書》，2021年
- BASF SE, "Elastollan Product Overview", 2022
- DuPont, "Composite Membrane with Improved Weather Resistance", US Patent No. US 20180015481A1
- Asahi Kasei Corporation, "Thermolast K: High-performance Thermoplastic Elastomers", Technical Brochure, 2023
- GB/T 4744-2013, 紡織品 防水性能的檢測和評價 靜水壓法
- ISO 811:2018, Textiles — Determination of resistance to water penetration — Hydrostatic pressure test
- GB/T 12704.1-2009, 紡織品 透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法
- ASTM D429-03, Standard Test Methods for Rubber Properties in Tension
- ISO 4892-3:2016, Plastics — Methods of exposure to laboratory light sources — Part 3: Fluorescent UV lamps
如需獲取文中提及的具體產品參數或實驗數據源文件，請聯係相關企業或查閱原始文獻。
