防水透湿膜的制备、性能及其在纺织领域的应用
研究背景
近年来，随着科技的发展和人们对高品质生活的追求，高品质功能性服装受到了人们的广泛关注。科学家在20世纪70年代研制出了第一批防水透湿膜 (Waterproof Breathable Membranes, WBMs)，并通过层压复合的方法将其与纺织材料结合，能够同时保证织物的防水透湿性能和强度。其中，商用防水透湿膜一般分为亲水无孔膜和疏水微孔膜两种。苏州大学刘福娟副教授及其团队在 Materials 期刊上发表题为“Review of Waterproof Breathable Membranes: Preparation, Performance and Applications in the Textile Field”的文章，介绍了两种商用防水透湿膜的防水透湿机理、制备和改性方法，并详细总结了防水透湿膜在纺织领域的最新应用进展和发展前景。
研究过程与结果
防水透湿机理
作者首先分析了亲水性无孔膜和疏水性微孔膜的不同防水透湿机理，其中亲水、疏水的定义如图1所示。通过熔融挤出法制备的亲水无孔膜是一种由亲水聚合物如聚氨酯 (PU)、聚丙烯腈 (PAN)、纤维素等加工而成的连续无孔膜材料。该材料的无孔结构不易吸收灰尘等异物，因此不会出现孔洞堵塞，可保持长时间防潮。但为了获得良好的透气性，织物需要紧贴皮肤并与汗液直接接触，这大大降低了织物的舒适性，限制了亲水无孔膜的应用。疏水微孔膜以疏水聚合物为基本原料，通过相分离、双轴拉伸或静电纺丝等方法制备而成，膜的内部呈不规则的网状/海绵状结构，具有大量细小的微米级连通孔。工艺中使用的聚合物通常有聚四氟乙烯 (PTFE)、聚苯乙烯 (PS)、聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚酰亚胺 (PI)、聚丙烯 (PP) 等。在使用中，疏水微孔膜不需要与人体产生的汗液直接接触，因此膜不会附着在人体皮肤上，有效地保证了人体的舒适性。因此，防水透湿膜的研究主要集中在疏水微孔膜上。
图1. 亲水性、疏水性和超疏水性的示意图。
防水透湿膜的制备和改性方法
随后，作者讨论了防水透湿膜的常用制备和加工方法，主要有熔融挤压、双轴拉伸和静电纺丝，如图2所示。熔融挤压法适应性强、涂层均匀，但制备出的大多数膜透水性差；双轴拉伸法能够制备微孔膜，但其制备工艺复杂、孔径调节困难；目前，静电纺丝技术被认为是制造防水透湿膜最有效的方法，可通过调整工艺参数制备出具有合适纤维形态和孔结构的静电纺丝膜。
图2. 防水透湿膜的制备方法。
为了获得综合性能更好的防水透湿膜，可以采用掺杂改性和后处理两种改性方法。掺杂改性通过掺杂低表面能材料来提高纳米纤维膜的表面疏水性，从而使其获得更好的防水透气性能。低表面能材料通常通过膜后涂覆或聚合物链改性来改善其耐水性和水蒸气渗透性，常见的类型包括含氟聚合物和疏水纳米颗粒。虽然掺杂改性的工艺简单，但仍存在一定的局限性。例如：一些材料不溶于前驱体，不利于进行静电纺丝操作；在提高防水性能等方面效果有限等。在这种情况下，后处理方法尤为重要。目前，防水透湿膜常用的后处理方法包括浸涂、气相沉积和热处理，这些方法可以控制防水透湿膜的孔隙结构，提高其性能。图3具体展现了通过气相沉积法制备的防水透湿膜及其优异性能。
图3. 通过气相沉积制备的防水透湿膜及其性能。
防水透湿膜在纺织领域的应用
近年来，防水透湿膜在纺织行业发展迅速，在户外服装、防护服、伤口敷料、智能服装 (如图4) 等领域显示出良好的应用前景。防水透湿膜在纺织领域的应用一般是与织物复合，通过层压技术形成防水透湿织物来实现的。防水透气织物有三种类型：高密度防水织物、防水涂层成品织物和防水透湿膜复合织物。高密度防水织物采用吸水性亲水性纱或超纤合成纱制成，因其孔径小而能够最大限度地抵抗风雨，但防水性差；防水涂层织物具有优良的耐水性，但透湿性差。而通过层压技术制备的防水透湿膜复合织物具有优异的防水和透湿性能，因此，这种复合面料已被广泛应用于当前市场的防水透湿纺织品。
图4. 防水透湿膜在智能服装的应用。
研究总结
本文全面地综述了防水透湿膜在纺织领域的应用，分析了亲水性无孔膜和疏水性微孔膜的防水透湿机理；同时，比较了三种常用于制备防水透湿膜方法的优缺点，并从优化防水透湿性能的角度介绍了掺杂改性和后处理方法；最后，详细总结了防水透湿膜在纺织领域的最新进展和发展前景，包括日常户外运动服装、特殊防护服、伤口敷料和仿生纺织品。
虽然防水透湿膜所取得的研究成果不容忽视，但仍有许多与能源和健康相关的问题需要解决。例如，常用的防水透湿膜与纺织材料相结合的层压技术仍然存在许多缺陷，如无法控制材料的耐久性、穿着舒适性等。同时，静电纺丝制备的防水透湿膜力学性能差，容易断裂或磨损，严重影响其使用寿命。此外，防水透湿膜大多采用有机溶剂，如N, N-二甲基甲酰胺 (DMF)、四氢呋喃 (THF) 等，会造成环境污染。尽管存在许多挑战，但防水透湿膜在纺织领域的发展仍然展现出巨大的潜力。
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