TPU透氣膜與天然纖維基布複合後濕熱傳遞特性研究 一、引言 隨著人們對功能性紡織品需求的日益增長，具備良好透濕性和保暖性的複合材料逐漸成為研究熱點。熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TP...
TPU透氣膜與天然纖維基布複合後濕熱傳遞特性研究
一、引言
隨著人們對功能性紡織品需求的日益增長，具備良好透濕性和保暖性的複合材料逐漸成為研究熱點。熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）因其優異的彈性和良好的水汽透過性能，在戶外運動服裝、醫療防護服及智能可穿戴設備中得到了廣泛應用。然而，TPU薄膜本身存在一定的剛性和不透氣性缺陷，因此常通過與天然纖維基布複合來改善其綜合性能。
天然纖維如棉、麻、羊毛等具有良好的吸濕性、透氣性和舒適性，但其在極端環境下的耐用性和防水性較差。將TPU薄膜與天然纖維基布進行複合，不僅可以彌補單一材料的不足，還能實現材料間的協同效應，從而提升整體的濕熱傳遞性能。近年來，國內外學者圍繞這一複合體係開展了大量研究，涉及材料結構設計、界麵結合機製、濕熱傳遞模型等多個方麵。
本文旨在係統梳理TPU透氣膜與天然纖維基布複合後的濕熱傳遞特性，分析其影響因素，並引用國內外權威研究成果，為相關領域的研發提供理論支持和實踐指導。
二、TPU透氣膜與天然纖維基布的基本特性
2.1 TPU透氣膜概述
TPU是一種由多元醇、二異氰酸酯和擴鏈劑反應生成的線性高分子材料，具有優異的耐磨性、柔韌性和生物相容性。根據軟段結構的不同，TPU可分為聚酯型、聚醚型和聚碳酸酯型三類，其中以聚醚型TPU在濕熱環境下表現更為穩定。
| 性能指標 | 聚酯型TPU | 聚醚型TPU | 聚碳酸酯型TPU |
|---|---|---|---|
| 拉伸強度 (MPa) | 30~60 | 25~50 | 35~65 |
| 斷裂伸長率 (%) | 300~800 | 400~900 | 400~800 |
| 水蒸氣透過率 (g/m²·24h) | 500~1500 | 1000~3000 | 800~2000 |
| 耐低溫性 | 中等 | 好 | 好 |
| 耐水解性 | 差 | 好 | 極好 |
TPU透氣膜的水蒸氣透過能力主要依賴於其微孔結構和親水性基團的存在。通過調節配方和成膜工藝，可以實現不同透濕等級的控製。
2.2 天然纖維基布的物理化學特性
天然纖維主要包括植物纖維（如棉、麻）、動物纖維（如羊毛、蠶絲）和礦物纖維（如石棉，已較少使用）。以下為常見天然纖維的主要性能對比：
| 纖維類型 | 吸濕率 (%) | 密度 (g/cm³) | 導熱係數 (W/m·K) | 透氣性 (mm/s) | 抗拉強度 (MPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| 棉 | 8.5 | 1.54 | 0.07 | 120 | 300 |
| 亞麻 | 12.0 | 1.50 | 0.06 | 150 | 550 |
| 羊毛 | 16.0 | 1.31 | 0.04 | 80 | 150 |
| 蠶絲 | 11.0 | 1.34 | 0.04 | 100 | 450 |
從表中可見，天然纖維普遍具有較高的吸濕性和較低的導熱係數，有利於人體汗液蒸發和熱量調控。然而，其在濕態下的機械性能下降明顯，且易受微生物侵蝕。
三、TPU/天然纖維複合材料的製備方法
3.1 複合工藝分類
目前常見的TPU與天然纖維複合工藝包括層壓法、塗層法、共混紡絲法和靜電紡絲法等。
| 方法 | 工藝原理 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|
| 層壓法 | 將TPU膜與織物通過熱壓或粘合劑結合 | 工藝簡單，生產效率高 | 界麵結合力弱，易分層 |
| 塗層法 | 在織物表麵塗覆TPU溶液並幹燥固化 | 可精確控製厚度和分布 | 易堵塞纖維孔隙，影響透氣性 |
| 共混紡絲法 | 將TPU與天然纖維混合紡紗 | 結構均勻，手感柔軟 | 成本高，技術難度大 |
| 靜電紡絲法 | 利用高壓電場製備納米級TPU纖維並與織物複合 | 超細纖維結構，透濕性極佳 | 設備昂貴，產量低 |
3.2 界麵改性技術
為了增強TPU與天然纖維之間的界麵結合力，常采用等離子體處理、矽烷偶聯劑處理、紫外光照射等手段。研究表明，經等離子體處理後的棉纖維與TPU複合材料的剝離強度提高了約40%（Zhang et al., 2021）。
四、濕熱傳遞機理與測試方法
4.1 濕熱傳遞的基本機理
濕熱傳遞是指在溫濕度梯度作用下，水分子和熱量通過材料內部的擴散、對流和輻射等方式進行傳輸的過程。對於TPU/天然纖維複合材料而言，其濕熱傳遞機製主要包括以下幾個方麵：
- 水分子在天然纖維中的吸收與擴散；
- 水蒸氣在TPU膜中的溶解與滲透；
- 界麵處的濕熱耦合效應；
- 材料結構對濕熱路徑的影響。
4.2 濕熱傳遞性能的測試方法
國際上常用的濕熱傳遞測試標準包括ASTM E96（水蒸氣透過率測試）、ISO 11092（熱阻與濕阻測試）、GB/T 18132（紡織品透濕量測定）等。以下為幾種典型測試方法及其適用範圍：
| 測試方法 | 標準編號 | 測試對象 | 主要參數 |
|---|---|---|---|
| 杯式法 | ASTM E96 | 織物、複合膜 | 透濕量（g/m²·24h） |
| 平板式法 | ISO 11092 | 服裝材料、防護服 | 熱阻（m²·K/W）、濕阻（Pa·m²/W） |
| 動態氣候模擬法 | GB/T 18132 | 服裝整衣或局部樣本 | 實際穿著條件下的濕熱響應 |
五、TPU/天然纖維複合材料的濕熱傳遞性能研究進展
5.1 影響濕熱傳遞性能的關鍵因素
（1）TPU膜厚度與孔隙結構
研究表明，TPU膜厚度過大會顯著降低透濕率。例如，當膜厚從50 μm增加至200 μm時，透濕率由1500 g/m²·24h降至800 g/m²·24h（Chen et al., 2019）。此外，引入多孔結構（如微孔或納米孔）可有效提高水蒸氣的滲透速率。
（2）天然纖維種類與織物結構
不同種類的天然纖維對濕熱傳遞性能有顯著影響。例如，羊毛因其鱗片結構和中空形態，具有較好的保溫性但透濕性較棉差；而麻纖維則因纖維素結晶度高，透濕性優於棉，但手感偏硬（Li et al., 2020）。
（3）複合方式與界麵結合強度
不同的複合工藝會影響材料的微觀結構和界麵結合強度。例如，采用雙組分塗層法可使TPU與棉纖維形成更緊密的結合，透濕率提高15%，同時保持良好的抗剝離性能（Wang et al., 2022）。
5.2 典型實驗數據與分析
以下為某實驗室對比不同TPU/棉複合樣品的濕熱傳遞性能數據：
| 樣品編號 | TPU類型 | 厚度 (μm) | 透濕率 (g/m²·24h) | 濕阻 (Pa·m²/W) | 熱阻 (m²·K/W) |
|---|---|---|---|---|---|
| S1 | 聚酯型 | 50 | 1200 | 25.4 | 0.09 |
| S2 | 聚酯型 | 100 | 900 | 31.2 | 0.11 |
| S3 | 聚醚型 | 50 | 1800 | 21.5 | 0.08 |
| S4 | 聚醚型 | 100 | 1300 | 28.0 | 0.10 |
| S5 | 微孔聚醚型 | 50 | 2500 | 18.0 | 0.07 |
從上述數據可以看出，TPU類型、厚度及是否具有微孔結構均顯著影響濕熱傳遞性能。其中，微孔聚醚型TPU複合樣品表現出優的透濕性和低的濕阻。
六、應用前景與挑戰
6.1 應用領域
TPU/天然纖維複合材料廣泛應用於以下領域：
- 戶外運動服飾：如衝鋒衣、登山褲，要求兼具防風、防水與透濕功能；
- 醫療防護用品：如手術服、隔離服，需兼顧防護性與舒適性；
- 智能可穿戴設備：用於柔性傳感器、電子皮膚等，要求材料具有良好的透氣性和適形性；
- 家居紡織品：如床墊、枕頭套，要求抗菌、調濕、舒適。
6.2 存在的問題與挑戰
盡管TPU/天然纖維複合材料具有廣闊的應用前景，但仍麵臨以下挑戰：
- 界麵穩定性問題：長期使用過程中可能出現TPU與纖維脫粘現象；
- 耐久性與耐洗性不足：多次洗滌後透濕性能下降；
- 成本較高：特別是采用先進工藝（如靜電紡絲）時；
- 環保問題：部分TPU材料難以降解，存在環境汙染風險。
針對上述問題，未來的研究方向應包括開發新型環保TPU材料、優化複合工藝、提升界麵結合強度及耐久性等。
七、結論（注：此處省略結語）
參考文獻
- Zhang, Y., Li, X., & Wang, J. (2021). Interface modification of TPU/cotton composites for improved moisture permeability. Journal of Applied Polymer Science, 138(15), 50212.
- Chen, L., Zhao, H., & Liu, M. (2019). Effect of TPU film thickness on the moisture transfer properties of textile composites. Textile Research Journal, 89(12), 2345–2356.
- Li, W., Sun, Q., & Gao, F. (2020). Comparative study on the hygrothermal performance of natural fiber-based fabrics. Journal of Thermal Biology, 91, 102653.
- Wang, R., Yang, T., & Zhou, Z. (2022). Coating strategies for enhancing the moisture management of TPU-coated cotton fabrics. Fibers and Polymers, 23(4), 1021–1030.
- ASTM E96/E96M-16. Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. ASTM International.
- ISO 11092:2014. Textiles – Physiological effects – Measurement of thermal and water-vapour resistance under steady-state conditions (sweating guarded-hotplate test).
- GB/T 18132-2016. Clothing – Moisture permeability testing method.
（全文共計約3200字）
