防水透氣織物的水蒸氣透過率測試方法比較與分析 一、引言 防水透氣織物是一類兼具防水性能與良好透濕能力的功能性紡織品，廣泛應用於戶外運動服裝、醫用防護服、軍用裝備及建築膜材等領域。其核心功能...
防水透氣織物的水蒸氣透過率測試方法比較與分析
一、引言
防水透氣織物是一類兼具防水性能與良好透濕能力的功能性紡織品，廣泛應用於戶外運動服裝、醫用防護服、軍用裝備及建築膜材等領域。其核心功能在於：在防止液態水滲透的同時，允許人體汗液以水蒸氣形式向外擴散，從而維持穿著者的舒適性與幹爽感。衡量此類織物透濕性能的關鍵指標為水蒸氣透過率（Water Vapor Transmission Rate, WVTR），單位通常為g/(m²·24h)。
WVTR的測試方法多樣，不同國家和地區製定了多種標準體係，如中國的GB/T、美國的ASTM、歐洲的ISO以及日本的JIS等。由於測試原理、環境條件和試樣處理方式的差異，同一樣品在不同測試方法下可能獲得顯著不同的結果。因此，係統比較和分析各類WVTR測試方法的適用性、準確性及局限性，對於產品開發、質量控製和國際技術交流具有重要意義。
本文將圍繞國內外主流的水蒸氣透過率測試方法展開深入探討，結合具體測試標準、儀器參數、實驗條件及實測數據，通過表格對比分析各方法的技術特點，並引用國內外權威文獻支持論點，旨在為科研人員與企業技術人員提供全麵的參考依據。
二、水蒸氣透過率的基本概念
2.1 定義與意義
水蒸氣透過率（WVTR）是指在特定溫度、濕度和壓力條件下，單位時間內透過單位麵積材料的水蒸氣質量。其數學表達式如下：
$$
text{WVTR} = frac{Delta m}{A cdot t}
$$
其中：
- $Delta m$：質量變化（g）
- $A$：試樣有效麵積（m²）
- $t$：測試時間（d）
該指標直接反映織物調節人體微氣候的能力。根據《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》（GB/T 12704.1-2009），當WVTR > 1000 g/(m²·24h)時，認為織物具有良好的透濕性能；而低於600 g/(m²·24h)則視為較差。
三、主要測試方法分類
目前國際上常用的WVTR測試方法可分為兩大類：吸濕法（Desiccant Method）與蒸發法（Water Method）。前者基於幹燥劑吸收水汽的原理，後者則利用液態水蒸發形成濕度梯度驅動水蒸氣透過試樣。
| 方法類別 | 原理簡述 | 標準代號 | 適用範圍 |
|---|---|---|---|
| 吸濕法 | 將試樣密封於裝有幹燥劑的透濕杯上，置於恒溫恒濕環境中，測定杯體質量增加 | ASTM E96, GB/T 12704.1, ISO 2528 | 適用於低至中等透濕材料 |
| 蒸發法 | 透濕杯內盛水，試樣覆蓋杯口，測量因水分蒸發導致的質量減少 | ASTM E96, GB/T 12704.2, JIS L 1099 B1/B2 | 更適合高透濕材料，模擬人體出汗狀態 |
四、國內外主要測試標準詳解
4.1 中國國家標準（GB/T）
（1）GB/T 12704.1-2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》
本標準等效采用ISO 2528:2004，適用於各類織物，尤其適合塗層或層壓複合類防水透氣材料。
| 測試條件參數： | 參數 | 數值 |
|---|---|---|
| 溫度 | (38±0.5)℃ | |
| 相對濕度 | (50±2)% RH | |
| 測試時間 | 至少3小時，連續兩次稱重差值≤0.01g | |
| 試樣麵積 | 50 cm²（直徑約79.8 mm） | |
| 幹燥劑 | 無水氯化鈣（CaCl₂） |
文獻支持：據張瑞萍等（東華大學，《紡織學報》，2015）研究指出，該方法對聚氨酯（PU）塗層織物的重複性誤差小於5%，但對微孔膜結構材料可能存在邊緣泄漏風險[1]。
（2）GB/T 12704.2-2009《第2部分：蒸發法》
此方法更貼近人體實際使用環境，特別適用於ePTFE（膨體聚四氟乙烯）膜等高透濕材料。
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 溫度 | (38±0.5)℃ |
| 相對濕度 | 接近100% RH（杯內為蒸餾水） |
| 外部環境RH | 可選15%~85%，常用50% |
| 水麵距試樣距離 | (15±1) mm |
| 稱重間隔 | 每2小時一次，取線性階段斜率 |
研究案例：王建明等人（北京服裝學院，2018）對比發現，同一Gore-Tex樣品在吸濕法下WVTR為8200 g/(m²·24h)，而在蒸發法中可達9600 g/(m²·24h)，差異達17%[2]。
4.2 美國材料與試驗協會標準（ASTM）
ASTM E96/E96M – 2016《Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials》
這是全球應用廣泛的通用型透濕測試標準，包含多種子方法：
| 子方法 | 類型 | 條件說明 |
|---|---|---|
| Procedure A | 吸濕法 | 50% RH外部環境，幹燥劑吸收 |
| Procedure B | 蒸發法 | 水源在杯底，外部控製RH |
| Procedure C | 半透膜法 | 使用滲透池，用於薄膜材料 |
| Procedure D | 動態相對濕度法 | 控製濕度階躍響應，用於智能調濕材料 |
技術優勢：ASTM E96允許用戶自定義溫濕度組合，靈活性強。例如可設置40℃/90% RH以模擬熱帶環境。
文獻佐證：美國North Carolina State University的Kan Chi-wai教授團隊（Textile Research Journal, 2020）研究表明，在相同織物上，ASTM E96-B法測得的WVTR比ISO 15496平均高出約12.3%，主要歸因於更高的蒸汽壓差驅動[3]。
4.3 國際標準化組織標準（ISO）
ISO 15496:2004《Textiles — Determination of water vapour transmission rate of fabrics using the inverted cup method》
又稱“倒杯法”，屬於蒸發法的一種變體，即將透濕杯倒置懸掛於試樣下方，減少液麵波動影響。
| 特點 | 描述 |
|---|---|
| 測試方向 | 倒置，水向上蒸發 |
| 溫度 | 23℃ 或 38℃（依協議） |
| 外部濕度 | 50% RH |
| 優點 | 減少毛細作用幹擾，提高穩定性 |
| 缺點 | 設備複雜，易發生漏水 |
研究數據：韓國纖維產業聯合會（KOFOTI）測試數據顯示，采用ISO 15496測得的Coolmax®織物WVTR為11200 g/(m²·24h)，較正置蒸發法高約8%[4]。
4.4 日本工業標準（JIS）
JIS L 1099:2011《Textiles — Test method for moisture permeability of fabrics》
該標準包含多個測試模式，具代表性的是B1和B2法：
| 方法 | 類型 | 具體條件 |
|---|---|---|
| B1法 | 吸濕法 | CaCl₂幹燥劑，溫度30℃，RH 85% |
| B2法 | 蒸發法 | 水源在杯中，溫度40℃，RH 90%/20%雙環境對比 |
特色之處：JIS L 1099引入了“動態透濕指數”概念，通過多組條件測試評估材料在不同氣候下的適應性。
文獻引用：東京工業大學Suzuki教授（Fibers and Polymers, 2017）指出，B2法能更好地區分納米纖維複合膜的微結構差異，靈敏度優於傳統方法[5]。
五、測試方法對比分析表
以下表格綜合比較五種主流測試方法的核心參數與適用性：
| 測試方法 | 標準依據 | 原理類型 | 溫度(℃) | 外部RH(%) | 內部狀態 | 典型WVTR範圍 [g/(m²·24h)] | 優缺點 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 吸濕法 | GB/T 12704.1, ASTM E96-A | 吸濕 | 38 | 50 | 幹燥劑（CaCl₂） | 500–6000 | ✔操作簡單 ✘幹燥劑飽和需更換 ✘不適用於極高透濕材料 |
| 正置蒸發法 | GB/T 12704.2, ASTM E96-B | 蒸發 | 38 | 50 | 液態水 | 3000–12000 | ✔接近生理條件 ✔適合高透濕材料 ✘水麵高度影響結果 |
| 倒杯法 | ISO 15496 | 蒸發（倒置） | 23/38 | 50 | 液態水 | 4000–13000 | ✔減少對流幹擾 ✔數據穩定 ✘設備成本高 |
| JIS B1法 | JIS L 1099 | 吸濕 | 30 | 85 | CaCl₂ | 800–5000 | ✔高溫高濕挑戰性強 ✘幹燥劑效率下降快 |
| JIS B2法 | JIS L 1099 | 蒸發 | 40 | 90→20（雙箱） | 水 | 6000–15000 | ✔模擬劇烈運動環境 ✔區分能力強 ✘需雙環境艙 |
注：典型WVTR範圍基於多家實驗室匯總數據，實際值受材料種類影響較大。
六、影響測試結果的關鍵因素分析
6.1 溫濕度條件
根據Fick擴散定律，水蒸氣傳遞速率與濃度梯度成正比。升高溫度或加大內外濕度差均可顯著提升WVTR數值。例如：
- 在ASTM E96-B中，將溫度從23℃升至38℃，WVTR可提高約40%；
- 外部RH從65%降至30%，蒸汽壓差增大，透濕量上升約25%[6]。
6.2 試樣密封方式
密封不良會導致旁路滲透（Edge Leakage），使結果虛高。常用密封材料包括：
- 石蠟+蜂蠟混合物（傳統）
- 矽膠圈+金屬夾具（現代儀器）
- 熱熔膠帶（一次性使用）
實驗表明，未充分密封的試樣WVTR偏高可達30%以上（Zhou et al., Journal of Applied Polymer Science, 2019）[7]。
6.3 測試時間與平衡判斷
多數標準要求達到“恒定質量變化率”方可計算WVTR。若測試時間不足，未進入穩態階段，結果偏低。建議至少進行4次稱重，確保線性相關係數R² ≥ 0.98。
七、典型防水透氣材料的實測數據對比
選取三種常見防水透氣結構進行多方法測試，結果如下：
| 材料類型 | 結構特征 | GB/T 12704.1 (吸濕法) | GB/T 12704.2 (蒸發法) | ASTM E96-B | ISO 15496 | JIS L 1099 B2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PU塗層滌綸 | 微孔塗層，厚度約30μm | 4200 | 5100 | 5300 | 5000 | 5600 |
| ePTFE複合膜 | 膨體PTFE+尼龍貼合，孔徑<1μm | 8100 | 9500 | 9800 | 9600 | 10200 |
| TPU熱塑膜 | 親水性無孔膜，厚度25μm | 6300 | 7200 | 7400 | 7100 | 7800 |
數據來源：國家紡織製品質量監督檢驗中心（上海），2022年度報告[8]
分析結論：
- 所有材料在蒸發類方法中測得的WVTR均高於吸濕法，平均增幅約18.5%；
- JIS B2法因高溫高濕條件，結果普遍高；
- ePTFE膜表現優，符合其開放式微孔結構利於水汽傳輸的特性。
八、新型測試技術的發展趨勢
隨著智能紡織品和功能性材料的進步，傳統靜態測試已難以滿足需求。新興技術包括：
8.1 動態透濕測試係統（Dynamic Moisture Permeability Tester）
采用可控濕度階躍或循環變化，模擬人體活動過程中的濕度波動。代表設備如德國TEXTEST FX3300。
文獻支持：英國利茲大學（University of Leeds）開發的DMP模型可預測織物在跑步-休息周期中的實時透濕行為（Textile Research Journal, 2021）[9]。
8.2 紅外成像與質譜聯用技術
利用紅外熱像儀觀測表麵濕度分布，結合質譜分析水分子遷移路徑，實現微觀機製解析。
案例：中科院蘇州納米所利用TOF-SIMS技術揭示了石墨烯氧化物膜中水通道的擇優取向傳輸現象（ACS Nano, 2020）[10]。
8.3 數值模擬與人工智能預測
基於有限元分析（FEA）建立多尺度傳濕模型，並結合機器學習算法預測新材料性能。
研究進展：浙江大學團隊構建了BP神經網絡模型，輸入織物孔隙率、厚度、親水性等參數，輸出WVTR預測值，準確率達91.3%（Computers in Biology and Medicine, 2022）[11]。
九、標準統一化與國際互認挑戰
盡管各國均有成熟標準體係，但由於測試條件差異，導致檢測結果難以直接比較。例如：
- 中國GB/T與日本JIS溫度設定不同（38℃ vs 30℃）；
- ISO與ASTM對“穩態”的判定標準不一致；
- 部分企業同時滿足多項標準存在技術與成本壓力。
為此，國際紡織製造商協會（ITMF）正在推動建立全球統一透濕測試協議（Global Harmonized WVTR Protocol），擬規定統一的溫濕度條件（38℃, 50% RH）、試樣尺寸（50 cm²）及數據處理流程。
進展通報：2023年ITMF工作組會議提出草案GH-WVTR-01，預計2025年前完成驗證並發布[12]。
參考文獻
[1] 張瑞萍, 劉力, 陳旭. 不同測試方法對功能性紡織品透濕性的影響研究[J]. 紡織學報, 2015, 36(7): 88–93.
[2] 王建明, 李娜. 防水透氣膜材料透濕性能測試方法對比分析[J]. 北京服裝學院學報, 2018, 38(2): 45–50.
[3] Kan, C., et al. "Comparison of water vapor transmission rates of textile materials tested by ASTM, ISO and GB standards." Textile Research Journal, 2020, 90(15-16): 1765–1776.
[4] KOFOTI. Annual Report on Functional Fabric Testing, 2021 Edition. Seoul: Korea Institute of Textile Industry, 2021.
[5] Suzuki, T., et al. "evalsuation of nanofiber-based breathable membranes using JIS L 1099 methods." Fibers and Polymers, 2017, 18(4): 701–708.
[6] ASTM International. ASTM E96/E96M-16: Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. West Conshohocken, PA: ASTM, 2016.
[7] Zhou, L., et al. "Influence of sealing techniques on water vapor transmission rate measurement accuracy." Journal of Applied Polymer Science, 2019, 136(22): 47589.
[8] 國家紡織製品質量監督檢驗中心. 2022年中國功能性麵料檢測白皮書[R]. 上海: CNST, 2022.
[9] Morrissey, M.P., et al. "Development of a dynamic moisture permeability tester for sportswear evalsuation." Textile Research Journal, 2021, 91(11-12): 1234–1245.
[10] Liu, Z., et al. "Directional water transport in graphene oxide membranes revealed by TOF-SIMS." ACS Nano, 2020, 14(5): 5876–5885.
[11] Chen, Y., et al. "Prediction of water vapor transmission rate of textiles using artificial neural networks." Computers in Biology and Medicine, 2022, 140: 105089.
[12] ITMF. Global Harmonization Initiative: Draft Protocol GH-WVTR-01. Geneva: International Textile Manufacturers Federation, 2023.
（全文約3800字）
