医用防护服织物的结构与透湿量VIP

第27卷 第3期 2006年3月 纺 织 学 报 Journal of Textile Research Vol.27 No.3 Mar. 2006 文章编号:025329721(2006)0320011205 医用防护服织物的结构与透湿量 杨建忠,王新艳 (西安工程科技学院,陕西 西安 710048) 摘 要 采用扫描电子显微镜观察了医用防护服织物的结构,分析了不同复合结构的特征,分别用吸湿法和蒸发 法测试了医用防护服织物的透湿量,以及模拟穿着多层织物的状态时医用防护服织物的透湿量。结果表明,聚四 氟乙烯(PTFE)膜层压织物透湿量高,聚氨酯(PU)涂层织物及热塑性聚氨酯(TPU)涂层非织造布透湿量低,且有明显 的涂层缺陷,有剥落现象。试样蒸发法透湿量普遍较吸湿法透湿量小,且试样间透湿量差异小。随层数的增加,多 层织物组合试样透湿性有所下降。 关键词 医用防护面料;结构;透湿量 中图分类号:TS195.59 文献标识码:A Structure and water vapor permeability of fabric for medical protective wear Y ANGJian2zhong , WANG Xin2yan (Xian University of Engineering Science and Technology,Xian,Shanxi 710048 ,China) Abstract The structure of the fabric for medical protective wear was observed with the scan electron microscope (SEM ) , and the characteristics of fabrics with various composite structure were analyzed. The water vapor permeability of the protective fabrics was tested with the moisture absorption method and the evaporation respectively. The water vapor permeability of the multilayer fabric under simulated medical wear was tested too.The experiments show that polytetrafluoroethylene ( PTFE)membrane laminated fabric possesses a high water vapor permeability , while PU coated fabric and TPU coated non2woven fabric possess a low water vapor permeability as well as obvious coating defects and exfoliating. Compared with the moisture absorption method , the the evaporation test indicates a small value of the water vapor permeability under the same conditions. The water vapor permeability declines as the layer of the fabric increases. Key words medical protective fabric ; structure ; water vapor permeability 收稿日期:2005 - 05 - 16 修回日期:2005 - 08 - 22 基金项目:教育部新世纪人才支持计划资助项目(NCET20420974) 作者简介:杨建忠(1964 - ) ,男,教授,博士。主要从事纺织材料与纺织品设计领域的科研和教学工作。 人体热量的散发有辐射、 传导、 对流和蒸发4个 途径。在静止状态,每个成年人每天无感出汗量为 7001 200 g;在3235 的室外搬运货物时,则每 天会排出1 2002 000 g汗水,这是有感出汗。人体 大约8715 %以上的热量通过皮肤排出,因此与皮肤 接触面积最大的服装对人体散热起着至关重要的作 用,如果服装的透湿量在2 500 g (m 2 24 h) 以上,则 能保持穿着的舒适性 15 。医用防护服是一种特殊 的功能性服装,作为服装最起码的条件是要满足人 的生理需求,达不到这个条件,功能性再好也不行。 “非典” 期间,隔离区的医护人员身着多层防护服,在 关闭空调的环境下,进行各种操作,因而有些医护人 员出现胸闷、 气短、 大量出汗,以致虚脱晕倒。目前, 大部分防护用品的透湿性、 穿着舒适性差,因此透湿 性成为人们关注的焦点和研究的重点。本文将重点 研究分析医用防护服织物结构、 透湿量以及相关的 测试标准。 1 织物透湿性测试 1.1 测试方法 织物透湿性的标准测试方法一般为织物水蒸气 传递速率的测试和对蒸发热转移阻抗的测试两大 类。研究人员常用水蒸气阻抗评价人体汗液从身体 表面通过织物向环境转移的能力,主要包括出汗热 盘法和出汗假人法,而织物和服装生产者更趋向于 用透湿杯法,即一定温度、 一定湿度和一定风速下, 单位时间内透过织物单位面积的水蒸气质量,也就 是人们较熟悉的透湿量来评价织物的透湿性。 1.2 测试标准 透湿量是与防护用品穿着舒适性密切相关的一 项指标 68 。国际上在医用防护用品方面经常采用 的透湿量测试方法主要有美国标准ASTM E96 ,日本 标准JIS L1099 ,国际标准ISO 2528 ,英国标准BS 3424和我国国家标准G BT 127041991。每一种标 准中都有不同的测试条件,因此测试值有时候会有 很大的差异。通过比较可以看出,虽然各国均用相 应的标准测试织物的透湿性,但各国标准适用的对 象不同,美国ASTM标准适用的范围最广,可用于任 何薄片状材料,因此实验条件、 试样尺寸范围和测试 时间间隔都很广泛。ASTM标准要求所选用的标准 测试条件与材料的使用环境接近。我国标准中B 法规定的相对湿度为2 % ,在测试时控制难度大,而 且与织物的实际使用条件不符。日本标准与我国标 准适用范围相当,均为纺织制品,故测试方法很接 近,但我国测试方法中没有倒杯法。 2 实验部分 2.1 材 料 为了对医用防护服织物的透湿性能有一个全面 的了解,研制了防护服用聚四氟乙烯(PTFE)层压织 物,并收集了其它类型医用防护服织物。层压织物可 以根据最终用途的需要采取不同的设计结构和复合 层数,试样规格如表1所示。1 # 、2 # 、3 # 织物为研制 的聚四氟乙烯(PTFE)多功能防护服织物,其中1 # 织 物为3层复合试样,虽然手感稍硬,但可提高耐磨性; 6 # 织物为聚氨酯(PU)涂层织物;7 # 、8 # 、9 # 织物为不 同面密度的热塑性聚氨酯(TPU)涂层非织造布,面密度 依次为5083 gm 2 ;10 # 织物为一次性防护服用高密聚 乙烯非织造布。这些医用防护服织物非油性颗粒物 (NaCl 颗粒气溶胶 (0 1075 m) 的过滤效率一般都在 95 %以上 (G B T 190822003中规定不小于 70 %) 。 表1 试样规格 试样层数外层中间层内层 面密度 (g m- 2) 厚度 mm 1 # 3锦纶机织布PTFEPU复合膜锦纶经编布27311501690 2 # 2涤 棉机织布PTFE膜34614201560 3 # 2涤纶非织造布PTFE膜5015201115 4 # 2涤纶机织布PTFE膜10419801165 5 # 2涤纶机织布PTFE膜11016001340 6 # 2涤纶机织布PU涂层8810301095 7 # 2涤纶非织造布TPU膜5010001200 8 # 2涤纶非织造布TPU膜6010001210 9 # 2涤纶非织造布TPU膜8310001500 10 # 1高密聚乙烯非织造布4110001185 2.2 仪器及方法 测试仪器:KYKY22800B扫描电镜;LFY2216A透 湿量测湿仪;JD40023电子天平(精度01001 g)。 实验 方法:透湿性比较实验及多层穿着下透湿性测试采 用G BT 1270491方法A 干燥剂法(正杯)和 G BT 1270491方法B 蒸发法(正杯)的测试方 法并 参 照 美 国 标 准ASTM E96和 日 本 标 准 JIS L1099的测试条件(温度 (38 01 5) ,相对湿 度 (50 2) %)。 透湿量计算公式: WVT= 24mAt 式中,WVT为 每 平 方 米 试 样 每 天 的 透 湿 量 (g (m 2 24 h) ;m为同一实验组合体2次称量之差 (g) ; t为实验时间 (h) ; A为实样实验面积 (m 2) 。 每次测试试样不少于3块,相对误差小于10 %。 21 【 】纺织学报第27卷 3 结果与讨论 3.1 扫描电镜对织物表面结构的观察 聚四氟乙烯薄膜的防水透湿性能取决于薄膜的 结构和表面润湿性能等 9 ,10 ,其中薄膜的形态结构 对透湿性能的影响最大。图1为不同试样的扫描电 镜照片。 图1 不同试样的SEM照片 由图1看出,PTFE微孔薄膜表面形态是具有蜘 蛛网状的微孔结构,微纤维之间交织形成孔隙,微纤 维排列方向与拉伸方向基本平行,纤维束的连接点 即为结点,它们是由许多微纤维纠缠相连形成。微 纤维之间的孔隙大小决定薄膜孔径的大小,结点的 多少与大小则对薄膜孔隙率的大小起决定作用。微 纤维的取向结构对薄膜的力学各向异性起决定作 用。PTFE膜属于非对称膜,膜的纵横向微孔尺寸有 差别,纵向微孔大于横向。 由图1(b) ,1(c)看出,PU膜及TPU膜均是由聚 合物高分子以颗粒状密切地堆砌排列而成,其透湿 则主要靠亲水基团及大分子间的缝隙孔洞,由 图 1(b) 可明显地看出涂层缺陷,有剥落现象,颗粒 分布不均匀,有明显的厚薄不匀。这也说明了涂层 的不可靠性及不安全性。由图 1(d) 可看出,高密聚 乙烯非织造布因采用了拒水的高密聚乙烯纤维,故 透湿主要靠的是纤维间的缝隙孔洞,依靠压力差的 推动进行。 3.2 结果与分析 织物透湿量测试结果见表2。 由于病毒隔离、 防血液(体液)渗透与透湿是互 表2 织物透湿量测试结果g (m 2 24 h) 试样A:吸湿法B:蒸发法试样A:吸湿法B:蒸发法 1 # 7 5601212 7271566#2 4471451 649155 2 # 8 4201352 9701897#8771021 039181 3 # 9 2351232 9171138#780192857131 4 # 6 9851842 9281459#725172776168 5 # 8 9381143 03519710 # 51551202574177 注: 吸湿法,温度为 (38 01 5) ,相对湿度为 (90 2) %; 蒸发法,温度为 (38 01 5) ,相对湿度为 (50 2) %。 相矛盾的二个问题,要求达到二者的有机统一,即具 有良好的病毒隔离效果,同时透湿舒适。这些医用 防护 服 织 物 非 油 性 颗 粒 物(NaCl颗 粒 气 溶 胶 (0 1075 m) 的过滤效率一般都在95 %以上,但织物 透湿量却有很大不同。影响其理论透湿量的主要因 素是微孔孔径、 单位面积孔数、 薄膜厚度和通道的曲 折系数。在稳定扩散状态下,水分通过这些孔道扩 散的理论透湿量与通道的厚度成反比,与薄膜两侧 压差成正比,同时如果孔隙通道的弯曲越多,相应的 扩散体分子与孔壁碰撞的机会就越多,薄膜的传湿 阻力也越大,理论透湿量越小。微孔孔径越大,水分 扩散的自由截面积就越大,传湿阻力相应会小,理论 透湿量越大。单位面积孔数越多,理论透湿量也越 大。另一方面,薄膜内孔隙孔径开口的大小直接影 响水分进入孔道的阻力,开口越大,水分进入孔道的 阻力越小,反之水分子进入孔道之前的扩散轨迹收 缩,产生的扩散阻力也越大,传湿阻力相应会小,理 论透湿量会大些。这也是1 # ,2 # 试样虽然厚度是 4 # 试样的3倍左右,但吸湿法透湿量却大于4 # 试样 的主要原因,而3 # 试样由于开孔率大,厚度小,吸湿 法透湿量最大。 从表2看出,除6 # 、7 # 、8 # 、9 # 产品的吸湿法透 湿量未达到国家标准规定的2 500 g (m 2 24 h) 外, 其余试样的透湿量均远超过国家标准规定值, PTFE 膜类产品透湿性普遍优于其它产品,而6 # PU膜和 7 # 、8 # 、9 # TPU类产品湿阻较大,透湿性差,只能作 为一般的防水材料。就1 # 试样而言,其厚度相对较 大,却具有相对较高的透湿速率及较低的湿阻,说明 其整体透湿性能较好。 由表2测试结果还可看出,各试样蒸发法透湿 量普遍较吸湿法透湿量小,且试样间透湿量差异小。 这是由于吸湿法是在透湿杯内装入硅胶吸湿剂,吸 湿剂装填高度距试样下表面34 mm ,将试样测试 面朝上放置在透湿杯上,密封固定组成实验组合体, 在已达到规定实验条件温度38,相对湿度90 % 31 第3期杨建忠等:医用防护服织物的结构与透湿量【 】 (湿球温度:3614 ) , 气流速度013015 ms的实验 箱内,记录质量变化。而蒸发法是向透湿杯中注入 10 mL蒸馏水,将试样测试面向下放置在透湿杯上密 封固定,组成实验组合体,在已达到实验条件温度 38,相对湿度50 % ,气流速度013015 ms的实 验箱内,记录质量变化。为此吸湿法测试条件湿度 差异大,传湿速度快,适合实验室测试分析,但距离 实际穿着情况较远;而蒸发法测试条件与穿着情况 较近,测试湿度差异小,透湿量较小。我国标准中蒸 发法 (B 法)规定的相对湿度2 %在测试中控制难度 大,而且与织物的实际使用条件偏差太大,因此选择 了接近JIS L1099 A22的蒸发法温湿度条件(温度 38,相对湿度50 %)测试。 3.3 多层穿着时织物的透湿量测试与分析 将层压织物与涤棉薄面料(一般夏季用衬衣面 料)及厚面料(一般医用白大褂面料)按照实际穿着 情况进行组合,测试组合试样的透湿量以反映实际 穿着状态的透湿量。 模拟穿着2层织物的状态时,按照蒸馏水 薄 面料 层压织物的顺序叠放试样,这样排列相当于 蒸馏水侧代表出汗的皮肤表面,皮肤外侧贴身穿着 一件衬衣,外面套一件防护服;模拟穿着3层织物的 状态时,按照蒸馏水 薄面料 层压织物 厚面料 的顺序叠放试样,这样排列相当于蒸馏水侧代表出 汗的皮肤表面,皮肤外侧贴身穿着一件衬衣,套一件 防护服,外面再套一件医用白大褂。组合试样用的 面料规格见表3 ,模拟穿着多层织物时组合体吸湿 法透湿量测试结果见表4。 表3 组合试样用面料规格 组合试样 面密度 (g m- 2) 厚度 mm 吸湿法透湿量 (g m- 2(24 h) - 1) 成分 薄面料106169012398 191117T65C35 厚面料236125014326 875149T65C35 表4 穿着多层织物时组合体吸湿法透湿量g (m 2 24 h) 试样2层3层试样2层3层 1 # 5 5111715 9331296#2 4551942 614138 2 # 7 2341826 0371987#810163742172 3 # 7 3251375 6221068#776168645111 4 # 6 3231755 9501279#615140526127 10 # 6 1871944 793104 从表4看出,随层数的增加,组合试样透湿性均 有所下降,6 # 、7 # 、8 # 、9 # 试样随层数的增加,透湿 量无显著变化,且实验过程中试样内表面均已出现 凝结水珠现象 10 ;6 # 试样结珠现象在2层测试时就 已十分明显,在涂层内表面有水珠,内层薄织物润 湿,所以3层的透湿量反而增大; 2 # 、3 # 、4 # 试样透 湿量均有所下降,但透湿都维持在一较高的水平; 10 # 试样在2层测试时和1 # 试样在3层测试时透湿 反而增加,可能是由于形成了良好的透湿梯度,导致 其透湿速率的增加。由此可以得知,水蒸气传递速 率与各层次织物间的水蒸气传递能力的差异有关。 当各层织物湿传递能力近似时,起决定作用的主要 是防水透湿膜的透湿能力;当外层织物湿传递能力 比内层织物湿传递能力差很多时,内层则失去了透 湿的能力,水蒸气会在外层内表面以及内层表面凝 结,导致穿着的湿闷感。为此实际穿着时,各层次透 湿能力应尽量相近,有差距时也应将湿传递能力大 的尽量穿到内层,以便形成良好的湿度梯度,有利于 织物导湿。 4 结 论 1) 聚四氟乙烯(PTFE)膜层压织物透湿量高,聚 氨酯(PU)涂层织物及热塑性聚氨酯(TPU)涂层非织 造布透湿量低,且有明显的涂层缺陷,有剥落现象, 颗粒分布不均匀,说明涂层的不可靠性。 2) 试样蒸发法测试的透湿量普遍较吸湿法测 试的透湿量小,且试样间透湿量差异小。随层数的 增加,多层织物组合试样透湿性有所下降。实际穿 着时,各层次透湿能力应尽量相近,有差距时也应将 湿传递能力大的尽量穿到内层,以便形成良好的湿 度梯度,有利于织物导湿。FZXB 参考文献: 1 Fohr J P, Couton D , Treguier G. 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