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超纤合成革劳保鞋的防水透湿机理及应用

  摘要:根据防护鞋用超纤合成革的功能要求,探讨了超纤合成革基布和干法贴面聚氨酯 (PU)膜的防水透湿机理,设计了防护鞋用超纤合成革基布的结构,并选择亲水聚氨酯树脂作为超纤合成革的面层树脂和控制PU膜的微孔孔径,以达到防水透湿 的要求。同时介绍了防护鞋用超纤合成革的应用领域。

  关键词:防护鞋;超纤;合成革;透湿;防水;劳保鞋;防静电鞋;保护足趾安全鞋;安全防砸鞋

  中图分类号:TS565文献标识码:A文章编号:1671-1602(2011)6-0005-04

  1引言

  防护鞋是指在工作场所中穿的、以保护脚部免受伤害的鞋,是欧美发达国家的个体劳动防护用品或部队单兵保护系统的一部分,近越来越 多的国家要求工作人员必须穿防护鞋以预防工作时可能带来的危险,我国有的行业或公司也要求人员在工作时要穿着防护鞋,因此防护鞋的市场将会越来越大。随着 许多环境保护的法律法规纷纷出台,以及真皮价格昂贵、来源有限,此外在某些特定场合(如无菌工作场合),真皮容易腐烂滋生细菌难以满足要求,因此,人们开 始寻求真皮的替代品,近年来采用聚氨酯超细纤维尼龙仿真皮合成革(超纤合成革)制得的防护鞋愈来愈受到欢迎。

  与真皮相比,超纤合成革的缺陷是不吸汗透气,让人穿着不舒适、捂脚。而防护鞋用超纤合成革就是基于真皮吸湿透气特性基础上而专门设计制作的,它既有透湿功能又有防水特性,即鞋在穿着时防止外界雨水穿透鞋革,同时还能将鞋里面的汗气等排出,使人穿着舒适。

  本文从超纤合成革基布的透湿防水机理方面进行了探讨,并得出了透湿防水超纤合成革基布的制备方法。重点对超纤合成革的干法贴面工艺 进行了讨论,分析了超纤合成革聚氨酯(PU)树脂和超纤合成革PU膜的透湿防水机理,为防护鞋用超纤合成革的制备提供了理论依据,为超纤合成革替代天然真 皮提供了可能。

  2防护鞋用超纤合成革的工艺设计

  防护鞋用合成革必须执行EN345或ISO20345标准才能在国外市场流通(EN345或ISO20345是欧美关于防护鞋用革 的准入标准)。防护鞋用超纤合成革的透湿指标要求水蒸气透过量≥0.8mg/(cm2·h)和水蒸气渗透系数≥1.5mg/cm2,而防水指标则要求水吸 收率≤30%和水穿透量≤0.2mg。防护鞋用超纤合成革要满足透湿和防水技术指标,就要从超纤合成革基布制备和干法贴面两个部分来进行工艺设计。

  2.1防护鞋用超纤合成革基布的工艺设计

  2.1.1防护鞋用超纤合成革基布的防水透湿机理

  研究防护鞋用超纤合成革基布的透湿和防水功能,首先要从超纤合成革基布透湿和防水的机理来分析。透湿实际上是吸附和转移两个过程, 首先鞋里面的水蒸气(即汗气)吸附在鞋内侧超纤合成革基布上,然后再从鞋内侧往鞋外面转移。吸附过程要求超纤合成革基布上有水蒸气吸附点,吸附点可以是水 分子通过氢键吸附或多孔吸附,没有吸附点则水蒸气就不产生吸附,也就不能将鞋里面的汗气转移出去,因此设计超纤合成革基布的时候,要使超纤合成革基布具有 一定的亲吸水功能。水与合成革基布的尼龙纤维容易形成氢键,具有一定的亲吸水性能,因此基布具有一定的亲吸水性能,此外超纤合成革基布的孔越多,则比表面 积也就越大,越容易吸附水蒸气。在水蒸气穿透中,如果超纤合成革基布的孔径大和开孔率高,那么水蒸气的转移速度就快、转移量就大。图1即为防护鞋用超纤合 成革基布结构,可以看出,防护鞋用超纤合成革基布的截面中具有许多微孔,这些微孔有利于鞋内湿气的转移。

  与此同时,超纤合成革基布的孔径一般比较大且不均匀,雨水很容易穿过,为了满足防护鞋用超纤合成革基布的使用,还需要对超纤合成革基布进行后加工处理,使其具有一定的疏水性能,以降低雨水穿过超纤基布的速度和穿过量,使雨水不易到达鞋里面,从而达到防水功能。

  综上可知,在防护鞋用超纤合成革基布生产工艺设计时,要使超纤基布具有一定的水蒸气吸附点(即亲水功能),即:超纤基布的开孔率高和具有适当孔径,同时使超纤基布具有一定的防水功能,达到既透湿又防水。

  2.1.2防护鞋用超纤合成革基布的制备

  根据上述透湿防水机理分析,我们设计了防护鞋用超纤合成革基布,具体过程如下:将聚乙烯和尼龙6按照一定的重量比共混搅拌,在温度 220~300℃的条件下,通过单螺杆挤出机熔融塑化,从而纺得纤度为4~7旦聚乙烯和尼龙海岛纤维,再将纤维切割为长40~60mm的短纤维,经过无纺 布针刺、无纺布烫平、浸渍湿法聚氨酯浆料、甲苯减量、扩幅上油等工序后制得超纤合成革基布。所得的超纤合成革基布的三维结构网络与真皮相似,其抗撕裂强 度、保型性、均匀度、耐化学性以及防水、防霉变性等方面都超过了天然皮革。

  同时超纤合成革基布结合具有多孔结构的聚氨酯浆料浸渍、减量等加工技术,形成了大量的微孔,具有比表面积大和较强的吸水性。因而, 无论从内部微观结构和材质,还是外观质感及物理性能,以及人们使用的手感等方面,超纤合成革基布都能与高档天然真皮相媲美。工艺流程如下:纺丝→针刺无纺 布→烫平→浸渍→减量→扩幅干燥→超纤合成革基布采用有机硅或氟-硅等柔软疏水处理剂→含浸→压榨和烘干,得到具有一定疏水功能的防护鞋用超纤合成革基 布。

  2.2防护鞋用超纤合成革贴面工艺设计

  2.2.1防护鞋用超纤合成革贴面PU微孔膜的防水透湿机理及设计

  要解决防护鞋用超纤合成革的透湿和防水这对矛盾,还需要对干法贴面的PU膜结构进行设计,需要超纤合成革革面也具有适当孔径的微孔。

  防水主要是防止雨水穿透革面进入鞋里面,透湿则是将鞋里面的水蒸气转移到鞋外面。水蒸气在超纤合成革面微孔中穿透是以气体形式通 过,水蒸气分子直径为4×10-4μm,只要超纤革面的微孔孔径大于4×10-4μm就可以将水蒸气从鞋里面转移到鞋外面,具有透湿功能。而雨水穿过超纤 合成革面微孔时,由于雨水接触微孔时具有表面张力,如果孔径较小则雨水难以通过微孔进入鞋里,从而达到防水的目的。研究表明,各种雨雾能穿过微孔的小直 径为:雾为20μm,小雨为400~900μm,中雨和大雨为2000μm以上。因此可以利用水蒸气和雨水穿过微孔的孔径差异大的特点来设计干法贴面PU 膜微孔孔径。

  因此,在干法贴面过程中,使贴面后的PU面膜产生一定数量和一定孔径的微孔,微孔孔径控制在4×10-4~20μm,该孔径可以让水蒸气自 由穿透,同时使雨水难以穿过,从而达到透湿和防水的目的。目前合成革革面制造微孔的方法有:激光机械打孔法、发泡剂微孔法、溶剂挥发致孔法等。从图2可以 看出,防护鞋用超纤合成革面膜孔径在5~8μm,该孔径有利于水蒸气分子从鞋里面穿透到鞋外面,同时抑制了水进入鞋内。

  2.2.2防护鞋用超纤合成革贴面用亲水树脂的防水透湿机理及设计

  水蒸气分子在PU面膜中的穿透也是先吸附再渗透的过程,因此对PU面膜材料的选择也很重要。谢富春等人采用聚乙二醇为软段合成的聚 氨酯具有优异的亲水性能,这种软段结构中带有亲水基团(如乙氧基团)的PU树脂制得的PU膜,可以使水蒸气分子在氢键的作用下得以吸附,由于鞋内水蒸气压 力大于鞋外侧,使得水蒸气分子沿着聚氨酯分子链间的间隙不断传递到鞋外面,从而起到透湿效果。

  综上可知,在干法贴面工艺设计时,如果面膜没有微孔,即使通过亲水PU树脂也能将水汽转移到超纤合成革面的另一侧,但由于亲水PU 面膜材料中易形成水膜,难以将水蒸气快速、持续转移到超纤合成革面的另一侧,透湿效果不好。因此设计防护鞋用超纤合成革贴面工艺的时候,采用亲水性树脂的 同时,还要将革面设计出孔径为4×10-4~20μm的微孔,以便水蒸气分子能自由通过,水却难以进入鞋里面,达到透湿和防水的目的。

  3防护鞋用超纤合成革的应用领域

  据香港劳工处统计,约1/3的工业意外安全事故是由踏物件、碰物件或遭受物件砸伤等原因引起的,结果往往是足部受伤,重者致残。在 国外,特别是西方发达国家,在足部防护方面非常重视,要求员工穿着职业鞋工作。我国也颁布了一系列关于足部防护的产品检测标准。因此,防护鞋拥有广阔的市 场前景。目前我国拥有了亚洲大的职业鞋生产基地。

  随着社会不断进步,个体劳动防护用品的品种越来越多,在欧美国家,以前单一的安全防护鞋现在根据职业特点分成了防护鞋、防静电鞋、保护足趾安全鞋、军用鞋、护士鞋、行政鞋、拉丁舞蹈鞋等种类,因此防护鞋用超纤合成革的应用领域比较广泛,大致如下:

  用于安全鞋方面:用于劳保鞋、防静电鞋、保护足趾安全鞋和安全防砸鞋等鞋的鞋面。这类鞋的鞋面以黑色或棕色为主,主要适用于采矿、 建筑、治金、交通运输、采伐等行业,用于保护脚趾。它要求鞋面革透湿防水和强度高,而防护鞋用超纤合成革的物理力学强度已超过真皮,因此防护鞋用超纤合成 革目前在国内外很受欢迎。

  用于职业鞋方面:用于护士鞋、行政鞋和女士工作鞋等鞋的鞋面。其中护士鞋非常普遍,目前国内外很多医院都使用专门的护士鞋,以防打针时针头 掉落刺伤脚。护士鞋以白色为主,要求鞋面革透湿防水、耐弯曲、柔软、舒适。欧美很多国家都要求行政人员穿着行政鞋上班,女士穿着女士工作鞋,这些鞋也都要 求鞋面革具有透湿防水功能。

  用于军用鞋方面:以前大多是牛皮制作,目前已逐步用超纤合成革替代真皮,它要求革面具有透湿防水功能。

  用于女士拉丁舞蹈鞋方面:早期多采用牛皮或羊皮生产,目前逐渐使用具有透气、透湿性能的超纤合成革生产。

  随着职业化分工越来越细、个体防护意识日益增强,以及真皮来源的日益匮乏,具有透气透湿防水功能的防护鞋用革将拥有广阔的市场,将逐步应用在运动鞋和跑鞋等领域,在未来逐步替代真皮。

  4结语

  为了达到防水的功用,同时满足透气性能,防护鞋用超纤合成革的工艺设计要从超纤基布和干法贴面工艺着手,超纤合成革基布的结构中需 要更多的微孔结构,以利于水蒸气从鞋里面扩散到外面;与此同时,超纤合成革基布必须具备一定的疏水性能,从而防止雨水等进入到鞋里面。在干法贴面中,不仅 需要采用亲水PU树脂来提高防护鞋的透气性,还需要革面具有合适孔径的微孔,以利于鞋内湿气的转移,同时阻止水进入鞋内引起湿脚。

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