【 Coating R & D center 】The Application of PUR in Breathable Textiles

August 26,2015
一、環保型PU黏著劑之導向

近年來隨著綠色化學概念崛起,環保材料逐漸成了現今工業用料的發展趨勢,著重於「環境友善」原料及其產品之開發、揮發性有機溶劑(VOC)含量及種類之限制等相關概念,故無溶劑型與水性樹脂之開發勢在必行。聚氨基甲酸樹脂(Polyurethane; PU)常用於織物、鞋材及塑材等材質塗層及黏著之範疇,溶劑型產品不符合現今環保概念之要求,無溶劑型PU黏著劑以「濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)」為一類新型膠黏劑,它不僅有傳統熱熔膠初黏性好的特點,且接著性能優越。PUR具有無溶劑、固化快、施工方便等優點,因而在汽車工業、紡織工業、包裝工業、電子工業、鞋業及書籍裝訂等方面具有廣闊的應用前景。

 
二、濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)之特性

濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)係為聚氨酯(PU)合成工藝所衍生開發而成,其組成為多元醇化合物(Polyol)與異氰酸酯(Isocyanate)反應而成為聚氨酯預聚體,具100%固形分無溶劑之環保特性,又稱為反應型PU熱熔膠(Polyurethane reactive),簡稱為PUR。濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)以異氰酸酯基(-NCO)反應性官能基封端,其化性活潑,除可與環境中水氣反應產生分子間架橋外,亦可與基材(如PU膜、TPU膜、織物等材料)上含活性氫行架橋反應,產生所謂「投錨效應」而展現優異的黏著性能。

濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)應用於紡織加工工藝,主要用於布料//布料、薄膜//布料貼合,在貼合製程中因無溶劑之使用故無需烘乾程序、車速快、佈膠量少且精準。以PUR之黏著性、功能性和物性可輕易地改良開發,以滿足各布料與薄膜間貼合成品之特殊性能需求,其特點如下:

 
  • PUR熱熔膠為100%固含量,只需加熱熱熔,無溶劑,故不對環境污染和成品中無有害物質残留。
  • PUR熱熔膠加工應用在80~130℃,故加工上不會破壞材料的色澤。
  • PUR熱熔膠與空氣中的濕氣即可形成架橋反應,無需架橋劑使用。
  • PUR熱熔膠貼合的成品耐溶劑,化學品且耐久性佳。
  • PUR熱熔膠貼合的成品質地柔軟,接着牢度佳,常應用於高檔織品。
 
三、濕氣固化反應型聚氨酯(PUR)用於透濕型織品

(一)「防水透濕」織品
所謂「防水透濕」織品(Waterproof & breathable fabric),是一種既能夠防止外界雨水滲透進入,又能將體內所排出的汗水透過織品排出,於穿著人體不感覺悶熱不適感的機能性產品。產品的結構如圖一所示,外層布料常以撥水劑處理後使其具有撥水及抗汙的能力,中層則貼合一層不透水但具透濕效能的薄膜,阻擋外界水及排濕作用。穿著此功能性衣物在運動時,身體排汗所釋出的水氣,可以穿透布料散發至外界,達到維持體表乾燥、舒適及保溫的效果。


圖(一) 防水透濕織品之各層結構

(資料來源:Gore-tex technology)
 
織品結構中層薄膜依形態分為多孔性薄膜(Porous membrane)及非多孔性薄膜(Non-porous membrane)兩種,如圖二所示,從防水透濕的原理,前者多孔性薄膜主要材質為聚四氟乙烯(PTFE)樹脂、聚乙烯(PE)樹脂所組成,具有數以億計的微細孔,這些微細孔的開口遠比水滴的體積要小,因此即使受壓之下也能阻擋水分的滲透,但其開口又比水蒸汽分子大很多,所以能讓衣著內的汗水排出,保持乾爽。非多孔性薄膜主要材質則為PU/TPU薄膜,膜上無孔隙,其透濕作用藉助材料特有的親水性/疏水性,其過程分為內層吸濕、中層擴散、外層排濕三個階段,靠近身體側的薄膜之親水官能基將汗水吸附後,藉由毛細現象擴散到外側,再由空氣以對流的方式將濕氣帶走。



圖(二) 不同型態薄膜之透濕機能示意圖
(陳進來,2004;黃詩琴,2011)

(二)「防水透濕」織品之貼合加工
「防水透濕」織品強調其透濕特性、手感柔軟、耐水壓、耐水洗性之性能,故成品複合時須選用之具親水型黏著劑,使其成品透濕度保持率維持水準。高鼎精密材料已成功開發適用於透濕型織品的貼合之濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)如PR-6566H、PR-6568H,其成品可仍可保留原機能性薄膜之透濕度70%。PUR常溫下以黏稠膠體或結晶塊狀之型式存在,故加工以80~100℃加熱熔融以利佈膠,貼合後膠層產生初黏力,使貼合材之間不易產生滑移,之後借助空氣中存在及基材表面附著的濕氣與PUR反應、擴鏈並逐漸熟成硬化,達到最佳接著強度。在基材種類、佈膠量、滲膠程度之考量下,可對膠之熱熔溫度作調整,以達較佳操作黏度。膠水黏度對貼合操作及性能有所影響,當黏度過高,塗佈不易且膠水乾涸於材面造成滲膠不足、接著不佳,而其黏度過低時,因滲膠過度造成膠合層欠膠及熟成後織物手感轉硬,以上兩者皆為導致貼合強度不佳的要因。

布//膜貼合加工以刻花輪輥佈膠(如圖三),佈膠過程刻花輪輥轉動帶起熱熔態PUR並將膠水轉移至透濕薄膜上再與布料貼合,貼合成品常具有防風、防水或透氣透濕等功能並且手感柔軟;相同之基材可因塗佈型式及上膠量而有不同的效果,如菱格式點膠者具有較佳之貼合強度,而圓點式點膠依種類又區分規則型、亂數型及魚鱗型,著重於成品透濕度保持率,另上膠量則依刻花輪輥設計而有所不同,因此膠層材料的使用與貼合設計可謂織物加工之重要核心與技術。
 


圖(三) PUR用於布//膜貼合加工之佈膠型式
(資料來源:浩帆熱熔膠設備有限公司)
 
 (三)「防水透濕」織品之性能
「防水透濕」織品之性能檢測包含貼合強度、耐水壓、JUNGLE TEST(70℃/RH 95%)、透濕度檢測及耐水洗測試,一般而言成品檢測中剝離強度須達0.8kg/2cm以上、耐水壓須達10000 mm-H2O以上、JUNGLE TEST須達7日以上不剝離及耐水洗測試達5次或以上,依成品需求訂立檢測標準,而我司透濕型PUR(PR-6566H、PR-6568H)所貼合的成品之性能均可達其水準之上。

另織品之透濕度檢測,常用的透濕性能測試有兩種,一為透濕度試驗法,以g/m2/24hrs標示,數值越大表示透濕排汗能力越高,二為蒸發阻力試驗法,ISO 11092濕阻抗 Ret代表濕氣要穿透布料的阻力,以m2Pa/W表示,數值越小表示透濕排汗越快速。透濕度的測試標準有很多種,主要是計算透濕杯放置於設定的環境條件下,其初始重量與一段時間後之重量差,套入公式以求出測試樣品的透濕度,置放模式又分為正杯法及倒杯法兩大類,其中正杯法又分為水法及乾燥劑法兩種方式,各標準測定可參照JIS L1099 A1、JIS L1099 A2、ASTM E96 BW、JIS L1099 B1等規範。表(一)及表(二)為比較常用之JIS L1099 B1及ASTM E96-93 BW檢測規範差異,成品的透濕度因檢測方法而異,以下簡列其對照表參照比較透濕性能之優劣。

表(一) JIS L1099 B1法與ASTM E96-93 BW法檢測條件
條件  JIS L1099 B1  ASTM E96-93 BW
測試環境  30±2℃,循環風  23±1.1℃/50±2% RH/2.8±0.25m/sec
測試面積  20cm正方形  直徑63mm圓形
透濕度
(g/m2‧24hr)
 透濕度=(W2-W1)×24/S
 W2:透濕杯放置於條件下15min後之重量(g)
 W1:透濕杯含過飽和醋酸鉀溶液之重量(g)
 S:透濕面積:平方公尺

 透濕度=(W1-W2)×24/A
 W1:1hr後稱重(g)
 W2:置回恆溫室,
        再1hr後稱重(g)
 A:透濕面積:平方公尺

 


表(二) JIS L1099 B1 法與ASTM E96 BW 法檢測結果對照表
 grade   classification   JIS L1099 B1 
(g/m2‧24hr)
 ASTM E96 BW 
(g/m2‧24hr)
5 Excellent >15000 >6000
4 Very good 10000~15000 4000~6000
3 Good 5000~10000 2000~4000
2 Middle 2000~5000 1000~2000
1 Normal <2000 <1000

 高、低透濕度的成品之選擇性,與穿着時活動性質關係密切,如登山時一件既能透濕又防水的衣服絕對不可或缺,在運動時能將人體所釋放、揮發之蒸氣散發至外部而達到降溫的效果及維持絕佳的舒適與乾爽,而人在不同種類的運動下會有不同程度的發汗量,故可依需求做最佳選擇。「防水透濕」織品加工工藝中「膜」與「膠」是成功核心關鍵,透濕性能好的膜,搭配具透濕型PUR,才能創造耐久性及透濕防水性能優異的成品 (陳進來,2004;許志明、朱金輝,2013)。


圖(四) 防水透濕型衣物應用
(資料來源:Gore-tex technology、台氟科技股份有限公司)

四、未來展望   

濕氣硬化反應型聚氨酯(PUR)不僅屬無溶劑型亦具備多項使用上優點,高鼎精密材料以專業膠水生產技術力克環保性問題,所生產之PUR已廣用於紡織業中布//膜及布//布之貼合,成品具手感柔軟、接著性佳等特性,並另開發PUR應用於鞋業、書本裝訂、家具組立等領域。各界環保意識高漲,對於低毒性、低污染性產品之重視程度亦隨之提升,不久將來無溶劑者必定是絕對唯一導向。
 

參考文獻
  1. Gore-tex web-site
  2. 台氟科技股份有限公司
  3. 許志明、朱金輝 (2013) 感溫型防水透濕塗層織物發展趨勢。絲織園地 (85) 67-71。
  4. 陳進來 (2004) TFT臺灣機能性紡織品驗證服務系列報導(4)--透濕防水紡織品。絲織月刊。(99) 20-27。
  5. 黃詩琴 (2011) 微多孔透氣防水和無孔親水型透濕防水織物產品介紹絲織園地 (75) 80-88。
  6. 浩帆热熔胶设备有限公司 (http://www.hzcoating.com/about.asp?id=60)
  
作者簡介
吳政穎為化學材料博士,目前任職於高鼎精密材料股份有限公司研發中心,為PUR(濕氣硬化反應型聚氨酯)專案負責人;
林美彣目前任職於高鼎精密材料股份有限公司研發中心,擔任PUR專案工程師。

高鼎集團1988年成立,於2015年正式更名為『高鼎精密材料股份有限公司(Coating P. Materials Co., Ltd.)』,深耕聚氨酯(Polyurethane)行業,專業生產TPU膠粒、PU樹脂/PU接著劑等環保材料,各系列產品廣泛應用於食衣住行育樂各種日常生活用品,從食品包裝、功能性紡織加工、傢(廚)俱建材加工、汽車零件組裝、運動用品材料、電線電纜至醫療材料應用等。高鼎一直是客戶的忠實夥伴,除了為國際知名品牌企業提供環境友善的化學材料,並以專業技術支援與共同開發的模式協助客戶品牌企業,提昇產品品牌與企業價值。我們的產品發展與社會責任和環境友善相結合,透過不斷研究發展與創新,協助我們的客戶滿足當前及未來市場對環境友善材料的需求。

以上文章將刊登於絲織園地第93期(20157月)季刊,因應全球環保意識高漲,近年來絲織業者積極找尋環保型膠黏劑,高鼎的PUR系列產品已榮獲多家廠商採用與高度肯定,未來將持續研發,推出更多、更優質的產品!

 
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