防護鞋用超纖合成革的防水透濕機理設(shè)計

    防護鞋是指在工作場所中穿的、以保護腳部免受傷害的鞋，是歐美發(fā)達國家的個體勞動防護用品或bd單兵保護系統(tǒng)的一部分，最近越來越多的國家要求工作人員必須穿防護鞋以預(yù)防工作時可能帶來的危險，我國有的行業(yè)或公司也要求人員在工作時要穿著防護鞋，因此防護鞋的市場將會越來越大。隨著許多環(huán)境保護的法律法規(guī)紛紛出臺，以及zp價格昂貴、來源有限，此外在某些特定場合（如無菌工作場合），zp容易腐爛滋生xj難以滿足要求，因此，人們開始尋求zp的替代品，近年來采用聚氨酯超細纖維尼龍仿zp合成革（超纖合成革）制得的防護鞋愈來愈受到歡迎。

    與zp相比，超纖合成革的缺陷是不吸汗透氣，讓人穿著不舒適、捂腳。而防護鞋用超纖合成革就是基于zp吸濕透氣特性基礎(chǔ)上而專門設(shè)計制作的，它既有透濕功能又有防水特性，即鞋在穿著時防止外界雨水穿透鞋革，同時還能將鞋里面的汗氣等排出，使人穿著舒適。

    本文從超纖合成革基布的透濕防水機理方面進行了探討，并得出了透濕防水超纖合成革基布的制備方法。重點對超纖合成革的干法貼面工藝進行了討論，分析了超纖合成革聚氨酯（PU）樹脂和超纖合成革PU膜的透濕防水機理，為防護鞋用超纖合成革的制備提供了理論依據(jù)，為超纖合成革替代trzp提供了可能。

    一、防護鞋用超纖合成革的工藝設(shè)計

    防護鞋用合成革必須執(zhí)行EN345或ISO20345標(biāo)準(zhǔn)才能在國外市場流通（EN345或ISO20345是歐美關(guān)于防護鞋用革的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)）。防護鞋用超纖合成革的透濕指標(biāo)要求水蒸氣透過量≥0.8mg/（cm2·h）和水蒸氣滲透系數(shù)≥1.5mg/cm2，而防水指標(biāo)則要求水吸收率≤30%和水穿透量≤0.2mg。防護鞋用超纖合成革要滿足透濕和防水技術(shù)指標(biāo)，就要從超纖合成革基布制備和干法貼面兩個部分來進行工藝設(shè)計。

    A.防護鞋用超纖合成革貼面工藝設(shè)計

    1.防護鞋用超纖合成革貼面PU微孔膜的防水透濕機理及設(shè)計

    要解決防護鞋用超纖合成革的透濕和防水這對矛盾，還需要對干法貼面的PU膜結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，需要超纖合成革革面也具有適當(dāng)孔徑的微孔。

    防水主要是防止雨水穿透革面進入鞋里面，透濕則是將鞋里面的水蒸氣轉(zhuǎn)移到鞋外面。水蒸氣在超纖合成革面微孔中穿透是以氣體形式通過，水蒸氣分子直徑為4×10-4μm，只要超纖革面的微孔孔徑大于4×10-4μm就可以將水蒸氣從鞋里面轉(zhuǎn)移到鞋外面，具有透濕功能。而雨水穿過超纖合成革面微孔時，由于雨水接觸微孔時具有表面張力，如果孔徑較小則雨水難以通過微孔進入鞋里，從而達到防水的目的。研究表明，各種雨霧能穿過微孔的最小直徑為：霧為20μm，小雨為400～900μm，中雨和大雨為2000μm以上。因此可以利用水蒸氣和雨水穿過微孔的孔徑差異大的特點來設(shè)計干法貼面PU膜微孔孔徑。

    因此，在干法貼面過程中，使貼面后的PU面膜產(chǎn)生一定數(shù)量和一定孔徑的微孔，微孔孔徑控制在4×10-4～20μm，該孔徑可以讓水蒸氣自由穿透，同時使雨水難以穿過，從而達到透濕和防水的目的。目前合成革革面制造微孔的方法有：激光機械打孔法、發(fā)泡劑微孔法、溶劑揮發(fā)致孔法等。防護鞋用超纖合成革面膜孔徑在5～8μm，該孔徑有利于水蒸氣分子從鞋里面穿透到鞋外面，同時抑制了水進入鞋內(nèi)。

    2.防護鞋用超纖合成革貼面用親水樹脂的防水透濕機理及設(shè)計

    水蒸氣分子在PU面膜中的穿透也是先吸附再滲透的過程，因此對PU面膜材料的選擇也很重要。謝富春等人采用聚乙二醇為軟段合成的聚氨酯具有優(yōu)異的親水性能，這種軟段結(jié)構(gòu)中帶有親水基團（如乙氧基團）的PU樹脂制得的PU膜，可以使水蒸氣分子在氫鍵的作用下得以吸附，由于鞋內(nèi)水蒸氣壓力大于鞋外側(cè)，使得水蒸氣分子沿著聚氨酯分子鏈間的間隙不斷傳遞到鞋外面，從而起到透濕效果。

    綜上可知，在干法貼面工藝設(shè)計時，如果面膜沒有微孔，即使通過親水PU樹脂也能將水汽轉(zhuǎn)移到超纖合成革面的另一側(cè)，但由于親水PU面膜材料中易形成水膜，難以將水蒸氣快速、持續(xù)轉(zhuǎn)移到超纖合成革面的另一側(cè)，透濕效果不好。因此設(shè)計防護鞋用超纖合成革貼面工藝的時候，采用親水性樹脂的同時，還要將革面設(shè)計出孔徑為4×10-4～20μm的微孔，以便水蒸氣分子能自由通過，水卻難以進入鞋里面，達到透濕和防水的目的。

    B.防護鞋用超纖合成革基布的工藝設(shè)計

    1.防護鞋用超纖合成革基布的防水透濕機理

    研究防護鞋用超纖合成革基布的透濕和防水功能，首先要從超纖合成革基布透濕和防水的機理來分析。透濕實際上是吸附和轉(zhuǎn)移兩個過程，首先鞋里面的水蒸氣（即汗氣）吸附在鞋內(nèi)側(cè)超纖合成革基布上，然后再從鞋內(nèi)側(cè)往鞋外面轉(zhuǎn)移。吸附過程要求超纖合成革基布上有水蒸氣吸附點，吸附點可以是水分子通過氫鍵吸附或多孔吸附，沒有吸附點則水蒸氣就不產(chǎn)生吸附，也就不能將鞋里面的汗氣轉(zhuǎn)移出去，因此設(shè)計超纖合成革基布的時候，要使超纖合成革基布具有一定的親吸水功能。水與合成革基布的尼龍纖維容易形成氫鍵，具有一定的親吸水性能，因此基布具有一定的親吸水性能，此外超纖合成革基布的孔越多，則比表面積也就越大，越容易吸附水蒸氣。在水蒸氣穿透中，如果超纖合成革基布的孔徑大和開孔率高，那么水蒸氣的轉(zhuǎn)移速度就快、轉(zhuǎn)移量就大，防護鞋用超纖合成革基布的截面中具有許多微孔，這些微孔有利于鞋內(nèi)濕氣的轉(zhuǎn)移。

    與此同時，超纖合成革基布的孔徑一般比較大且不均勻，雨水很容易穿過，為了滿足防護鞋用超纖合成革基布的使用，還需要對超纖合成革基布進行后加工處理，使其具有一定的疏水性能，以降低雨水穿過超纖基布的速度和穿過量，使雨水不易到達鞋里面，從而達到防水功能。

    綜上可知，在防護鞋用超纖合成革基布生產(chǎn)工藝設(shè)計時，要使超纖基布具有一定的水蒸氣吸附點（即親水功能），即：超纖基布的開孔率高和具有適當(dāng)孔徑，同時使超纖基布具有一定的防水功能，達到既透濕又防水。

    2.防護鞋用超纖合成革基布的制備

    根據(jù)上述透濕防水機理分析，我們設(shè)計了防護鞋用超纖合成革基布，具體過程如下：將聚乙烯和尼龍6按照一定的重量比共混攪拌，在溫度220～300℃的條件下，通過單螺桿擠出機熔融塑化，從而紡得纖度為4～7旦聚乙烯和尼龍海島纖維，再將纖維切割為長40～60mm的短纖維，經(jīng)過無紡布針刺、無紡布燙平、浸漬濕法聚氨酯漿料、甲苯減量、擴幅上油等工序后制得超纖合成革基布。所得的超纖合成革基布的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與zp相似，其抗撕裂強度、保型性、均勻度、耐化學(xué)性以及防水、防霉變性等方面都超過了tr皮革。

    同時超纖合成革基布結(jié)合具有多孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯漿料浸漬、減量等加工技術(shù)，形成了大量的微孔，具有比表面積大和較強的吸水性。因而，無論從內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，還是外觀質(zhì)感及物理性能，以及人們使用的手感等方面，超纖合成革基布都能與gdtrzp相媲美。工藝流程如下：紡絲→針刺無紡布→燙平→浸漬→減量→擴幅干燥→超纖合成革基布采用有機硅或氟-硅等柔軟疏水處理劑→含浸→壓榨和烘干，得到具有一定疏水功能的防護鞋用超纖合成革基布。

    二、防護鞋用超纖合成革的應(yīng)用領(lǐng)域

    據(jù)香港勞工處統(tǒng)計，約1/3的工業(yè)意外安全事故是由踏物件、碰物件或遭受物件砸傷等原因引起的，結(jié)果往往是足部受傷，重者致殘。在國外，特別是西方發(fā)達國家，在足部防護方面非常重視，要求員工穿著職業(yè)鞋工作。我國也頒布了一系列關(guān)于足部防護的產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)。因此，防護鞋擁有廣闊的市場前景。目前我國擁有了亞洲{zd0}的職業(yè)鞋生產(chǎn)基地。

    隨著社會不斷進步，個體勞動防護用品的品種越來越多，在歐美國家，以前單一的安全防護鞋現(xiàn)在根據(jù)職業(yè)特點分成了防護鞋、防靜電鞋、保護足趾安全鞋、jy鞋、護士鞋、行政鞋、拉丁舞蹈鞋等種類，因此防護鞋用超纖合成革的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，大致如下：

    用于安全鞋方面：用于勞保鞋、防靜電鞋、保護足趾安全鞋和安全防砸鞋等鞋的鞋面。這類鞋的鞋面以黑色或棕色為主，主要適用于采礦、建筑、治金、交通運輸、采伐等行業(yè)，用于保護腳趾。它要求鞋面革透濕防水和強度高，而防護鞋用超纖合成革的物理力學(xué)強度已超過zp，因此防護鞋用超纖合成革目前在國內(nèi)外很受歡迎。

    用于職業(yè)鞋方面：用于護士鞋、行政鞋和女士工作鞋等鞋的鞋面。其中護士鞋非常普遍，目前國內(nèi)外很多醫(yī)院都使用專門的護士鞋，以防打針時針頭掉落刺傷腳。護士鞋以白色為主，要求鞋面革透濕防水、耐彎曲、柔軟、舒適。歐美很多國家都要求行政人員穿著行政鞋上班，女士穿著女士工作鞋，這些鞋也都要求鞋面革具有透濕防水功能。

    用于jy鞋方面：以前大多是牛皮制作，目前已逐步用超纖合成革替代zp，它要求革面具有透濕防水功能。

    用于女士拉丁舞蹈鞋方面：早期多采用牛皮或羊皮生產(chǎn)，目前逐漸使用具有透氣、透濕性能的超纖合成革生產(chǎn)。

    隨著職業(yè)化分工越來越細、個體防護意識日益增強，以及zp來源的日益匱乏，具有透氣透濕防水功能的防護鞋用革將擁有廣闊的市場，將逐步應(yīng)用在運動鞋和跑鞋等領(lǐng)域，在未來逐步替代zp。