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透气膜动态

透气膜防水透湿的透湿机理是什么?

透气膜防水透湿机理
 
 
聚四氟乙烯微孔膜的微孔直径一般在0.1-10μm之间,而水蒸气的分子只有0.0004μm,薄膜的孔径比水蒸气直径大250-25000倍,水蒸气可以顺利通过薄膜微孔;而毛毛雨的直径也有400μm,比薄膜的微孔直径大40-4000倍,因此雨滴不能透过薄膜微孔。另外,由于聚四氟乙烯薄膜材料表面能很低,接触角为135.6°,能阻止液态水润湿和毛细渗透,所以聚四氟乙烯微孔薄膜具有防水透湿的性能。水蒸气分子与雨滴直径的对比见表3-1。
表3-1 水蒸气分子与雨滴直径对比
水的形态 水汽分子 轻雾 毛毛雨
直径(μm) 0.0004 20 200 400
水的形态 小雨 中雨 大雨 暴雨
直径(μm) 900 2000 3000~4000 6000~10000


(1) PTFE微孔膜的防水机理
毛细管吸水机理如图3-1所示。PTFE微孔薄膜微孔呈同心网状结构,液滴在毛细管上,液气界面张力将施加到毛细管的液滴上,根据拉普拉斯方程,附加张力为:
式(3-1)
式中:γLG:液体与气体界面的表面能;ρ1、ρ2:弯曲面两个轴心的曲率半径。
对于圆柱形毛细管空洞,ρ12=ρ,得到:
式(3-2)
由于:式(3-3)
式中:r:毛细管的当量半径;θ:毛细管内壁与液体的前进接触角。

由公式(3-2)、(3-3)得到下式:
向外为正)式(3-4)

图3-1毛细管吸水机理
PTFE微孔薄膜的平均孔径一般为0.1-10μm之间,取r=1μm,20℃时水的γLG为0.0725N/m,取毛细管内壁与液体的前进接触角θ=135.6℃,得到△P=103.6KPa,至少需要10.3m水珠的外压才能使水通过薄膜微孔,实际上,由于聚四氟乙烯微孔膜的微孔不是一条直的通道,而是弯弯曲曲,大小不均的通道,因此,实际张力应大于该计算的树脂。由此可见,PTFE微孔薄膜的耐水压是非常高的,具有优良的防水性能。

(2)PTFE微孔膜的透湿机理
PTFE微孔膜的透湿主要遵循的是微孔透湿原理,即当微孔薄膜两面存在气压差和温度梯度时,水蒸气可以从曲折贯通的微孔渠道通过。微孔透湿过程实质上是一个扩散过程,也即水蒸气分子从一个微孔移至另一个孔,从高浓度区域流向低浓度区域的过程。人体无论是有感出汗还是无感出汗,这是薄膜与皮肤之间的空气层水蒸气浓度都将增大,这时薄膜内外空气水蒸气产生浓度梯度,皮肤表面的汗汽就能通过微孔导向外界。归纳起来共有三个过程:气体或水蒸气在薄膜表面“溶解汽化”;在一定梯度下向膜内扩散;最后通过微孔在浓度低的一面蒸发。
Fonseca.G.F得出泡沫微孔涂层防水透湿织物透湿速率(WVT)的经验公式,此公式也适用于PTFE微孔薄膜和微孔薄膜复合织物,公式如下:
式(3-5)
式中:A:常数;β:薄膜孔隙率,%;T:膜厚度,m;d:孔径,m。
由式(3-5)可知,透湿速率与薄膜孔隙率成正比关系,而与膜厚度与孔径的关系则相反,随着膜厚度与孔径的减小,透湿速率则会增大。