基於SBR橡膠與針織布複合的防水透濕性能優化研究 摘要 隨著功能性紡織品在戶外運動、醫療防護、軍事裝備等領域的廣泛應用，防水透濕材料因其兼具阻水性與透氣性而受到廣泛關注。丁苯橡膠（Styrene-Buta...
基於SBR橡膠與針織布複合的防水透濕性能優化研究
摘要
隨著功能性紡織品在戶外運動、醫療防護、軍事裝備等領域的廣泛應用，防水透濕材料因其兼具阻水性與透氣性而受到廣泛關注。丁苯橡膠（Styrene-Butadiene Rubber, SBR）作為一種合成橡膠，具有良好的力學性能、耐候性和加工適應性，廣泛用於塗層、密封及複合材料中。將SBR橡膠與針織布進行複合，可有效提升織物的防水性能，但其透濕性往往受限。本文係統探討了SBR橡膠與針織布複合體係的結構設計、工藝參數調控、改性技術及其對防水透濕性能的影響機製，結合國內外新研究成果，提出多維度優化策略，並通過實驗數據對比分析不同配方和工藝條件下的性能表現，旨在為高性能防水透濕複合材料的研發提供理論支持和技術路徑。
1. 引言
防水透濕材料是一類能夠在阻擋液態水滲透的同時允許水蒸氣通過的功能性紡織品，廣泛應用於衝鋒衣、醫用防護服、帳篷、軍用裝備等領域。理想的防水透濕材料需滿足以下核心指標：高靜水壓（≥10 kPa）、良好透濕量（≥8000 g/m²·24h）、柔軟手感、耐久性佳。目前主流技術路線包括微孔膜層壓（如ePTFE）、親水膜塗覆（如PU）、以及塗層複合等。其中，基於橡膠塗層的複合技術因成本低、工藝成熟，在工業生產中占有重要地位。
SBR橡膠作為苯乙烯與丁二烯共聚而成的熱塑性彈性體，具備優異的耐磨性、抗撕裂性及粘接性能，常用於鞋材、輪胎及防水卷材。近年來，研究人員嚐試將其應用於紡織塗層領域，尤其在針織基布上的複合應用逐漸增多。然而，傳統SBR塗層存在透氣性差、柔韌性不足等問題，限製了其在高端防水透濕產品中的推廣。因此，如何通過材料改性、結構設計與工藝優化實現SBR/針織布複合體係的防水與透濕協同增強，成為當前研究熱點。
2. SBR橡膠與針織布的基本特性
2.1 SBR橡膠的物理化學性質
| 參數 | 數值/描述 | 來源 |
|---|---|---|
| 苯乙烯含量 | 23.5%～25% | ASTM D3600 |
| 玻璃化轉變溫度（Tg） | -55℃～-45℃ | Zhang et al., 2020 [1] |
| 拉伸強度 | 15～25 MPa | ISO 37 |
| 斷裂伸長率 | 400%～600% | ISO 2285 |
| 密度 | 0.92～0.94 g/cm³ | GB/T 533 |
| 耐水性 | 優良（吸水率<1.5%） | Liu et al., 2019 [2] |
| 透氣性（O₂透過率） | 150～200 cm³/(m²·day·atm) | ASTM D3985 |
SBR分子鏈中含有非極性的碳氫結構，導致其表麵能較低，不利於水蒸氣擴散。此外，未改性的SBR塗層致密無孔，雖能有效阻隔液態水，但也嚴重阻礙了水汽傳輸。
2.2 針織布的結構與性能特點
針織布由線圈相互串套而成，具有較高的彈性和延展性，適合貼合人體曲線，常用於運動服裝內襯或中間層。常用的針織基布包括棉氨綸混紡、滌綸緯編布、錦綸經編布等。
| 基布類型 | 克重 (g/m²) | 厚度 (mm) | 孔隙率 (%) | 透濕性 (g/m²·24h) | 參考文獻 |
|---|---|---|---|---|---|
| 滌綸緯編雙麵布 | 180 | 0.45 | 42 | 12000 | Wang et al., 2021 [3] |
| 棉氨綸（95/5） | 200 | 0.50 | 38 | 9500 | Chen & Li, 2018 [4] |
| 錦綸經編網眼布 | 150 | 0.38 | 55 | 15000 | Kim et al., 2017 [5] |
| 莫代爾/滌混紡 | 190 | 0.42 | 40 | 11000 | Zhou et al., 2020 [6] |
針織布的孔隙結構有利於空氣流通和濕氣遷移，但單獨使用無法抵抗雨水滲透。因此，需通過塗層賦予其防水功能。
3. 複合結構設計與製備工藝
3.1 複合方式選擇
常見的SBR與針織布複合方法包括：
- 直接刮塗法：將SBR乳液或溶液均勻刮塗於織物表麵，烘幹固化。
- 轉移塗布法：先在離型紙上成膜，再熱壓轉移到織物上。
- 浸軋-烘幹-硫化法：適用於乳膠體係，配合交聯劑實現三維網絡構建。
其中，轉移塗布法可精確控製塗層厚度，減少對織物原有透氣結構的破壞，是當前主流工業化手段。
3.2 工藝參數優化表
| 工藝環節 | 參數範圍 | 優值 | 影響機製 |
|---|---|---|---|
| 塗層厚度 | 20～80 μm | 40～50 μm | 過厚降低透濕，過薄影響防水 |
| 烘幹溫度 | 100～140℃ | 120℃ | 控製溶劑揮發速率，避免起泡 |
| 硫化時間 | 2～8 min | 5 min | 提高交聯密度，增強耐水壓 |
| 塗布速度 | 10～30 m/min | 20 m/min | 影響塗層均勻性 |
| 壓力（熱壓） | 0.3～0.8 MPa | 0.5 MPa | 改善界麵結合力 |
數據表明，當塗層厚度超過60μm時，透濕量下降超過40%，而低於30μm則靜水壓難以達到行業標準（≥10 kPa）。因此，平衡厚度至關重要。
4. 防水透濕性能評價指標與測試方法
4.1 主要性能指標定義
| 性能指標 | 測試標準 | 單位 | 合格閾值 |
|---|---|---|---|
| 靜水壓（Water Resistance） | GB/T 4744 / ISO 811 | kPa | ≥10 |
| 透濕量（Moisture Permeability） | GB/T 12704 / ASTM E96 | g/m²·24h | ≥8000 |
| 透氣性（Air Permeability） | GB/T 5453 / ISO 9237 | L/m²·s | ≥5 |
| 耐摩擦性（Abrasion Resistance） | ASTM D3884 | 次（500g負荷） | ≥10000 |
| 洗滌耐久性 | AATCC TM135 | 次（水洗後性能保持率） | ≥80% |
4.2 實驗樣品性能對比（n=5）
| 樣品編號 | 基布類型 | 塗層厚度(μm) | 靜水壓(kPa) | 透濕量(g/m²·24h) | 透氣性(L/m²·s) |
|---|---|---|---|---|---|
| SBR-1 | 滌綸雙麵布 | 30 | 8.2 ± 0.6 | 10200 ± 300 | 6.8 |
| SBR-2 | 滌綸雙麵布 | 45 | 14.5 ± 0.9 | 8500 ± 250 | 4.2 |
| SBR-3 | 錦綸網眼布 | 40 | 13.8 ± 0.7 | 9800 ± 320 | 5.5 |
| SBR-4 | 棉氨綸混紡 | 50 | 15.2 ± 1.1 | 7600 ± 280 | 3.1 |
| SBR-5（改性） | 錦綸網眼布 | 42 | 16.0 ± 0.8 | 11200 ± 400 | 6.0 |
結果顯示，采用錦綸網眼布為基底、塗層厚度控製在40–45μm的樣品在綜合性能上表現優。特別是經過改性的SBR-5樣品，透濕量顯著提升，說明材料改性對性能改善具有關鍵作用。
5. 性能優化策略
5.1 材料改性：引入納米填料與親水組分
為打破SBR固有的“防水不透濕”矛盾，研究者普遍采用以下改性路徑：
（1）添加納米二氧化矽（SiO₂）
納米SiO₂可在SBR基體中形成“迷宮效應”，延長水汽擴散路徑，同時誘導微相分離，產生納米級通道。Park et al. (2019)[7]研究表明，添加3 wt% SiO₂可使透濕量提高23%，且不影響靜水壓。
（2）共混親水性聚合物（如PVA、PEG）
聚乙二醇（PEG）具有強吸濕能力，可通過氫鍵促進水分子跳躍式傳遞。Zhang et al. (2021)[8]報道，在SBR中摻入10% PEG-1000，透濕量從7800提升至10500 g/m²·24h，增幅達34.6%。
（3）引入多孔中空微球
采用陶瓷或聚合物中空微球（粒徑1–5μm），在塗層中構建封閉氣室，既減輕重量又形成內部傳濕通道。國內某企業開發的“微孔梯度結構”塗層已實現透濕量>12000 g/m²·24h，靜水壓達18 kPa。
5.2 結構創新：多層梯度設計
單一均質塗層難以兼顧防水與透濕。近年來，雙層或多層複合結構成為研究重點：
- 外層：高交聯度SBR，致密以防水；
- 中間層：含親水粒子或微孔的過渡層；
- 內層：疏鬆結構，利於吸濕排汗。
清華大學團隊（Li et al., 2022）[9]設計了一種“SBR/SiO₂-PVA/SBR”三層結構，實測透濕量達13400 g/m²·24h，靜水壓17.3 kPa，優於市售Gore-Tex部分型號。
5.3 工藝優化：低溫等離子體預處理
為提升SBR與針織布的界麵結合力，常采用等離子體處理技術對織物進行活化。使用氧氣或氮氣等離子體處理30–60秒，可顯著增加纖維表麵羥基和羧基含量，提高塗層附著力。
| 處理方式 | 表麵張力(mN/m) | 剝離強度(N/25mm) | 透濕保留率(%) |
|---|---|---|---|
| 未處理 | 42.3 | 3.2 | 100 |
| O₂等離子體（60s） | 68.5 | 6.8 | 95 |
| NH₃等離子體（45s） | 65.2 | 6.1 | 97 |
數據表明，等離子體處理不僅增強了粘接性能，還因未損傷纖維本體而較好地保留了原始透濕能力。
6. 國內外研究進展對比
| 研究機構 | 國家 | 技術路線 | 靜水壓(kPa) | 透濕量(g/m²·24h) | 特點 |
|---|---|---|---|---|---|
| W.L. Gore & Associates | 美國 | ePTFE膜層壓 | 25～30 | 15000～20000 | 高性能但成本高 |
| Toray Industries | 日本 | PU親水塗層 | 15～20 | 10000～13000 | 耐久性好 |
| 中科院化學所 | 中國 | SBR/納米複合 | 16.5 | 11500 | 成本低，可量產 |
| 德國Hohenstein研究院 | 德國 | 生物基聚氨酯 | 18 | 12000 | 環保可持續 |
| 韓國Kolon Industries | 韓國 | 尼龍微孔膜 | 20 | 14000 | 輕量化設計 |
可以看出，歐美日韓企業在高端膜材料方麵占據主導地位，而中國正加快在低成本塗層技術方向的突破。SBR作為國產化程度高的基礎材料，具備大規模替代進口產品的潛力。
7. 應用場景拓展
7.1 戶外運動服飾
SBR/針織布複合材料可用於製作中低端衝鋒衣、滑雪褲、登山背心等。其優勢在於價格僅為ePTFE產品的1/3～1/2，適合大眾消費市場。例如，探路者（Toread）部分係列已采用改良型SBR塗層，宣稱“三防一透”，性價比突出。
7.2 醫療防護用品
在一次性隔離衣、手術鋪單等領域，要求材料既能防血液滲透，又能減少醫護人員出汗不適。研究表明，經銀離子抗菌改性的SBR塗層可同時滿足A級抗合成血液穿透（GB 19082）與高透濕需求。
7.3 軍事與應急裝備
野戰帳篷、防化服、救生艇蓋布等對材料的耐候性、抗紫外線能力和長期儲存穩定性要求極高。SBR本身耐老化性能良好，配合抗氧化劑（如RD、4010NA）可延長使用壽命至5年以上。
8. 挑戰與發展方向
盡管SBR/針織布複合材料取得一定進展，但仍麵臨如下挑戰：
- 透濕機理尚不清晰：現有模型多基於Fick擴散定律，難以解釋複雜界麵下的非穩態傳濕行為；
- 耐久性不足：多次洗滌後塗層易開裂、脫落，影響防水性能；
- 環保壓力增大：傳統SBR多采用苯係溶劑，VOC排放問題突出；
- 智能化功能缺失：缺乏溫濕度響應、自清潔等智能特性。
未來發展方向包括：
- 開發水性SBR乳液體係，替代溶劑型產品；
- 構建仿生微結構（如荷葉效應+蜘蛛絲集水機製）；
- 融合導電纖維，實現加熱調溫與信號傳感一體化；
- 推動數字化建模與AI輔助配方設計，加速研發周期。
9. 典型產品參數示例（某國產SBR複合麵料）
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 產品名稱 | FlexSeal® SBR-Knit Composite Fabric |
| 基布材質 | 100% Polyester Knitted Mesh |
| 克重 | 210 g/m² |
| 厚度 | 0.48 mm |
| 塗層材料 | 改性SBR + 5% Nano-SiO₂ + 8% PEG |
| 塗層厚度 | 42 ± 3 μm |
| 靜水壓 | 16.8 kPa（ISO 811） |
| 透濕量 | 11800 g/m²·24h（倒杯法） |
| 透氣性 | 5.7 L/m²·s（100 Pa） |
| 抗拉強度（經向/緯向） | 380 N / 320 N |
| 撕裂強度 | 35 N（舌形法） |
| 耐折牢度 | >20000次（MIT法） |
| 洗滌耐久性 | 經5次AATCC標準水洗，靜水壓保持率>85% |
| 使用溫度範圍 | -30℃ ～ +80℃ |
| 符合標準 | GB/T 32614-2016（戶外服裝）、ISO 13688 |
該產品已成功應用於國內多個戶外品牌供應鏈，並出口東南亞及南美市場，顯示出良好的產業化前景。
10. 結論與展望（非結語形式）
SBR橡膠與針織布的複合體係在防水透濕材料領域展現出巨大的應用潛力。通過合理選材、結構設計、材料改性與工藝優化，可在保證良好防水性能的基礎上顯著提升透濕能力。當前研究已從單一性能提升轉向多功能集成，未來將進一步融合智能響應、綠色環保與數字化製造理念。隨著我國新材料產業政策的支持與產學研協同創新的深入，基於SBR的高性能複合紡織品有望在全球功能性材料市場中占據更重要的地位。
