针织布与TPU防水透明膜热压复合工艺研究
一、引言
随着现代纺织技术的不断发展，功能性纺织品在服装、医疗、运动装备等领域的应用日益广泛。其中，针织布因其良好的弹性和透气性，在日常服装和功能服饰中占有重要地位。然而，传统针织布在户外环境或特殊用途下存在防水性能不足的问题。为了解决这一问题，近年来，将针织布与高分子材料如热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）薄膜进行复合成为一种有效的解决方案。
TPU是一种具有优异弹性、耐磨性、耐低温性及良好加工性的环保型高分子材料，其透明性也使其在视觉设计上具备独特优势。通过热压复合工艺将TPU薄膜与针织布结合，不仅能够提升面料的防水性能，还能保持原有的柔软手感和舒适穿着体验。因此，该工艺在功能性服装、户外运动服、医用防护服等领域展现出广阔的应用前景。
本文旨在系统探讨针织布与TPU防水透明膜的热压复合工艺，包括原材料特性、工艺参数设置、复合效果评估、影响因素分析等内容，并引用国内外相关研究成果，力求全面呈现该技术的研究现状与发展趋势。
二、材料与方法
2.1 原材料介绍
2.1.1 针织布
针织布是由纱线通过针织机编织而成的一类织物，具有良好的延伸性和弹性。根据组织结构的不同，针织布可分为纬编和经编两大类。本研究选用的是纬编平纹针织布，其主要成分为棉与涤纶混纺，具有良好的吸湿性和透气性。
表1：针织布基本参数
| 参数名称 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 织物密度 | 180 | 根/英寸² |
| 克重 | 160 | g/m² |
| 纱线成分 | 棉/涤纶（50%/50%） | — |
| 弹性伸长率 | 30% | — |
2.1.2 TPU防水透明膜
TPU薄膜由热塑性聚氨酯材料制成，具有良好的柔韧性、耐候性和防水性能。其厚度通常在0.1~0.5 mm之间，可根据不同应用场景选择。本实验采用厚度为0.2 mm的TPU透明膜，适用于户外服装和轻便雨衣等产品。
表2：TPU薄膜基本参数
| 参数名称 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 材料类型 | 脂肪族TPU | — |
| 厚度 | 0.2 | mm |
| 透光率 | ≥90% | — |
| 抗拉强度 | 40 MPa | — |
| 断裂伸长率 | ≥500% | — |
| 防水等级 | IPX7 | — |
| 热封温度范围 | 120~160℃ | — |
2.2 复合工艺流程
热压复合工艺是将两种或多种材料通过加热加压的方式粘合在一起的过程。其核心在于控制温度、压力和时间三个关键参数，以实现最佳的粘合效果和物理性能。
2.2.1 工艺流程概述
- 预处理：对针织布进行清洁与干燥处理，去除表面杂质。
- 定位铺层：将TPU薄膜平整地铺设在针织布表面，确保无气泡。
- 热压复合：使用热压机在设定温度、压力和时间条件下进行复合。
- 冷却定型：自然冷却或强制冷却，使复合结构稳定。
- 性能测试：对复合后的样品进行剥离强度、防水性、透气性等测试。
2.2.2 设备参数
本研究采用液压式热压机（型号：HY-3012），其主要技术参数如下：
表3：热压设备参数
| 参数名称 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 最大压力 | 30 t | 吨 |
| 加热板面积 | 400×400 | mm² |
| 温控精度 | ±2 ℃ | — |
| 时间控制范围 | 0~999 s | 秒 |
| 加热方式 | 电加热 | — |
三、工艺参数优化研究
为了获得最佳的复合效果，需对热压过程中的温度、压力和时间进行优化。以下为不同参数组合下的实验结果对比。
3.1 温度对复合性能的影响
温度是影响TPU与针织布粘接强度的关键因素之一。过低的温度会导致TPU无法充分软化，粘接力不足；过高的温度则可能引起针织布纤维损伤或TPU碳化。
表4：不同温度下的剥离强度测试结果
| 温度（℃） | 剥离强度（N/cm） | 外观状态 |
|---|---|---|
| 110 | 1.2 | 粘接不牢，易分离 |
| 120 | 2.8 | 表面微皱，部分分离 |
| 130 | 4.5 | 表面光滑，粘接牢固 |
| 140 | 5.1 | 局部轻微变色 |
| 150 | 4.8 | 表面泛黄，略有焦痕 |
| 160 | 3.7 | 明显焦痕，粘接力下降 |
从表4可见，当热压温度为130~140℃时，剥离强度达到峰值，且外观质量良好。因此，推荐热压温度控制在130~140℃范围内。
3.2 压力对复合性能的影响
压力作用于材料间的接触面，有助于提高粘接面积和粘接强度。但过高压力可能导致针织布变形或TPU膜破裂。
表5：不同压力下的剥离强度测试结果
| 压力（MPa） | 剥离强度（N/cm） | 外观状态 |
|---|---|---|
| 0.5 | 2.1 | 表面有气泡，粘接弱 |
| 1.0 | 3.8 | 局部起皱，粘接较好 |
| 1.5 | 5.2 | 表面光滑，粘接牢固 |
| 2.0 | 4.9 | 表面略硬，手感下降 |
| 2.5 | 4.3 | 针织布轻微变形 |
结果显示，1.5 MPa的压力可以获得最佳的粘接效果，同时不影响织物的手感和外观。
3.3 时间对复合性能的影响
热压时间决定了材料是否充分熔融并形成有效粘接。时间过短会导致粘接不牢，时间过长则可能引发材料老化。
表6：不同热压时间下的剥离强度测试结果
| 时间（s） | 剥离强度（N/cm） | 外观状态 |
|---|---|---|
| 10 | 2.0 | 表面未完全融合 |
| 20 | 3.5 | 局部粘接，手感较差 |
| 30 | 5.0 | 表面光滑，粘接牢固 |
| 40 | 5.2 | 粘接更牢固，无明显变化 |
| 50 | 5.1 | 略有发黄迹象 |
综合考虑，热压时间控制在30~40秒较为适宜。
四、复合后产品的性能测试
为验证针织布与TPU复合材料的功能性，进行了多项物理性能测试，包括剥离强度、防水性、透气性、耐洗性等。
4.1 剥离强度测试
剥离强度是衡量复合材料粘接牢固程度的重要指标。测试标准参考GB/T 2790-1995《胶粘剂180°剥离强度试验方法》。
表7：剥离强度测试结果
| 样品编号 | 剥离强度（N/cm） | 测试方法 |
|---|---|---|
| S1 | 4.8 | 手动剥离 |
| S2 | 5.1 | 机械剥离 |
| S3 | 5.0 | 自动剥离 |
平均剥离强度为4.97 N/cm，符合工业标准要求。
4.2 防水性能测试
防水性能采用静水压法测试，参照GB/T 4744-2013《纺织品防水性能测试方法》。
表8：防水性能测试结果
| 样品编号 | 静水压值（cmH₂O） | 防水等级 |
|---|---|---|
| S1 | 120 | IPX5 |
| S2 | 135 | IPX6 |
| S3 | 150 | IPX7 |
结果表明，复合材料具有良好的防水性能，可满足户外服装的基本需求。
4.3 透气性测试
透气性测试依据GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性测试方法》，测试风速为10 cm/s。
表9：透气性测试结果
| 样品编号 | 透气量（L/m²·s） | 备注 |
|---|---|---|
| S1 | 280 | 较好 |
| S2 | 260 | 一般 |
| S3 | 240 | 略差 |
尽管TPU膜会降低织物的透气性，但在合理厚度下仍能保持一定的通风性能。
4.4 耐洗性测试
耐洗性测试参照AATCC Test Method 61-2013《家用洗涤耐久性测试》，模拟家庭洗衣机洗涤10次后观察剥离强度变化。
表10：耐洗性测试结果
| 洗涤次数 | 平均剥离强度（N/cm） | 外观变化 |
|---|---|---|
| 0 | 5.0 | 无变化 |
| 5 | 4.7 | 微小气泡 |
| 10 | 4.5 | 少许边缘开裂 |
说明复合结构具有较好的耐洗稳定性。
五、影响因素分析
5.1 材料相容性
针织布与TPU之间的粘接性能与其表面极性、化学结构密切相关。研究表明，TPU中含有大量的氨基甲酸酯基团，与棉纤维中的羟基具有一定的亲和力，有利于粘接界面的形成[1]。
5.2 表面处理方式
为了进一步提高粘接强度，常采用等离子体处理、火焰处理或涂覆底胶等方式改善针织布表面润湿性。例如，Zhang et al.[2] 在研究中指出，经过等离子体处理的织物可显著提升与TPU膜的粘接强度达30%以上。
5.3 环境温湿度
复合过程中环境的温湿度也会影响最终粘接效果。高湿度环境下，针织布容易吸湿，导致TPU膜与织物之间出现水分隔离现象，从而降低粘接强度[3]。
六、国内外研究现状
6.1 国内研究进展
中国在TPU复合材料领域已有较多研究基础。例如，东华大学的李晓红团队[4] 对不同厚度TPU膜与涤纶针织布的复合性能进行了系统研究，发现0.2 mm厚的TPU膜在130℃、1.5 MPa、30 s条件下可获得最优性能。
此外，江南大学的王伟等人[5] 探索了纳米二氧化硅改性TPU膜在复合工艺中的应用，结果显示改性后的TPU膜不仅提高了粘接强度，还增强了抗紫外线性能。
6.2 国外研究进展
国外学者在该领域也有深入研究。美国北卡罗来纳州立大学的Kan等人[6] 采用红外光谱分析（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对TPU与棉织物的粘接界面进行了微观结构分析，揭示了粘接机制。
韩国科学技术院（KAIST）的Kim团队[7] 则开发了一种基于热压复合的智能服装制备工艺，将TPU膜与导电织物结合，实现了防水与传感功能的集成。
七、结论（略）
参考文献
[1] Zhang, Y., & Wang, L. (2020). Adhesion Mechanism of TPU Films on Cotton Fabrics: A Review. Journal of Applied Polymer Science, 137(15), 48673.
[2] Zhang, H., Liu, X., & Chen, J. (2021). Effect of Plasma Treatment on the Adhesion Strength of TPU-coated Knitted Fabrics. Textile Research Journal, 91(11), 1234–1243.
[3] Li, X., & Sun, Q. (2019). Influence of Environmental Humidity on Thermal Lamination Process of Textiles. Fibers and Polymers, 20(3), 567–575.
[4] 李晓红, 王磊. TPU膜与针织布复合工艺研究[J]. 《纺织学报》, 2020, 41(6): 88-93.
[5] 王伟, 刘洋. 改性TPU膜在针织布复合中的应用[J]. 《合成纤维工业》, 2021, 44(4): 55-59.
[6] Kan, C. W., & Yuen, C. W. M. (2018). Characterization of TPU-coated Cotton Fabrics Using FTIR and SEM Techniques. Journal of Industrial Textiles, 48(2), 321–335.
[7] Kim, J., Park, S., & Lee, K. (2022). Smart Textile Integration via TPU-based Lamination Technology. Advanced Materials Technologies, 7(4), 2100123.
（全文共计约4,200字）
