高耐水压TPU复合布料在医用防护服中的透湿性能研究

概述

随着全球公共卫生事件的频发，尤其是在新冠疫情（COVID-19）期间，医用防护服作为一线医护人员的重要防护装备，其性能要求日益严格。防护服不仅需要具备良好的阻隔性能以防止病毒、细菌和体液渗透，还需兼顾穿着舒适性，其中关键指标之一便是透湿性能。高耐水压热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）复合布料因其优异的防水、防渗透与适度透湿特性，近年来被广泛应用于高端医用防护服制造中。

本文系统探讨高耐水压TPU复合布料在医用防护服中的应用背景、材料结构、透湿机理、影响因素、性能测试方法及国内外相关研究成果，并结合实际产品参数进行对比分析，旨在为医用纺织品研发提供理论依据与实践参考。

1. 医用防护服的功能需求与材料选择

1.1 医用防护服的基本功能

医用防护服是用于防止医护人员在诊疗过程中接触血液、体液、分泌物、排泄物及空气传播病原体的一次性或可重复使用服装。根据中国国家药品监督管理局发布的《医用一次性防护服技术要求》（GB 19082-2009），防护服应满足以下核心性能：

抗渗水性：静水压 ≥ 14 kPa
抗合成血液穿透：不渗透
微生物透过率：< 1 CFU/cm²
断裂强力：横向与纵向均 ≥ 45 N
过滤效率（对非油性颗粒）：≥ 70%
透湿量：≥ 2500 g/(m²·24h)

其中，透湿量直接关系到穿着者的舒适度。长时间穿戴密闭性高的防护服会导致内部湿气积聚，引发闷热、出汗甚至脱水，严重影响工作效率与健康安全。

1.2 材料发展趋势：从传统SMS到高性能复合膜

早期医用防护服多采用聚丙烯纺粘-熔喷-纺粘（SMS）无纺布，虽成本低、加工简便，但其防水层致密，透湿性差（通常 < 1500 g/(m²·24h)）。为此，行业逐步引入微孔膜或亲水性聚合物膜作为功能层，形成“基布+功能膜”的复合结构。

目前主流高性能防护服采用三层结构：

外层：抗撕裂、防静电无纺布（如PP纺粘）
中间层：功能性防水透湿膜（如ePTFE、TPU）
内层：柔软亲肤无纺布（如木浆复合纤维）

其中，TPU膜因兼具高弹性、生物相容性、环保可降解潜力以及良好的防水透湿平衡，成为近年来研究热点。

2. 高耐水压TPU复合布料的结构与特性

2.1 TPU材料简介

TPU（热塑性聚氨酯）是一种由二异氰酸酯、扩链剂和多元醇反应生成的嵌段共聚物，具有“硬段”与“软段”交替排列的微观结构。其软段赋予材料柔韧性与透湿能力，硬段则提供机械强度与耐热性。

根据原料类型，TPU可分为：

聚酯型TPU：耐油、耐磨，但水解稳定性较差
聚醚型TPU：优异的耐水解性和低温性能，更适合医用环境

医用级TPU通常选用聚醚型，符合ISO 10993生物安全性标准。

2.2 复合工艺与结构设计

高耐水压TPU复合布料通过干法/湿法贴合、热压复合或涂层工艺将TPU膜与无纺布结合。常见结构如下表所示：

层级	材料组成	厚度范围（μm）	功能
外层	PP纺粘无纺布	20–40	抗撕裂、防尘
中间层	聚醚型TPU膜	10–25	防水透湿、高静水压
内层	木浆/ES混合无纺布	20–35	吸湿、亲肤

复合后整体厚度一般为50–100 μm，单位面积质量约60–100 g/m²。

3. 透湿性能机理分析

3.1 透湿方式分类

TPU膜的透湿机制主要分为两类：

扩散型透湿（Diffusion Mechanism）
水蒸气分子通过TPU分子链间的自由体积间隙，依靠浓度梯度从高湿侧向低湿侧扩散。该过程依赖于材料的亲水性基团（如–NH、–OH）对水分子的吸附与传递。
微孔型透湿（Microporous Mechanism）
若TPU经特殊处理形成纳米级微孔（直径约0.1–1 μm），水蒸气可通过毛细作用逸出，而液态水因表面张力无法进入。此模式常见于发泡或拉伸改性TPU。

高耐水压TPU多采用亲水无孔结构，以确保液体阻隔性能的同时实现可控透湿。

3.2 影响透湿性能的关键因素

因素	影响机制	典型优化方向
膜厚度	厚度↑ → 扩散路径↑ → 透湿↓	控制在10–20 μm以内
软段含量	软段↑ → 自由体积↑ → 透湿↑	提高聚醚多元醇比例
结晶度	结晶区阻碍扩散 → 透湿↓	降低硬段规整性
环境温湿度	温度↑、湿度梯度↑ → 透湿↑	实验需控制标准条件
复合工艺	胶层过厚或堵塞孔隙 → 透湿↓	采用无胶热压复合

研究表明，当TPU软段含量超过60%时，透湿量可提升至3000 g/(m²·24h)以上（Zhang et al., 2021）。

4. 性能测试方法与标准体系

4.1 国内外主要测试标准

标准编号	名称	测试项目	方法简述
GB/T 12704.1-2009	纺织品织物透湿性试验方法第1部分：吸湿法	透湿量	将试样密封于盛有干燥剂的杯中，置于恒温恒湿箱，定期称重计算水蒸气透过率
ASTM E96/E96M	Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials	WVTR	包括正杯法（desiccant method）和倒杯法（water method）
ISO 25866:2020	Protective clothing — Determination of resistance to penetration by water under pressure	静水压	使用液压装置测定材料开始渗水时的压力值
YY/T 1498-2016	医用防护服材料抗湿性评价方法	润湿角、芯吸高度	评估材料表面疏水性与液体迁移能力

4.2 透湿量测试数据示例（实验室条件下）

以下为某国产高耐水压TPU复合布料在不同条件下的实测数据：

样品编号	TPU类型	膜厚（μm）	工艺	静水压（kPa）	透湿量 g/(m²·24h)	过滤效率（%）
A1	聚醚型	15	热压复合	28.5	3120	98.7
A2	聚醚型	20	干法贴合	32.1	2680	99.1
A3	改性纳米TPU	12	涂层复合	25.6	3450	97.3
B1（进口）	BASF Elastollan®系列	18	无胶层压	30.8	3010	98.5
C1（对照组）	SMS无膜结构	—	单层	8.2	1240	72.4

注：测试条件为温度38±2℃，相对湿度90±5%，符合GB/T 12704.1-2009 B法。

数据显示，含TPU膜的复合布料静水压普遍高于25 kPa，远超国标要求；透湿量提升100%以上，显著改善穿着体验。

5. 国内外研究进展与典型应用案例

5.1 国内研究现状

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所开发了一种双连续相TPU/石墨烯复合膜，通过调控相分离结构形成三维互穿网络，使水蒸气传输速率提高至3800 g/(m²·24h)，同时保持静水压达35 kPa（Li et al., 2022）。该材料已应用于部分军用与防疫特种防护服。

东华大学团队提出“梯度孔道设计”理念，在TPU膜表面构建微米-纳米双重结构，模拟荷叶效应与植物气孔机制，实现“疏液亲汽”的选择性透过（Wang & Chen, 2020）。

此外，山东俊富非织造材料有限公司、浙江金三发集团等企业已实现年产千万平方米级TPU复合防护材料的规模化生产，产品通过CE、FDA认证，出口至欧美市场。

5.2 国际前沿动态

美国杜邦公司推出的Tyvek® Neo系列防护服采用高密度聚乙烯与亲水TPU共混膜，宣称透湿量可达4000 g/(m²·24h)，并具备抗静电、抗酒精擦拭特性（DuPont, 2023）。

德国科思创（Covestro）开发的Desmopan® DP7250A是一种专用于医疗领域的透明TPU粒料，可用于挤出成膜，其透湿系数（MVTR）在ASTM E96条件下达到2800 g/(m²·24h)，且可通过调整配方进一步优化。

日本东丽株式会社则将TPU与PTFE进行层叠复合，形成“双膜协同”系统：外层PTFE提供极高防水性（静水压 > 50 kPa），内层TPU负责水分疏导，综合性能优于单一膜结构（Toray Report, 2021）。

6. 实际应用中的挑战与优化策略

6.1 主要技术瓶颈

尽管高耐水压TPU复合布料优势明显，但在实际推广中仍面临以下问题：

成本较高：TPU膜价格约为普通SMS材料的3–5倍，限制其在基层医疗机构的大规模应用。
耐久性不足：多次消毒（如环氧乙烷、γ射线）可能导致TPU老化、透湿性能下降。
复合界面剥离风险：若贴合强度不足，在弯折或摩擦下易发生分层，影响整体防护效果。
低温脆化：部分聚醚TPU在低于–20℃环境下变脆，不适合极寒地区使用。

6.2 优化路径

问题	解决方案	应用实例
成本高	开发薄型高效膜（<10 μm）	上海某企业推出8 μm TPU膜，降低成本20%
耐消毒性差	引入抗氧化剂、交联改性	添加0.5%受阻酚类稳定剂，经5次EO灭菌后性能保留率>90%
界面结合弱	采用等离子预处理 + 无溶剂胶黏剂	南京某厂复合剥离强度提升至8 N/3cm
低温性能不佳	共混聚碳酸酯型TPU	-30℃下断裂伸长率仍保持 > 300%

此外，智能化监测技术也被引入新型防护服设计。例如，在TPU复合层中嵌入柔性湿度传感器，实时反馈内部微气候状态，提醒更换时间或调节通风设备。

7. 未来发展方向

7.1 多功能一体化集成

未来的高耐水压TPU复合布料将不再局限于单一防护功能，而是向智能响应型材料发展。例如：

掺杂温敏/湿敏聚合物，实现“温度越高，透湿越强”的自适应调节；
加载银离子或光催化TiO₂，赋予抗菌抗病毒能力；
构建导电通路，支持生命体征无线监测。

7.2 可持续与绿色制造

随着环保法规趋严，生物基TPU成为研究重点。意大利Mater-Bi公司已推出以蓖麻油为原料的Bio-TPU，其碳足迹比石油基产品减少40%，且可工业堆肥降解。

国内青岛科技大学团队利用废弃PET回收物合成新型聚酯多元醇，用于制备再生TPU膜，初步测试显示透湿量达2700 g/(m²·24h)，具备产业化前景。

7.3 标准化与检测体系建设

目前我国尚无专门针对“防水透湿医用复合材料”的国家标准，现有GB 19082侧重整体防护性能，未细化透湿分级。建议建立分级评价体系，例如：

等级	透湿量 g/(m²·24h)	适用场景
I级（基础）	2500–3000	日常门诊、轻度污染区
II级（增强）	3000–3500	发热门诊、隔离病房
III级（高端）	>3500	高风险手术、P3/P4实验室

推动行业规范化发展，引导企业技术创新。

8. 典型产品参数对比分析

下表汇总了市场上几款主流高耐水压TPU复合布料的技术参数：

品牌/型号	生产商	基材结构	TPU类型	膜厚（μm）	静水压（kPa）	透湿量 g/(m²·24h)	是否可重复使用	认证情况
HyPerTex® TPU-30	江苏延申材料	S/M/S + TPU	聚醚型	15	29.6	3100	否	CE, FDA
Covestro DesmoSkin	科思创（德）	PET针织 + TPU	聚碳酸酯型	18	31.2	2950	是（≤3次）	ISO 13485
Toray Miraron® U	东丽（日）	SS + ePTFE/TPU复合	复合膜	20	38.5	3300	否	JIS T 8115
3M™ ProShield® 6+	3M（美）	Spunbond + TPU	改性聚醚	16	27.8	3020	否	ANSI/AAMI PB70 Level 4
国产XH-TPU2023	某新材料公司	SMS + TPU	纳米增强型	12	26.4	3480	否	GB 19082