王家華、周淑珠、張光欽 / 臺灣永光化學工業股份有限公司
水性PU(PUD)相比於傳統溶劑型PU，可降低空氣污染，也避免人體接觸或吸入，而造成健康的危害，在使用上相對地安全，是具有市場潛力的環保型材料之一。本研究主要以環保水性PU為基材，結合泡沫塗佈加工技術，期望發泡塗層賦予織物柔軟、乾爽不回黏、回彈性、防風性。研究中主要探討不同起泡劑、穩泡劑及增稠劑的添加比例，對於發泡比和穩泡(操作)時間的關聯性，以及不同結構PUD發泡塗層於織物上的物性表現。研究結果顯示，添加比例為：起泡劑2%、穩泡劑8%、增稠劑2%時，泡沫成孔性穩定。全聚醚系統水性PU發泡塗層的手感(柔軟)及回彈性較佳。表面觸感及防風性部分，聚醚-聚碳酸酯複合型水性PU系統較佳。
【內文精選】
前 言
近十多年來，因為環保意識的抬頭及提倡，有機溶劑型PU的揮發性有機化合物 (Volatile Organic Compounds; VOC)問題受到重視，除了有機溶劑揮發造成環境危害之外，同時對於工業使用與存放造成威脅，在這樣的背景之下，溶劑型PU的發展已受限制，PU的研究與使用重心亦轉為以水作為溶劑的水性聚胺酯(Water-based PU; 水性PU)。透過特殊親水並耐水解之結構設計，配合機械剪切力自行乳化的水性PU，亦稱為水性聚胺酯分散液(Polyurethane Dispersion; PUD)。此減少與材料性能無直接關係之乳化劑的添加，並增加有效原子利用率的材料，為符合綠色化學的新一代高分子材料產品，目前已有包括永光化學在內的多家企業投入開發，應用於許多不同的產業領域之中。
紡織塗層加工，即是在織物之表面均勻地塗上一層或多層之高分子聚合物薄膜，目的為賦予織物產品更具多功能性與多樣化，可改善織物之外觀和風格，其於織物應用上為發展已相當成熟之加工工藝，相關產品應用更是充斥在大眾週遭生活環境當中。織物塗層加工主要需具備有兩個物件，基布與塗層材料，而此兩個物件之選擇與搭配，則決定於織物產品之最終應用要求。其中又以塗層材料最具可變性而能夠賦予織物多樣化之功能，相同之基材可因塗佈不同塗層材料而有不同的效果與終端應用，因此塗層材料之使用與設計可謂織物塗層加工之重要核心與技術。
水滴孔徑大小約在100~3,000 μm，而泡沫(Foam)孔徑僅10~30 μm，汗濕氣孔徑更小，約在0.0004 μm，三者之間則有水滴＞泡沫＞汗濕氣的關係。水性PU經由泡沫加工處理並且應用在織物加工上，其泡沫產品具有質地柔軟(Soft Texture)、重量輕(Light-weight)、回彈性好(Resilience)、防風(Windproof)、透氣(Permeability)、透濕(Moisture)、防水(Waterproof)、保溫(Heat Insulation)、保暖(Warm)與環保等特性，可藉此提升紡織品的機能性與附加價值，如應用於服裝用料、人工皮革、沙發用布、鞋材、窗簾、地毯背膠、過濾材料等。
理 論
以水性PU為基底，使用物理或是化學手段加工，用於製造內部具有許多微小孔洞的聚胺酯製品，在介面上是屬於氣體作為分散相分散水性PU，根據發泡方式可分成下列三種：
①機械發泡：使用機械攪動在水性PU中產生剪切力，藉此將空氣帶入PU中，形成泡沫結構。但也因為施予外力的關係，氣泡容易受到影響而破裂，所以需要額外添加穩泡劑（常用穩泡劑有琥珀酸鹽）來避免這樣的情形發生。
②物理發泡：在PU內部沒有化學反應產生下，藉由發泡劑（常用惰性氣體發泡劑有N2、CO2、CH4、H2）釋放氣體使PU轉變成泡沫狀。
③化學發泡：藉由發泡劑（常用化學發泡劑有偶氮化合物，如偶氮二甲醯胺(ADC)；醯類化合物，如4,4-二磺醯二苯醚(OBSH)；N-亞硝化合物，如N,N-二亞硝基五次甲基四胺(DPT)）的分解反應，同樣在PU內部產生氣體，製作成PU泡沫，同時可以藉由溫度控制發泡劑分解速度與氣體量。
實 驗
1. 材料
Evereco PUD(不同結構系統，物性彙整於表一)、起泡劑(硬脂酸銨，陰離子性)、穩泡劑(琥珀酸鹽，陰離子性)、增稠劑(PU型，非離子性)、架橋劑(聚氮丙啶型、異氰酸酯型)、20D針織布、75D平織布。
表一、不同結構系統PUD的物性
2. 泡沫塗佈加工
① 將水性PU、起泡劑、穩泡劑、增稠劑與架橋劑置於容器中。
② 利用高速剪切力攪拌混合形成泡沫。
③ 量測與記錄發泡比。
④ PUD泡沫再依序靜置0、30、60、90、120 min後，於織物上進行塗佈。
⑤ 設定相同條件下(濕塗量、速度)，以電動塗佈試驗機進行刮塗。
⑥ 置入塗佈烘乾試驗機烘乾(圖一為泡沫塗佈製程示意圖)。
⑦ 觀察塗層外觀且利用探索顯微鏡觀察內部氣泡孔洞變化。
3. 實驗、檢測設備及物性評估
① 電動塗佈試驗機：LABTEC C-6 (圖二(a))。
② 塗佈烘乾試驗機：LABTEC C-3 (圖二(b))。
③ 透氣性：ASTM D737。
④ 回彈性：塗層用指尖測試回復效果。
結果與討論
1. 不同起泡劑、穩泡劑及增稠劑添加比例，對發泡比與穩泡時間之影響
(1) 發泡劑、穩泡劑和增稠劑的交互作用對於發泡比之影響
不同起泡劑、穩泡劑及增稠劑添加比例的發泡結果如表二。經實驗結果得知，固定起泡劑2%、穩泡劑添加量為4%或8%的情況下，對於實驗整體來說，有提升發泡比的效果；但是起泡劑增加為6%時，發泡比呈現降低情形。於相同起泡劑、穩泡劑添加量時，當增稠劑添加量較少，發泡比相對較高。於發泡劑2%、穩泡劑4%、增稠劑1%(實驗代號1)時，具有最大的發泡比。
(2) 發泡劑和穩泡劑的交互作用對於穩泡時間之影響
圖三為水性PU泡沫配製後不同塗佈時間的發泡塗層結果。經實驗結果得知 …以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。