防水透氣材質的相關知識

防水透氣材質的相關知識




一、什麼是防水透氣材質?
所謂「防水透氣」一更精確來說應該是「抗水透濕」，這是指材質能防止雨水穿透又能將汗液蒸氣排出的特性，所以服裝會減少發生結露而導致濕冷不舒服現象。「透氣性」，正確應指透濕性water vapor transmissione，係指在劇烈運動時身體釋放的蒸氣會藉由體表揮發至外部而達到降溫的效果及維持絕佳的舒適與乾爽。「抗水性」係指布料具有抵擋水分穿透的能力。
二、防水透氣材質的製程和結構:
1.塗層織物:
◎這類織物就包括我們登山防雨層中最常見的使用塗佈(Coating)和貼合材質的服裝。
◎從製程而言，又可區分為直接塗佈、泡沫塗佈、濕式塗佈及薄膜貼合等。
◎以膜層(laminate)構造而言，則區分為無孔質親水性膜層、與微多孔疏水性膜層。
◎無論是直接塗佈樹脂或薄膜貼合，其材質特性可分為微多孔型及親水型(無孔型)兩種，微多孔型每平方公分之樹脂或薄膜加工的表面含有數以萬計的微孔，這些微孔遠比水滴要小，因此即使在壓力之下也能完全阻擋水分的滲透，又能讓衣著內的水氣排出，保持乾爽。而親水型則係利用親水基將汗水吸附再藉由擴散、對流方式將汗水排出。依實際環境需求，有不同的耐水壓及透溼度組合布料。
①無孔質親水性膜層:
塗層織物之透濕作用過程為內層吸濕、中層擴散、外層排濕，其透濕防水機能性指標的高低除與其塗層製程相關外，膜層構造是透濕性與防水性之關鍵。以無孔質親水性膜層為例，利用PU樹脂主鏈上之親水性官能基集團，達到透濕效果，其孔徑小於0.001μm達到其防水效果，其加工方式可透過直接塗佈或轉移貼合完成無孔質親水性膜層織物，其透濕性較微多孔疏水性膜層織物為低，防水性與耐水洗性較微多孔疏水性膜層織物為高，但塗層織物若不經後塗佈與撥水加工，則易於遇水後膨潤（Swelling）導致膜層耐磨性下降而剝離。MHW的Conduit即為此類材質。
②微多孔疏水性膜層:
以微多孔疏水性膜層為例，利用W/O乳化型樹脂予以適當乳化處理後，直接塗佈於織物上，經烘箱逐步將樹脂中不同揮發速率之溶劑予以揮發，造成相轉換而形成微多孔膜，其孔徑為0.1～3μm。另一種方式為利用PU樹脂溶液塗佈於織物表面，再經凝固浴，濕式凝固成微多孔膜，利用水與溶劑（D.M.F.）之置換及勒沙特列原理（Le Chatelier's Principle）產生孔隙並控制其大小與密度，此種膜層具互相連通之蜂巢狀結構，其孔徑為0.5-2μm，為使其防、撥水效果更加提升，可於塗層表面再施予氟素撥水劑處理。Marmot的Pre-Cip即為此類材質。
至於聚四氟乙烯(PTFE)樹脂膜層，一般俗稱鐵氟龍，其製程為將聚四氟乙烯膜加熱至熔點以下，以雙向急速延伸，使其成微纖狀（Fibrill）之微多孔構造，據稱該薄膜每平方英吋具有90億個孔隙，其孔徑小於0.2μm，透濕防水機能優異，但缺乏彈性，適用於貼合織物，另其孔隙易於受鹽分、介面活性劑與人體油脂阻塞，而降低其機能性，因此市售商品多採二層或三層貼合織物，GTX和e-Vent即為此類材質。
2.防水處理之高密度織物:
這是一種利用物理性質的「組織防水」
織物，因此材質必須大幅度提升織物之密度，盡可能縮小織物結構孔隙（織造之緊度係數及纖維規格之細度、橫斷面、沸水收縮率具關鍵性影響），再依據不同市場之防水需求施予不同配方及條件之撥水劑與填塞劑，以控制孔隙之大小，達成市場所要求之透濕性與防水性之平衡。以高密度織物作基材，經過壓光加工與高分子填塞劑處理，可獲得濕阻抗Ret值＜6，耐水壓1000～2000mmH2O之織物，適用於運動休閒外套、風衣、羽毛衣等產品。

*各項材質的詳細做用原理請參考這個網頁說明。
*以上資料來源為全球紡識資訊網、台灣機能性紡識品網頁。

三、微多孔薄膜透氣作用的一些原理說明:

首先我想自從防水透氣材質問市就開始有著數不清對於此類功能上的討論和爭議，其實要了解這些問題為何發生也許得從「防水透氣」材質的作用原理開始來說起，這部份內容我們先以微多孔式的薄膜為例做說明或許可以讓大家有些解答的方向。

一開場先來一句大家耳熟能詳的GTX的廣告詞:「GTX材質上的微孔比水分子小但比蒸氣大所以能達到防水透氣的效果」。不過如果就這個論點我們是不是可以反過來思考，既然抗水微孔型材質的結構如廣告詞所述，那你是否想過材質外的水以蒸氣型式是不是也有可能穿過材質進入到服裝內層呢? 這個問題的答案也許要從材質的"透氣"原理來說起。

首先要說明一個重要的觀念，防水透氣材質中所謂的「透氣」我們應該更精確的稱為是「透濕」，也不要和對流方式的通風透氣(air permeability)搞混了。我們常聽到GTX廣告中總是宣傳它們的材質是完全防風，這也就說明了這層防水透氣材質是會阻止內外空氣的對流。即然事實如此，那究竟是什麼原因讓服裝內層帶著水分子的蒸氣(water vapor)能穿透材質達到透濕的作用呢?

事實上，能讓材質內蒸氣向外部的原因就在於材質內外兩側蒸氣壓(Vapor pressure)的不同，在材質兩側蒸氣壓差越大則傳導速度越快，而蒸氣壓力的高低則取決於「溫度」和「相對濕度」二項因素─溫度和相對濕度越高則蒸氣壓越高，反之則蒸氣壓力越低。一般來說，防水透氣材質因為使用者的運動以及流汗讓內側溫度和相對濕度都很高，也因此俱備有較高的蒸氣壓可以讓內側的濕氣通過材質傳向外部，這就是微孔型防水透濕材質的主要作用方式，至於無孔的親水型材質我會在第五部份中以PU為例解釋其作用過程。

了解原理後我們再回到本節最初的疑問來看，如果說外部的溫度和相對濕度可以到達比材質內更高(蒸氣壓更高)，就理論來看也是可能讓外界的蒸氣穿透材質。只是就實際的環境數據來看如果外部要達到如此高的蒸氣壓那你大概是位在高溫高濕的熱帶雨林，而防水透氣衣物可能也很難穿的住了。

透濕作用中我們要注意的是這蒸氣穿透材質的過程並不是一路暢通無阻，這個過程會因為材質的另一項能力─濕阻抗*而有所不同，也因此內側蒸氣往往會無法達到足夠的穿透量(速度)，穿透速度的不足結果會造成材質內高溫高濕的蒸氣還沒通過材質前就在凝結(內外的溫差往往會讓材質在一定深度就會降到露點)成液態(水)了，這個狀況在使用者處於高運動量時會更加明顯，因為即使是目前透氣性最好的材質仍然不足以應付高運動時所需的透濕性，而在材質內側凝結的後果往往就是讓使用者的內層衣物也都濕透了。

在介紹了薄膜式防水透氣材質在作用過程中的原理後，讓我們來看看一般常聽到的說法，如果使用的環境外界的相對濕度很高那防水透氣服裝的透濕性(能力)會降低，真的是如此嗎?如果是微多孔式的薄膜這答案的關鍵應該是在"溫度"*這項條件上。

如果只從蒸氣壓高低差的作用來看(先不考慮表布和濕阻抗的狀況)，透氣速度的關鍵在於材質二側的蒸氣壓差，重點是蒸氣壓力的高低則取決於相對濕度與溫度。所以說外部環境相對濕度大則氣溫會決定蒸汽壓的高低，這也就是說如果是濕冷的環境那材質外的蒸氣壓依然是不高(溫度低)，所以對於透氣性並不會有多大影響，但如果是濕熱的環境，隨著外部溫度的提高，內外的蒸氣壓力梯度縮小會使得透濕速度也因此減低了。不過如本段一開始所言這是簡化了某些變數的狀況，所以請當做一個理論分析即可。

我來簡單舉個例子來說明這個狀況，我們可以參考這張表格中的數值來對照，如果材質內層相對濕度為100%，溫度為25度C的狀況下，蒸氣壓是23.7mmHg，而外部環境如果相對濕度一樣但溫度只有10度C時，蒸氣壓卻只有12.8mmHg，二者壓力差在不考慮其他因素下是依然可以保持其透氣性的。而如果環境是乾冷那外界的蒸氣壓更低，材質內外蒸氣壓差距大自然透氣能力會比較理想。

最後說明一下，同樣是微多孔型式的薄膜為什麼PTFE會比PU型式的透濕性好。這是因為PU加工的微多孔型式薄膜其孔徑大小不一而且有很多孔有不連續(貫通)的狀況，所以比起PTFE薄膜效能會差上一些。

*依據美國陸軍實驗室的數據，「溫度」的變數對於微孔式薄膜材質影響較大，對於無孔親水性的材質「濕度」的影響是比較大的。
*關於水的三態、相對濕度、蒸氣壓、露點等說明大家最好可以上網了解一下，這些不只和防水透氣相關對於整個服裝和宿營系統都有著重要的關聯。
*濕阻抗是指濕氣要透過材質的阻力，阻力大小影響著蒸氣通過材質的速度與流量。

四、防水透氣材質的測試標準和說明：由以上的內容我們已經了解防水透氣材質的製成方法。接下來我們以二種測試來了解，這些防水氣材質的性能是如何測試?各項測試數值所代表的意義為何?
1.透氣度(透濕性)的測試方法：
①濕阻抗法(Ret)：
水蒸氣阻度Ret(m2,Pa/W)，這個數值愈小代表濕氣要透過材質的阻力愈小，相對來說也比較透氣。測試方法說明：符合ISO 11092 或EN 31092，Ret 濕阻抗試驗規範為目前歐美等國主要評估透濕防水紡織品的依據。舉ISO 11092為例，在溫度35 ℃、相對溼度40% R.H.、風速0.05 m/s的環境下，於熱板調整溫度至35℃，將織物平放在熱板上，量取熱板達到平衡時的熱流量，利用計算求得織物的水蒸氣阻度。
▲<表一>市售防水透氣材質的濕阻抗比較表
從<表一>數值中我們可以發現大部份市售防水透氣材質的特性都屬於相對濕度低時濕抗值值高(透氣性差)，但相對濕度高時卻相反，只有少數材質的濕阻抗值低於100，而且不論相對濕度高度表現都十分平均。
②透濕度（g/m2，24hrs）法：測試方法：這個測試標準有很多種，主要是計算透濕杯放置於設定條件的環境下，其現狀重量與一段時間後之重量差，以求出透濕度。
▲<表二>市售防水透氣材質的透濕度比較表
表二的數值愈高代表其透濕性愈佳，但其中我們同樣可以注意到eVent或Entrant gⅡ材質不論相對濕度高低其透濕能力變化不大，但其他如GTX或GTX XCR材質在相對濕度低時透氣能力卻明顯降低，由這點可以看出在PTFE材質內多貼合一層PU結構明顯的是影響了GTX材質的透濕性，這點在第四項中會有更進一步的說明。

＊上面二個表格中數值表現最好也就是透濕性最好的大家可以注意到是Expaned PTFE Menbrane這個材質，這就是原始的PTFE薄膜。
＊以上二個表格的原文可參考這個網頁，試驗的環境氣溫和相對濕度詳細設定數值在網頁都有說明。X軸中的平均濕度係指材質兩面的相對濕度平均值，不過這不是說材質二側濕度都相同，事實上材質兩側的濕度梯度差始終皆保持為50%。
＊請大家一定要知道，市面上關於防水透濕能力的測試方法實在很多，各種測試所設定的條件和實驗的限制也都不一樣，加上實驗室的條件永遠不會和戶外實地相同，加上各家廠商都會只提供對自己材質特性有利的數據來宣傳，基本上測試數據大家都當做參考用就可以了。
2.抗水性(耐水壓)測試方法：
這數值指的是材質的防(抗)水能力，根據JIS-L1092測試標準,這數值指的是每平方釐米的面積上可以承受多少mm的水柱一小時不滲水，所以這數值愈大，抗水壓能力也就愈好。
五、GTX的材質基本構造與作用原理:

還是以GTX材質的廣告詞:「GTX材質上的微孔比水分子小但比汗氣大所以能達到防水透氣的效果」來說起，不過事實真的是這樣嗎?你知道GTX的膜層結構嗎?GTX的透氣性到底如何呢?以下我們就來詳細說分明。

我相信這是一個很多人不了解的問題，因為長久以來GTX只用強大的宣傳和行銷都告訴我們它的防水透氣功能有多神奇，卻從不讓大眾真正的了解其中的原理和缺點，更慘的是這些宣傳的費用還是加諸在商品售價中由消費者吸收。

GTX既然號稱是「世紀之布」，那首先我們就從GTX的這層PTFE薄膜結構和特泩開始說起。GTX在製程中PTFE經由加熱後快速拉伸而成的結構並非是孔狀而是纖維的絲狀，藉eVent官網上的這張圖大家就可以看的很清楚這種PTFE的結構，而在絲狀結構中的空間大小其實是足以讓水分子通過的，其實真正能讓PTFE薄膜達到防水的原因是它的表面貝有很高的表面能(量)，讓它具備極高的抗水性能夠抵抗外部的大雨，而據稱這抗水性是在現實狀況中再大的雨也無法達到的。

當三十年前GTX一推出時的確是非常透氣，它當初的透氣性大約等於上面二個表格中Expaned PTFE的數值。不過這第一代的GTX材質很快的因為內層接觸了使用者的體油、清潔劑等造成材質污染降低了表面能量，最終結果是讓材質失去抗水性導致漏水。更精確的來解釋就是因為表面能量的降低(抗水性降低)讓水分子以毛細作用被吸收至材質內層，這代表了這個材質失去了它的主要的防水功能，雖然這是個很嚴重的問題，但GTX長久以來總是宣稱這種內層的污染只有阻塞微孔造成透氣性降低而已，所以你也很少能聽到以下所說的GTX結構為此所做的改變!

GTX的工程師為了解決材質內層表面污染的問題，想出了在GTX薄膜的內側再加上了一層親水性無孔的PU，如此一來是解決了污染的問題但另一方面卻又產生了一個更大的問題就是原本的GTX因為PTFE內側多了一層PU而導致透氣性大大減低。

這是為什麼呢?多一層PU為什麼讓透濕性大大降低?讓我來慢慢說給你聽。首先我們要了解這GTX加上的PU是所謂無孔親水型的結構，這就是說這層PU因為表面沒有微孔所以水不論是以液態(liguid)或蒸氣(vapor)型式都無法直接通過，水只能以最簡單的分子(H2O)狀態在PU中進行擴散*(solid state diffusion)才能通過PU到達PTFE薄膜後再以蒸氣形態達成透氣。這其中擴散的原理簡單來說是物質會由高密(濃)度的地區移動到低密度地區，當親水性的PU材質內側藉由濕度提高(吸收越來越多的水與濕氣)不斷的提高密度，就造成了水分子向乾燥而密度低的外側移動。這個PU的擴散作用速度與密度高低成正比，也就是當內層密度越高，擴散也會隨密度梯度增加而加快，這也就解釋<表二>數值中為何在相對濕度越高的狀況下GTX的透氣表現會越好了。

GTX公司原本以為加上PU是一個好方法，結果PU的擴散能力再快也無法和最初的GTX相比，而為了達到市場可接受的商品透氣度，於是GTX的工程師把這層PU做到盡可能的薄，只是從實際數據的表現來看，多了PU的GTX依然失去了很多的透氣能力。多年以來GTX結構中這層PU的存在似乎是不能說的秘密，大家上網查查GTX網站在說明中沒有一句提到這層PU的，只是很含糊的說結構中有做防油處理，不能說的原因很簡單就是不想把其中的缺點誠實的曝露出來，一切就是基於商業考量而已。

不過我們再進一步來看看，在多加了這一層薄薄的PU後對於使用上的另一項重大的影響就是在低濕度時透氣性不佳。根據上圖<表二>中的數值，在相對濕度70%時eVent的透氣性只比GTX高出30%左右，但是在相對濕度30%時，eVent的透氣性卻比GTX高出200%。這個在低濕度時透氣性不佳的缺點會讓GTX服裝內的濕度不斷累積，這就是PU的擴散特性造成的結果，因為低濕度時材質透氣性不佳以及要累積濕度提高密度，這會讓內層服裝在達到足夠透氣度前己經濕透，如果使用者在低溫乾冷的環境(很多極地、高山)時很可能會造成嚴重的失溫後果。

在看完了以上說明後你也別對GTX太過失望，以上這些原理只是要說明GTX的結構與作用，目的是希望讓消費者的我們能了解的更多的事實，這樣廠商也就更不敢用宣傳手法來包裝產品的缺點，我們也就更有可能能選購到更符合需求的裝備(價格可能也更合理)。至於缺點是每種材質都會有的，比GTX表現差的材質多的是，世界上沒有裝備是完美的不是嗎?防水透氣材質的重點該放在什麼地方，在結語的地方我  會說明的!

*擴散(diffusion):是由於粒子（原子、分子及離子等）的無規則運動(熱運動)而產生從高濃度區域向低濃度區域轉移的質量遷移(mass transfer)現象。擴散主要是由於空間中兩區域的密度差所引起的，粒子彼此碰撞並不斷的移動，直到粒子在兩區域中均勻分佈的現象。在擴散過程中，粒子的遷移方向不是單一性，但是密度大的區域向密度小的區城遷移的粒子數，會多於密度小的區域向密度大的區域遷移的分子數。擴散現象屬於自發性過程(spontaneous process)，造成系統的亂度增加，擴散現象證實一切物體的組成粒子都在不停地運動著。

六、結語:
以上的文章可能讀來有點枯燥，但是內容有很多關於防水透氣的基礎知識，還是有一定的參考價值，希望和大家分享並做為需要時的參考工具。

最後我還是告訴大家一句中肯的實話:「所有的防水透氣材質都有其侷限性」，即使是目前透氣性最好的材質在我們處於高運動量的狀況下依然是無法達到足夠的透氣要求的!這是因為這些材質的透濕原理使然，也就是說抗水透濕的能力只是讓"內部濕氣向外穿透而不能造成內外空氣的流通"，所以請你大可不必理會廠商那些「我的透濕度數值有xxxx」、「我的透濕性用肉眼即可見」，還有更可笑的「透氣性比美GTX」之類的廣告詞。

讓我們回到一個原點，當你要考慮採購防水透氣層的服裝時，大可不必有品牌或材質的迷思，而除了預算考量外更重要的一點就是"設計"─這包括透氣開口或拉鍊等，此外表布材質以及更重要的使用者要適時對服裝系統做調整，甚至是在某些狀況下採用風衣取代防水透氣衣物都會是更好的方法，請你記住一句話:「裝備都只是一項工具，要能正確的了解和使用它才能真正發揮它該有的功能」!

目前本文的解說都只暫時聚焦在材質和原理上，其他更重要因素包括使用者(運動量)、服裝設計以及如何調整達到更舒適的部份我會在日後一一補上，敬請期待!

附註:如何清洗你的Gore-Tex服裝
想要保持你的Gore-Tex外套清潔，以下是基本清潔程序的資訊。不過在清洗任何Gore-Tex外套前，請先詳細閱謮服裝內的洗標說明

洗滌指示:清洗Gore-Tex外套紡織品是十分容易的，你只需要:
①用洗衣機以溫水及洗衣粉清洗。
②以烘衣機中溫烘乾。
請注意!戈爾並沒有推薦使用液體肥皂或特別的"防水/透氣"肥皂來清洗Gore-Tex外套。

防潑水性的處理:
為了達到最大限度的抗水性和透氣性，Gore-Tex服裝在表布上會做防潑水處理 (durable water repellent簡稱DWR)。防潑水處理使得水在服裝表面會形成水珠並滾落，這使得表布不會吸收水份，讓內層的汗水蒸氣可以輕易穿透出來。另外，防潑水處理也使得表布能保持乾燥，減少了身體的蒸發熱能，並保持外套舒適且不會因吸了水而變重。 不過，時間一久，表布的防潑水處理的功能會退化。水在表布上可能不再結成水珠，表布變得會吸收一些水。而恢復防潑水處理的最好方法是依照洗標清潔你的Gore-Tex外套，並用蒸氣熨斗以低溫熨過表布。

目前並沒有永久的防潑水處理技術，所以在經過長期的穿著和多次清洗後，你必需為服裝做恢復防潑水處理，而且如果需要你可以重複此這一過程多次。

一些常見的誤解:
失去防潑水性所造成的問題往往會被認為是Gore-Tex材質已經失效(會漏水)了。這是因為防潑水性失效後，Gore-Tex服裝會出現以下的現象：
①服裝外表會濕，這是由於表布吸收了水份。
②由於表布吸收了水份讓衣服感覺起來很重。
③表布吸收水份讓服裝內側的汗氣排不出去而造成凝結，如此一來衣服內側會覺得濕濕的，你會因此誤認Gore-Tex外的水份漏了進來。

了解這些防潑水性喪失而造成的誤解後，未來在你考慮要換掉你的Gore-Tex外套或褲子前，先試著恢復服裝的防潑水性。

記住!只有表布潮濕並不等於水已經穿透了Gore-Tex薄膜並會弄濕你內層的衣服。

清洗的步驟：
①服裝上特別髒污的部份在清洗之前，你可以用專用洗劑特別處理處理。
②用溫水與洗衣粉清洗你的Gore-Tex服裝，如果很髒你可能要重複洗個好幾次。
③用中溫烘乾。
④用蒸氣熨斗以低溫熨過表布。

乾洗:一些Gore-Tex服裝同時也使用絲綢或羊毛。這種的服裝應該要乾洗處理。不過請注意Gore-Tex服裝，有明確的要求乾洗的溶劑，乾洗前請先詢問並確定。羽絨服裝：如果是Gore-Tex羽絨服裝則不可乾洗！乾洗將洗去羽絨油脂，使他們失去了膨脹性和溫暖性。

最後，請注意!在清洗你的Gore-Tex服裝前，請一定要參考服裝內的洗標指示，如有疑問請詢問經銷商或台灣戈爾公司。

防潑水紡織品（Water Repellent Textiles）:
所謂織物的潑水特性，係指布料經過潑水劑特殊處理，其表面可使水滴形成圓珠狀，不會產生滲透、擴散而弄濕衣物，達到像荷葉般的潑水功能(蓮花效應、lotus effect)。潑水性程度通常分成零到五的等級，其測試標準一般在四十度水溫洗滌五次後操作，受測布料必須至少達到第四或第五的潑水度等級（亦即達到百分之九十以上之潑水功能性）。潑水性的耐久性需經由二十、五十次及一百次的洗滌後方可測試得知。潑水性布料適用於風衣外套面布、雨傘布、傢飾布等織物。

測試方法為AATCC 22法。如以光學接觸角(Optical Contact Angle)測蓮葉(Lotus leaf)之接觸角為135°，一般潑水加工為130°，一般奈米超潑水加工，接觸角可達140°，如以特殊奈米技術作特殊機能性表面改質國外的技術水平，其接觸角可達150°