乾いた状態を保ち、快適にとどまる：防水通気性のあるフィルム素材の科学

I.はじめに

A.フック：防水性と通気性のパラドックス - なぜそれが挑戦であり、なぜそれが必要なのか。

雨から完全に保護されている土砂降りに巻き込まれているが、不快に湿っていて、自分の汗に浸ると感じていると想像してください。この共通のシナリオは、物質科学の基本的な課題を強調しています。外部の液体水をブロックしながら、内部の水分蒸気を逃れることができる布地と映画を作成します。何十年もの間、「防水性」はしばしば「汗をかく」を意味し、極端な状態で不快感や低体温にさえつながりました。呼吸可能性を通じて要素からの保護と快適さの両方を提供する材料の探求は、大きな革新を促進しました。

B.定義：何がありますか 防水通気性のあるフィルム素材 ？

防水通気性のある膜材料は、液体水（雨、雪、スプラッシュ）の浸透を防ぎながら、水蒸気（汗）を通過できるように設計された高度なテキスタイルまたはラミネートです。この特性のユニークな組み合わせは、液体水滴と個々の水蒸気分子を区別する顕微鏡的な孔または親水性化学組成を含むしばしば関与する洗練された構造によって達成されます。

C.簡単な歴史/進化：これらの素材がどのようになったか。

1960年代後半にウィルバートL.ゴアと息子のロバートW.ゴアによる、防水通気性材料の概念は、ゴアテックスの発明により大きな牽引力を獲得しました。拡張されたポリテトラフルオロエチレン（EPTFE）の発見は、最初の商業的に成功した防水通気性のある布地の基礎を築きました。これの前に、溶液は通常、防水性（通気性が欠けているゴム製レインコートなど）または通気性（綿の耐性を提供しない綿のような）のいずれかでした。それ以来、多くの企業と研究者が代替技術を開発し、防水性、通気性、耐久性、持続可能性のバランスを磨きます。

D.重要性/重要性：なぜこれらの材料がさまざまな業界で重要なのですか？

これらの材料は、多数のアプリケーション全体で快適性、安全性、性能を向上させるため、非常に重要です。屋外アパレルでは、過熱を防ぎながら、冒険者を要素から保護します。医療環境では、不妊環境を維持し、患者と医療従事者を保護します。工業的には、彼らは自分の体が温度を調節できるようにしながら、危険な液体から労働者を保護します。水分を管理する能力は、快適さだけではありません。多くの場合、健康リスクを防ぎ、さまざまな製品の機能を改善することです。

E.記事の概要：読者が学ぶこと。

この記事では、これらの材料がどのように機能するかの背後にある魅力的な科学を掘り下げ、利用可能なさまざまなタイプを調査し、製造プロセスについて話し合い、さまざまな業界で多様なアプリケーションを強調し、環境への影響を調べ、この動的な分野での将来の傾向と発展を先取りします。

ii。科学の理解：それがどのように機能するか

A.課題：従来の防水材料が通気性がない理由。

ゴムやPVCコーティングなどの伝統的な防水材料は、不浸透性の障壁を作成することにより、防水性を実現します。液体の水をブロックするのに効果的ですが、この障壁はまた、空気と水蒸気が逃げるのを防ぎます。人がそのような材料を着ると、体の熱が汗を引き起こし、水蒸気に変わります。脱出する道がなければ、この蒸気は材料の内側に凝縮し、湿った、しかんのような感覚と快適さと熱調節の大幅な喪失につながります。

B.防水通気性の重要な原則：

1。防水性：液体の水の浸透を防ぐ。

液体水を撃退する能力は基本的です。これは主に2つのメカニズムによって達成されます。

• a。表面の張力と細孔サイズ： 多くの防水通気性フィルムには、顕微鏡的な毛穴が含まれています。液体水滴は、比較的高い表面張力により、これらの小さな毛穴を通過するには大きすぎます。毛穴は通常、雨滴よりも数千倍小さいです。
• b。疎水性特性： 材料自体は、多くの場合、本質的に疎水性です（水補充）。これは、水を濡らして開口部を強制するのではなく、水面上にビーズを上げることを意味します。耐久性のある水忌避剤（DWR）仕上げは、飽和を防ぐために衣服の外側の生地にしばしば適用され、基礎となる防水膜が最適に機能できるようにします。

2。通気性（湿気蒸気伝達）：水蒸気が逃げることができます。

通気性とは、水蒸気が暖かく、より高い湿度の内部からより涼しい湿度の外側に通過できるようにする材料の能力を指します。

• a。水蒸気の拡散： 水蒸気分子は、液体水滴よりもはるかに小さいです。微小膜では、これらの個々の蒸気分子は小さな毛穴を簡単に通過できます。親水性膜では、水蒸気は高湿度側の材料に吸収され、その後、材料を介して低湿度側に化学的に拡散します。
• b。濃度勾配： 通気性の背後にある原動力は、材料の内側と外側の間の水分蒸気濃度（または部分的圧力）の違いです。水蒸気は、自然に高濃度の領域から低濃度の領域に移動します。適切に設計された通気性のある材料は、この自然な拡散を促進します。

C.必須プロパティ：

防水通気性フィルムを評価するとき、いくつかの重要な特性が考慮されます。

iii。防水通気性のあるフィルム素材の種類

防水通気性フィルムは、微孔性、親水性、およびハイブリッドの基礎となるメカニズムに基づいて広く分類されています。

A.マイクロポーラスフィルム：

• 1。メカニズム： これらのフィルムは、顕微鏡的な細孔の広大なネットワークを特徴としています。これらの毛穴は、個々の水蒸気分子が通過するのに十分な大きさになるように正確に操作されていますが、液体の水液滴（表面張力によりはるかに大きい）を貫通するのを防ぐのに十分なほど小さくなります。
• 2。例：
  • PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）： 最もよく知られている例は、Gore-Texで有名なPTFE（EPTFE）の拡張です。 EPTFE膜は伸びて、その微小球体構造を作成します。
  • UHMWPE（超高分子量ポリエチレン）： いくつかの新しい膜はUHMWPEを利用しており、高強度と重量の比率と潜在的に薄い構造を提供します。
• 3.利点と短所：
  • 利点： 優れた防水性、優れた通気性、耐久性。
  • 短所： 汚染（油、汚れなど）の詰まりを受けやすく、通気性を低下させる可能性があります。多くの場合、フェイスファブリックでDWR処理が必要です。

B.親水性（非多孔質）フィルム：

• 1。メカニズム： 微孔性フィルムとは異なり、親水性膜には毛穴がありません。代わりに、彼らは吸収と拡散の化学プロセスに依存しています。材料自体は親水性であり、水が好きなのです。高湿度側からの水蒸気（ジャケットの内側など）はポリマーに吸収され、材料の分子構造を介して蒸発する低湿度側（外側）まで拡散します。材料の化学は、液体の水が通過するのを防ぎます。
• 2。例：
  • ポリウレタン（PU）フィルム： これらは、汎用性とEPTFEに比べてコストが低いために広く使用されています。コーティングまたはスタンドアロン膜として適用できます。
• 3.利点と短所：
  • 利点： しばしばより柔らかく、より柔軟になり、より手頃な価格になる可能性があります。
  • 短所： 通気性は、温度と湿度の違い（濃度勾配）に依存します。一部の条件では、微孔性フィルムよりも「瞬時に」通気性を感じることができません。水分を吸収すると、わずかに膨張する可能性があります。

C.ハイブリッド/コンポジットフィルム：

• 1。微小孔と親水層の組み合わせ： これらのフィルムは、多くの場合、異なる層を一緒にラミングすることにより、微小散布技術と親水性技術の両方の最良の特徴を組み合わせています。
• 2。メカニズム： 一般的なハイブリッドアプローチには、一次防水性と初期蒸気伝達のための微小球体層が含まれます。これは、微小層層を汚染から保護し、水分拡散においてエイズを保護する薄い親水性層に裏打ちされています。
• 3。例：
  • イベント： EPTFE膜にオレオフォビック（オイル補充）治療を直接使用し、水分蒸気の「直接通気」を可能にします。
  • Neoshell（Polartec）： 防水性を保ちながらアクティブな空気交換を可能にする非常に空気透過性膜で、異なる特性のバランスを提供します。
• 4.利点と短所：
  • 利点： シングルテクノロジー映画の弱点を緩和することにより、優れた性能を提供できます（たとえば、詰まりに対する抵抗の改善、通気性の向上）。
  • 短所： 製造がより複雑であり、潜在的により高いコストにつながる可能性があります。

D.新しいテクノロジー/イノベーション：

フィールドは常に新しいアプローチで進化しています：

• 1。エレクトロスピニング： 高い表面積と相互接続された細孔構造を備えた非常に細かい繊維（ナノファイバー）を作成し、潜在的に優れた通気性をもたらすプロセス。
• 2。ナノファイバー： ナノスケールの繊維から構築された材料は、水分管理とろ過のためのユニークな特性を提供します。
• 3。スマートメンブレン： 将来の開発には、おそらく応答性の高いポリマーまたは統合センサーを介して、環境条件やユーザーのニーズに基づいて透過性を動的に調整できる膜が含まれる場合があります。

IV。製造プロセス

防水通気性のあるフィルムの作成には、正確な構造と特性を実現するための洗練された製造技術が含まれます。

A.押出（PUフィルムの場合）。

押出は、ポリウレタン（PU）のような親水フィルムを生産する一般的な方法です。このプロセスでは、溶融ポリマーは、特定の厚さの連続膜を作成するためにダイを通して強制されます。その後、このフィルムは、基板にストレッチしたりコーティングしたりするなど、さらに処理できます。

B.ストレッチ/焼結（PTFEフィルムなど）。

拡張されたPTFE（EPTFE）膜の生産は、Gore-Texで使用されているものと同様に、独自のストレッチプロセスを伴います。 PTFE樹脂は最初にフィルムに押し出され、次に特定の温度条件下で急速に伸びます。このストレッチングは、特徴的なマイクロポーラス構造を作成します。焼結（材料を融点の下に加熱する）その後、この構造を安定させ、強くて耐久性があります。

C.積層技術：

フィルムが作成されると、完全な繊維を作成するために他の布層にラミネートされます。

• 1。2層、2.5層、3層構造：
  • 2層： 防水通気性膜は、外面の布に積層されています。膜の快適さと保護のために、内側に別のゆるい裏地の生地が使用されています。
  • 2.5層： 膜はフェイスファブリックにラミネートされ、次に薄い保護プリントまたはコーティング（しばしば隆起したドットまたはテクスチャーパターン）が膜の内側に直接塗布され、個別の裏地生地の必要性を排除し、重量/バルクを減らします。
  • 3層： 膜は挟まれており、外面の生地と内側の裏地生地の間に積み上げられています。この構造は通常、最も耐久性があり、高性能ギアによく使用されます。
• 2。接着剤と結合： 特殊な接着剤は、膜の通気性を損なうことなく層を結合するために使用されます。これらの接着剤は、防水性があり、柔軟で耐久性がなければなりません。

D.品質管理とテスト。

厳密な品質管理は、製造プロセス全体で不可欠です。フィルムと完成したラミネートは、防水性（静水圧ヘッドテストなど）、通気性（MVTRテスト）、耐久性（摩耗、涙、フレックステスト）、およびその他の特性に関する指定されたパフォーマンス基準を確実に満たしていることを確認するための広範なテストを受けます。これにより、実際のアプリケーションで一貫したパフォーマンスが保証されます。

V.業界全体のアプリケーション

防水性と通気性のユニークな組み合わせにより、これらのフィルム素材は幅広い産業にわたって不可欠です。

A.アパレルと屋外ギア：

これはおそらく最もよく知られているアプリケーションです。

• 1。レインウェア、スキーウェア、ハイキングブーツ： 屋外アクティビティ用のジャケット、ズボン、履物は、これらの素材に大きく依存して、ユーザーが濡れたアクティブな状態でドライで快適に保つことができます。
• 2。手袋、帽子： また、小さなアクセサリーは、過度の発汗を引き起こすことなく、手と頭の保護を提供することにも役立ちます。

B.医療およびヘルスケア：

医療環境では、これらの映画は、不妊の障壁と患者の快適さを維持するために不可欠です。

• 1。外科的ドレープ、創傷ドレッシング： それらは、皮膚の呼吸を可能にしながら、液体と細菌の通過を防ぎ、浸軟と感染のリスクを減らします。
• 2。保護医療服： 医療専門家向けのガウンとスーツは、長い手順中に快適さを確保しながら、体液に対する保護を提供します。

C.産業および保護摩耗：

要求の厳しい環境の労働者は、危険物や極端な天候からの保護を必要とします。

• 1。化学保護スーツ： これらのスーツは、防水通気性のある膜を使用して、汗のストレスを防ぎ、汗を防ぎ、汗のストレスを防ぎながら、液体化学物質から労働者を保護します。
• 2。過酷な環境でのワークウェア： 建設労働者、緊急対応者、および雨、雪、汚れた状態にさらされたその他の衣服は、これらの材料の恩恵を受けます。

D.自動車：

防水通気性フィルムは、保護と性能のために自動車用途でますます使用されています。

• 1。換気膜： ヘッドライト、テールライト、電子コンポーネントで使用されて、空気圧の均等化と湿気蒸気が逃げ、液体の水と粉塵を遮断しながら、凝縮と成分の故障を防ぎます。
• 2。センサー保護： 敏感な電子センサーを水浸透から保護しながら、それらを正しく機能させます。

E.建設：

建物と建設において、これらの映画は、建物の封筒内で水分を管理する上で重要な役割を果たします。

• 1。屋根の下線： 屋根材の下に配置され、建物の内部からの水分蒸気が逃げ出し、屋根構造内の凝縮を防ぎながら、二次防水バリアを提供します。
• 2。ビルドラップ： 外壁に適用され、それらは気象に耐える障壁として機能し、壁の空洞を乾燥させながら、液体の水浸透から建物を保護します。

F.その他のニッチアプリケーション：

これらの映画の汎用性は、以下を含む他の多くの分野にまで及びます。

• 濾過： 正確な細孔サイズと耐薬品性が必要な空気と液体のろ過。
• パッケージ： 水分を管理する必要がある特定の食品または電子機器の通気性パッケージ。
• 履物のコンポーネント： ブーツを超えて、それらはさまざまなアスレチックやカジュアルな靴にあります。

vi。環境への影響と持続可能性

高性能材料の需要が高まるにつれて、環境フットプリントの精査も増加します。

A.製造フットプリント。

防水性の通気性フィルム、特に複雑な化学プロセスやエネルギー集約型のストレッチングを含むものの生産は、環境に大きな影響を与える可能性があります。これには、エネルギー消費、水使用量、揮発性有機化合物（VOC）またはその他の化学物質の潜在的な排出が含まれます。メーカーは、より環境に優しい生産方法とサプライチェーンにますます投資しています。

B. PFA（1およびポリフルオロアルキル物質）および代替案の使用。

歴史的に、多くの高性能の防水通気性のある膜とそのDWR治療は、PFAS化学物質に依存してきました。これらの「永遠の化学物質」は、環境で非常に持続的であり、健康上の懸念に関連しています。この業界は、長鎖PFA（C8）から短いチェーンの代替品（C6）から積極的に遠ざかり、ますます完全にフルオリネート（PFCを含まない）DWRおよび膜に移行しています。このシフトは、主要な持続可能性ドライバーです。

C.リサイクル性と終末期ソリューション。

多くの防水通気性のあるラミネートの多層構造により、リサイクルが困難になります。さまざまなポリマー層を分離することは困難であり、多くの製品が埋め立て地になります。研究開発は、これらの複雑な材料を効果的に分解して再利用できる化学リサイクルプロセスの開発に焦点を当てています。拡張された生産者責任スキームも牽引力を獲得しています。

D.業界における持続可能な革新。

イノベーションは次のとおりです。

• バイオベースのポリマー： 化石燃料ではなく、再生可能資源から映画を開発します。
• 溶剤のない製造： 生産における有害な溶媒の使用を削減または排除します。
• 閉ループシステム： 製造プロセスで使用される水と化学物質のリサイクル。
• 持続可能性としての耐久性： より長く持続するより耐久性のある製品を作成し、頻繁な交換の必要性を減らします。

vii。将来の傾向と開発

防水通気性のあるフィルム素材の分野は動的であり、進行中の研究とイノベーションが刺激的な進歩を約束しています。

A.パフォーマンスの向上：通気性が高く、耐久性が向上します。

将来の映画は、パフォーマンスの境界を押し広げる可能性が高く、耐摩耗性、引き裂き、環境の悪化に対する耐性の増加と組み合わせて、高耐性活動においてさらに高いMVTRを提供します。目標は、防水性や通気性のいずれかを損なうことなく、最適なバランスを達成することです。

B.スマートマテリアル：センサーとの統合、適応特性。

スマートテクノロジーの統合が重要な傾向です。これには次のものが含まれます。

• センサー： 生理学的データ（皮膚の温度、発汗速度など）または環境条件（湿度、汚染物質など）を監視するためのセンサーが埋め込まれたフィルム。
• 適応プロパティ： 温度、湿度、またはアクティビティレベルの変化に応じて、ポアサイズまたは化学構造を動的に調整できる材料、リアルタイムでパフォーマンスを最適化します。たとえば、着用者がより汗をかくにつれて通気性が高まる膜。

C.コスト削減とアクセシビリティ。

製造プロセスがより効率的になり、新しい材料が発見されると、高性能の防水通気性フィルムのコストが減少する可能性があり、より幅広い製品や消費者にとってよりアクセスしやすくなります。これにより、特殊なギアを超えて日常のアイテムに採用される可能性があります。

D.カスタマイズおよびニッチアプリケーション。

添加剤の製造（3D印刷）などの製造技術の進歩により、特定のパフォーマンス要件やユニークなジオメトリに合わせた高度にカスタマイズされたフィルムが可能になります。これにより、現在サービスが不十分な地域で高度に専門化されたニッチアプリケーションのためにドアを開くことができます。

E.環境に優しいソリューションに焦点を当てます。

持続可能性は引き続き支配的なドライバーです。業界はますます優先されるようになります。

• 完全な円形の材料： ライフサイクルの終わりに簡単にリサイクルまたは生分解できる映画。
• 再生可能な原料： 原材料のバイオベースまたはリサイクルコンテンツへのより大きな依存。
• 非毒性化学： 膜とDWR治療の両方から、すべてのPFAを含む有害な化学物質の完全な除去。

viii。結論

A.キーテイクアウトの要約。

防水通気性のあるフィルム素材は、材料科学の驚くべき勝利を表しており、水分蒸気を逃がしながら液体の水を守るという長年のパラドックスを解きます。これは、顕微鏡的な毛穴や親水性化学拡散を通じて、独創的な設計によって達成されます。これらの材料は、屋外アパレルから医療および建設に至るまで産業に革命をもたらし、快適さ、安全性、パフォーマンスを大幅に向上させています。

B.防水通気性フィルムの重要性の繰り返し。

それらの重要性を誇張することはできません。彼らは、私たちが厳しい環境を安全に探索し、重要な医療環境で私たちを保護し、建物や車両の耐久性と効率を向上させることができます。彼らは、高度な材料工学を通じて環境上の課題を克服する際の人間の創意の証です。

C.これらの材料の将来の影響と進化に関する最終的な考え方。

防水通気性のあるフィルムの旅は終わりにはほど遠いものです。スマート機能、持続可能性の強化、新しい製造技術に関する継続的な研究により、これらの材料はさらに洗練され、環境に優しいものになり、想像し始めている方法で私たちの生活に統合されています。未来は、これらの驚くべき映画の継続的な進化によって駆動され、保護と快適さがシームレスに絡み合っている世界を約束します。