JHGT 2016.12, Vol.23, No.8(503-508) Journal of the Hwa Gang Textile 華岡紡織期刊 第二十三卷 第八期 ISSN 1025-9678 http://www.jhgt.org.tw/manuscript/pdf/jhgt-23.8(503-508)(2016-12).pdf

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生物可分解水性聚氨基甲酸酯泡沫塗佈織物 Foam Coated Fabrics of Biodegradable Waterbone Polyurethanes

徐秀惠 1,2，黃郁鈞 1，莊富盛 2

H. H. Hsu1, 2, C. Hsu, Y. C. Huang1, F. S. Chuang2 1大同大學設計科學研究所、2黎明技術學院流行設計系

1Graduate Institute of Design Science, Tatung University 2Department of Fashion and Design, LEE-MING Institute of Technology

莊富盛：ymj0826@mail.lit.edu.tw

摘要

由於國內之水性聚氨基甲酸酯樹脂(WPU)使用泡沫塗佈染整加工後的成衣布料的耐水性與手

感缺乏，因此本研究使用泡沫塗佈方法，開發具手感柔軟豐厚、防水透濕、防風、高反撥彈

性等性能的生物可分解 WPU(BWPU)耐水性泡沫塗佈織物與製程。研究結果顯示針對於不同

纖維織物材料開發的三種親疏性差異化的生物可分解WPU，可適用於泡沫樹脂塗佈整理加工，

並可提高整理加工後織物的耐水洗性。

關鍵字：生物可分解、水性聚氨基甲酸酯樹脂、耐水性、泡沫塗佈染整加工

Abstract

Garment dyeing for water-bone polyurethane (WPU) foam-coated cloths now lack of water

resistance, so the foam-coated fabrics and its process used the biodegradable WPU (BWPU) resins

are carried out in the project to improve the water resistance of garment fabrics. Moreover, the water

resistance of fabrics, which carried on the foam-coating process by biodegradable WPU resins, have

the characteristics including soft and rich, waterproof, breathable, windproof and high rebound

resilience. Three types biodegradable WPU are considered for the hydrophilic and hydrophobic

fibers of the fabrics. The results of testing showed that the BWPU resins are suit for various fabrics

on the foam-coating process and can improve the water resistance and softness on the foam-coated

fabrics.

Keyword：Biodegradable, Waterborne Polyurethane Resin, Water Resistance, Foam-Coated Dyeing And Finishing

Journal of the Hwa Gang Textile 2016.12, Vol.23, No.8

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前言

泡沫塗佈加工於染色與整理的應用，約從 90

年代後較廣泛地發展於各式織物仿製皮革與織物

的染色與功能性整理工程中，由於泡沫塗佈加工，

相較於其他的整理加工，更能賦予織物具有豐厚手

感，而為業者採用，尤其是採用聚氨基甲酸酯樹脂

的泡沫塗佈整理加工[1~3]。目前泡沫塗佈染整加

工法，已擴展至重視手感柔軟、手感豐厚與染色性

等之各式織物。由於泡沫整理加工具節能省水、低

浴比(或低帶液量)省染料與省整理藥劑，而且滲透

與均勻性佳，產品手感好且能有豐厚感，生產效率

高且品質佳，因此受到業者重視，尤其是水性聚氨

基甲酸酯(WPU)。由於經過WPU泡沫塗佈整理加

工後能賦予織物各種的機能，如防水透濕、防皺防

縮、手感柔軟富有彈性與豐厚感等。於是要求手感

的各種纖維所製造的針織、梭織布料與不織布都能

使用WPU進行泡沫塗佈整理加工。然而目前WPU

的泡沫塗佈染整衣著布料的缺點即是耐水洗性低

於傳統的整理加工法，而其關鍵是在於WPU合成

與泡沫塗佈配方的開發。有鑑於國內水性聚氨基甲

酸酯樹脂(WPU)使用泡沫塗佈染整理加工後成衣

布料之耐水性缺乏，而且成衣布料相關的泡沫塗佈

整理加工製程缺乏相關發展。

因此本研究針對織物使用纖維的親疏性，合成

三類型的耐水洗生物分解性的 WPU，並應用泡沫

樹脂塗佈整理，探討泡沫整理加工後織物的耐水洗

性，手感柔軟與防水透濕等之性能。

理論

耐水洗生物可分解水性聚氨基甲酸酯

(BWPU)合成與聚氨基甲酸酯物性與鏈結結構

的單體、鏈結分度與合成方式有關，研究可適

用不同織物的耐水洗生物可分解WPU樹脂，使用

的陰離子預聚合方式，能具有好的鏈節分佈狀態與

分子量，並能提升機械性質[4~7]，其反應之流程，

如圖 1所示。實驗樣品合成設備，使用 3L四口反

瓶、高速攪拌機、加熱器、定量幫浦。預聚合之反

應條件控制 [NCO]/[OH](異氰酸當量 /多元醇當

量)=1~1.5，預聚合反應溫度 85~90℃，反應 2小時

後，加入 DMPA，反應 1 小時，45~50℃，加入

TEA/NMP，攪拌 1 小時。由定量幫浦，於 6 分鐘

內加入 35℃的去離子水，攪拌機以 900~1000r.p.m.

快速攪拌，進行乳化分散約 40 分鐘，隨後加入

TETA/H2O，進行擴鏈反應約 2小時，結束反應取

出透明狀態之WPU，黏度約 200~500cps，加入抗

氧化與紫外線穩定性後。取出乳化液置入離心機

3000rpm/min，離心沉降 15min，無沉降表具有 6

個月以上的高度乳化穩定性後，再加入起泡劑，在

測定分散膠體粒子尺寸 (平均粒徑 100~500nm)

與測定黏度分子量 (約 3~5 萬)，反應流程，如

圖 1所示，單體成分，如表 1。

OCN NCO + HO OH + OCN NCO

OCN N C O

O

H

O C N

O

H

NCO

HO CH2CH2 C

CH3

COOH

CH2CH2 OH

OCN N C O

O

H

O C N

O

H

N C

H

O

O CH2CH2 C CH2CH2

CH3

COOH

Amine(NR3) or Metal Salt(CH3COONa)

OCN N C O

O

H

O C N

O

H

N C

H

O

O CH2CH2 C CH2CH2

CH3

COO

中合

H R3N

1.water2.Diamine

擴鏈

N C O

O

H

O C N

O

H

N C

H

O

O CH2CH2 C CH2CH2

CH3

COO

NCN

HH

O

異氰酸酯 異氰酸酯多元醇

預聚合體

(DMPA)

陰離子預聚合體

圖 1生物可分解水性聚氨基甲酸酯反應流程

表 1 耐水洗生物可分解水性聚氨基甲酸酯單體

組成表

原料 結構名稱與重量平均分子量

多元醇軟鏈

段

(1) 末端基二醇聚矽氧烷(PDMS:

Hydroxy- terminated polydimethyl-

siloxane)

(2) 聚乙基醚二醇(PEG：polyethylene

glycol )

(3) 聚丙二醇(PPG：polypropylene glycol)

(4) 聚丁醚二醇(PTMG:polytetramethylene

glycol)

(5) (5)聚幾內酯(PCL：polycaprolactone)

異氰酸酯硬

鏈段

二環己基甲烷-4,4’二異氰酸酯

bis(cyclohexy-diisocyanate:H12MDI)

陰離子中心 Dimethylopropionic acide (DMPA)

鏈延長劑 Ethylenediamine(EA)

中合劑 Triethylamine(TEA)

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實驗

(1) 霍氏紅外線光譜測試(FTIR)：經塗佈後之耐

水洗生物可分解 WPU 薄膜使用紅外線光譜

儀測試，解析度： 4 cm-1，掃描光區，

500~4000cm-1。

(2) 固有粘度測試(ηinh)：採用 Ostwald-Fenske黏

度計，在 25℃恆溫槽中測試，依下式求得四

個不同的固有粘度值 ηinh，外推至 C=0 求得

特性黏度，再求出耐水洗生物可分解 WPU

之黏度平均分子量。

(3) 熱性質測試：掃描式熱差(DSC)分析測試測，

測定WPSi-EU/EGF與CH/ SALG /FU摻混體

之相轉移溫度(Tg與 Tm)。測式於氮氣下，溫

度範圍由-150℃~300℃，升溫速率：20℃/min。

此外，使用 DSC進行不同條件下進行緩冷實

驗，以分析這些聚合體的硬鏈節與軟鏈節相

結構的形成。此外，使用熱重損失分析(TGA)，

在氮氣下，20℃/min，於 50℃~600℃，進行

共聚合體之衰解溫度測定。

(4) 機械性質分析：使用 Q-teat 5 電腦拉力機，

採定速拉伸試驗，夾頭速度 10mm/mim，全

荷重 10Kgf，探討耐水洗生物可分解WPU樹

脂之抗張強度性質。

(5) 乳化穩定性：使用離心機於 3000r/min，離心

沉降 15min，無沉降，表示至少有 6 個月之

乳化穩定儲存期。

(6) 生物分解測試：土埋法，6 個月，半衰解重

量 50wt%以上。

(7) 塗佈後的生物可分解耐水洗泡沫塗佈織物

測試指標，如表 2所示。

表 2生物可分解耐水洗泡沫塗佈織物測試

塗佈織物規格 尼龍織物基重 65g/cm2

T(1/1)織物基重 250g/cm2

T/C(1/1)織物基重 220g/cm2

耐水洗泡沫塗佈織物測

試法

斷裂強度：ISO 12934-1

織物柔軟性：JIS L1096 6.19.1 A

水洗剝離強度：ASTM D2724

防水度：JIS L1902 B

透濕度：JIS L1902 B1

結果與討論

霍氏紅外線光譜測試(FTIR)

研究中各種不同功能的生物可分解水性聚

氨基甲酸酯共聚合體(BWPU)合成紅外線光譜，如

圖 2 所示，各組成的 BWPU 反應形成可由異氰酸

酯官能基分別與羥基，以及乙二胺反應形成氨基甲

酸酯(urethane)與尿素(urea)鏈結特徵吸收峰判定。

這兩個特徵基團在紅外線光譜上主要的特徵吸收

峰為在 1756 cm-1附近的氨基甲酸酯基團(urethane

group)結構中羰基(C=O)特徵峰，其源自於多元醇

(PCL、PDMS、PPG、PEG、和 DMPA)，分別與

H12 MDI反應所形成；此外，出現在 1650cm-1附的

近吸收峰，是由鏈延長劑 EA與 H12 MDI反應形成

的尿素基團(urea group)結構中的羰基(C=O)。而在

光譜中位於 2920附近的雙峰與 1300~1450 cm-1的

多峰分別為多元醇 PDMS、PCL、PPG、與 PEG結

構上的甲基與亞甲基之特性吸收。另外 PDMS 結

構特徵基團-Si-O-出現在 1100 cm-1、PEG 與 PPG

結構之特徵基團-O-基出 1020 cm-1附近，PCL結構

特徵基團 C=O出現在 1700 cm-1附近。綜合上述光

譜的特性基團顯示，研究中單體反應形的 BWPU

完成與否，可由其形成的胺基甲酸酯基團與尿素基

團於以判定研究中使用的各單體能於研究的條件

中反應形成 BWPU。此外，合成反應完成後，於

光譜中 2350 cm-1附近並無異氰酸酯特性吸收峰，

合成的反應條件下 BWPU 具有高轉化率，顯示合

成的共聚物具有高分子量，研究中藉由固有黏度所

的計算值顯示分子量 30000-50000，如表 3所示。

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

urea

WPU-C-1

WPU-B-1

WPU-A-1

Wave number(cm-1)

Tra

nsm

itta

nce

(%

)

urethane

圖 2. 生物可分解水性聚氨基甲酸酯共聚合體

(BWPU)合成紅外線光譜

Journal of the Hwa Gang Textile 2016.12, Vol.23, No.8

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固有粘度測試(ηinh)

研究中將各 BWPU聚合體溶於 DMF溶劑中，

配置濃度為 0.5g/dl、0.4 g/dl、0.3 g/dl及 0.2 g/dl 4

種濃度。採用 Ostwald-Fenske 黏度計，在 25℃恆

溫槽中測試，求得四個不同的固有粘度值 ηinh 將

所求得之各種聚合體之四種不同 ηinh值，以 ηinh/C

對濃度 C作圖外推至 C=0求得特性(極限)黏度。再

根據 Fridman和 Seefried等人使用由光散射法測定

的重量平均分子量基算方程式： 86.0

5108.6 wM 求

出重量平均分子量。研究中以此法所計算出的各

BWPU 聚合體的重量平均分子量範圍約在

30000-50000，如表 3所示。

表 3 BWPU聚合體的固有黏度與重量平均分子量

編號 ηinh 重量平均分子量

WPU-A-1 0.791 49241

WPU-A-2 0.719 47804

WPU-B-1 0.713 47352

WPU-B-2 0.682 45008

WPU-C-1 0.592 38260

WPU-C-2 0.554 35670

乳化粒子尺寸

表 3 顯示 BWPU 各組成樣品的分子量介於

35000-58000；從表 4 顯示在相同成分的共聚合體

系列上，DMPA含量高的樣品(陰離子中心含量高)，

所呈現的乳化顆粒平均粒徑較小，而且所具有的分

子量也較低，如 DMPA含量為 1%的WPU-A-1樣

品其分子量是高於 DMPA 含量為 2wt%WPU-A-2

樣品，此結果顯示本研究中的分子量的高低主要影

響乳化顆粒尺寸與陰離子中心含量。

表 4 BWPU平均粒徑與粒徑分佈範圍

編號 粒徑分佈(nm) 平均粒徑(nm)

WPU-A-1 50~150 140

WPU-A-2 50~150 124

WPU-B-1 50~150 125

WPU-B-2 50~150 115

WPU-C-1 50~150 101

WPU-C-2 50~150 108

乳化穩定性

研究中生物可分解水性聚氨基甲酸酯共聚合

體 (BWPU)的乳化穩定性測試，使用離心機於

3000r/min，離心沉降 15min，無沉降，各樣品經過

離心沉降後，儲存 6個月後，都未有沉澱情形產生，

表示研究中的共聚物，至少有 6個月之乳化穩定儲

存期。

熱性質測試

耐水洗性生物可分解水性聚氨基甲酸酯

(BWPU)物性：衰解溫度約在 230℃附近，含矽氧

烷成分高的樣品熱穩定性佳、低溫玻璃轉移溫度依

組成有不同的轉移溫度區域，但都在-30 以下℃，

而高溫的轉移區域與一般傳統 pu相近其涉及軟化

溫度，約在 70℃附近。各樣品的 TG與 DSC測試

結果如圖 3與 4所示。

100 200 300 400 500 600 700

0

20

40

60

80

100

We

igh

t %

(%

)

Temperature ( OC)

WPU-A-2

WPU-A-1

WPU-B-2

WPU-B-1

WPU-C-2

WPU-C-1

圖 3 BWPU共聚合體 TG曲線圖

-150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200

WPU-A-2

WPU-A-1

WPU-B-2

WPU-B-1

WPU-C-1

WPU-C-2

He

at F

low

En

do

Do

wn

(m

W)

Temperature ( OC)

圖 4 BWPU共聚合體 DSC曲線圖

機械性質分析

為能改善適應各種織物纖維成分的結合性能，

以增加WPU塗佈織物耐水洗性，於是使用的混合

軟鏈結組成，儘管各有不同組成，然而為了獲得適

當的柔軟手感，因此僅設計具有 18.6wt%與 24.3wt%

兩種較低硬鏈結含量。表 5顯示具有高硬鏈結含量

之樣品，具有高斷裂強度，但伸度則略微降低。此

外，含有三種軟鏈結的樣品，顯然由於合成的分子

Journal of the Hwa Gang Textile 2016.12, Vol.23, No.8

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量較低，因此有低於兩種軟鏈結混合的樣品，如含

有相同 18.6 wt%硬鏈結含量三種樣品，以

WPU-A-1 也最高的抗張強度，而三種軟鏈結混合

樣品的 WPU-B-1 次之，而 WPU-C-1 最低，顯然

地，WPU-C-1由於含有 PEG高親水性的單體，使

得此類的樣品之抗張強度的表現不如其他的樣品。

表 5生物可分解水性聚氨基甲酸酯共聚合體(BWPU) 斷

裂強度與伸度

編號 硬鏈結含量(wt%) 斷裂強度(MPa) 斷裂伸度(%)

WPU-A-1 18.6 14.5 585

WPU-A-2 24.3 17.3 512

WPU-B-1 18.6 12.8 530

WPU-B-2 24.3 14.1 509

WPU-C-1 18.6 10.8 510

WPU-C-2 24.3 11.1 491

生物分解測試

研究以土埋法進行生物分解測試，將生物可

分解水性聚氨基甲酸酯共聚合體(BWPU)與菌種源

配合後，導入靜置式堆肥容器，此容器是在適當之

氧氣、溫度及溼度條件下密集地堆肥，試驗期不超

過 6個月。土埋測試的好氧生物分解期間，二氧化

碳、水、鹽類及新的生物質體(微生物細胞組成物)

是最終的生物分解產物，測試重量損失如表 6所示。

BWPU 的各樣品中僅有添加 PEG 的 WPU-B-1、

WPU-B-2、WPU-C-1與WPU-C-2等 4種樣品，於

6 個月內的半衰解重量 50wt%以上，分解狀態如

圖 5 所示。在軟鏈結中導入吸濕性軟鏈段的共

聚物，除了 PEG 本身的鏈段產生水解外，由於

PEG 鏈段分解後，分子量下降，也促進了 PCL

的分解，於是使導入 PEG鏈段的這 4 種樣品生

物分解性能提升。

表 6 生物可分解水性聚氨基甲酸酯共聚合體

(BWPU)生物分解性能

編號 重量損失率(%)

WPU-A-1 12

WPU-A-2 10

WPU-B-1 58

WPU-B-2 55

WPU-C-1 63

WPU-C-2 61

WPU-B-2

WPU-C-2

圖 5. WPU-B-2與 WPU-C-2樣品生物分解狀態 SEM

圖形

耐水洗生物可分解水性聚氨基甲酸酯(BWPU)泡沫

塗佈織物性質

研究中耐水洗性之 BWPU 泡沫塗佈織物採用

的樹脂條件與基布種類，如表 7所示，樹脂配條件

如下：起泡比 1.35~1.40，泡沫密度 0.05~0.1g/cm3、

增稠塗佈黏度 8500cps、泡沫半衰期 5~10min、泡

沫吸液率與接觸時間 5s 吸液率 20~25%(對布重)，

帶液量20~30%，塗佈厚度0.1mm。乾燥溫度150℃。

依據研究中設定條件所塗佈的布樣如圖 6 所示，

塗佈後之布樣物性測試結果如表 8所示，值得注

意的是，使用混合軟鏈結樣品中導入 PEG 透濕的

WPU-B-1、WPU-B-2、WPU-C-1與WPU-C-2等樣

品，由於 PEG 吸水之後產生皮膜強度下降，也

因此導致濕式水洗剝離強度大幅降低，相對地

此 4 種的樣品則能透濕性上有好的性能，耐水

壓性則較差。

圖 6. 生物可分解水性聚氨基甲酸酯(BWPU)泡沫塗

佈織物

Journal of the Hwa Gang Textile 2016.12, Vol.23, No.8

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表 7 泡沫塗佈織物採用的樹脂條件與基布

編號 織物基布種類 塗佈厚度

(mm)

增稠塗佈

黏度(cps)

WPU-A-1 聚酯(T)平紋

150 g/m2 0.1 8500

WPU-A-2

WPU-B-1 尼龍(N) 平紋

60 g /m2 0.1 8500

WPU-B-2

WPU-C-1 T/C平紋

230 g/m2 0.1 8500

WPU-C-2

表 8 塗佈後之布樣物性測試

種類

物性

WPU-A-1-聚酯

塗佈織物

WPU-A-2-聚酯

塗佈織物

WPU-B-1-尼龍

塗佈織物

WPU-B-2-尼龍

塗佈織物

WPU-C-1-T/C

塗佈織物織物

WPU-C-2-T/C

塗佈織物織物

織物成品重 155.5g/m2 155.2g/m2 65.3g/ m2 65.4g/m2 235.3g/m2 235.5g/m2

斷裂強度 經向 55.2kg

緯向 52.1kg

經向 57.5kg

緯向 53.1kg

經向 35.4kg

緯向 33.2kg

經向 36.1kg

緯向 34.3kg

經向 63.2kg

緯向 61.1kg

經向 60.1kg

緯向 59.5kg

織物柔軟性 經向 3.5cm

緯向 3.1cm

經向 3.7cm

緯向 cm3.3

經向 2.4cm

緯向 1.7cm

經向 2.5cm

緯向 1.8cm

經向 4.3cm

緯向 3.7cm

經向 3.9cm

緯向 3.1cm

水洗剝離強

度

乾式 18.5oz/in

濕式 17.2oz/in

乾式 17.7oz/in

濕式 16.9oz/in

乾式 17.1oz/in

濕式 12.2oz/in

乾式 16.5oz/in

濕式 11.0oz/in

乾式 15.9oz/in

濕式 10.9oz/in

乾式 14.1oz/in

濕式 10.1oz/in

耐水壓

(水洗前) 690mmH2O 650mmH2O 570mmH2O 560mmH2O 550mmH2O 530mmH2O

透濕度 33800g/m2/24h 32030g/m2/24h 558000g/m2/24h 54500g/m2/24h 45800g/m2/24h 45100g/m2/24h

結論

本研究合成三種不同類型的生物可分解水性

聚氨基甲酸酯樹酯，其具有具手感柔軟豐厚、防水

透濕、防風、高反撥彈性等性能，能適用於聚酯、

尼龍與 T/C混紡織物。研究中採用泡沫塗佈法對於

聚酯、尼龍與 T/C等三種織物進行塗佈加工，其樹

酯與加工條件如下：起泡比 1.35~1.40，泡沫密度

0.05~0.1g/cm3、增稠塗佈黏度 8500cps、泡沫半衰

期 5~10min、泡沫吸液率與接觸時間 5s 吸液率

20~25%(對布重)，帶液量 20~30%，塗佈厚度 0.1mm。

運用研究中之樹脂與調配條件後，製作的泡沫塗佈

織物性能如表 8所示，其各項之性能可與相類似的

塗佈織物比擬，並具有更佳的柔軟性。

參考文獻

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