防水透气织物的水蒸气透过率测试方法比较与分析 一、引言 防水透气织物是一类兼具防水性能与良好透湿能力的功能性纺织品，广泛应用于户外运动服装、医用防护服、军用装备及建筑膜材等领域。其核心功能...
防水透气织物的水蒸气透过率测试方法比较与分析
一、引言
防水透气织物是一类兼具防水性能与良好透湿能力的功能性纺织品，广泛应用于户外运动服装、医用防护服、军用装备及建筑膜材等领域。其核心功能在于：在防止液态水渗透的同时，允许人体汗液以水蒸气形式向外扩散，从而维持穿着者的舒适性与干爽感。衡量此类织物透湿性能的关键指标为水蒸气透过率（Water Vapor Transmission Rate, WVTR），单位通常为g/(m²·24h)。
WVTR的测试方法多样，不同国家和地区制定了多种标准体系，如中国的GB/T、美国的ASTM、欧洲的ISO以及日本的JIS等。由于测试原理、环境条件和试样处理方式的差异，同一样品在不同测试方法下可能获得显著不同的结果。因此，系统比较和分析各类WVTR测试方法的适用性、准确性及局限性，对于产品开发、质量控制和国际技术交流具有重要意义。
本文将围绕国内外主流的水蒸气透过率测试方法展开深入探讨，结合具体测试标准、仪器参数、实验条件及实测数据，通过表格对比分析各方法的技术特点，并引用国内外权威文献支持论点，旨在为科研人员与企业技术人员提供全面的参考依据。
二、水蒸气透过率的基本概念
2.1 定义与意义
水蒸气透过率（WVTR）是指在特定温度、湿度和压力条件下，单位时间内透过单位面积材料的水蒸气质量。其数学表达式如下：
$$
text{WVTR} = frac{Delta m}{A cdot t}
$$
其中：
- $Delta m$：质量变化（g）
- $A$：试样有效面积（m²）
- $t$：测试时间（d）
该指标直接反映织物调节人体微气候的能力。根据《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》（GB/T 12704.1-2009），当WVTR > 1000 g/(m²·24h)时，认为织物具有良好的透湿性能；而低于600 g/(m²·24h)则视为较差。
三、主要测试方法分类
目前国际上常用的WVTR测试方法可分为两大类：吸湿法（Desiccant Method）与蒸发法（Water Method）。前者基于干燥剂吸收水汽的原理，后者则利用液态水蒸发形成湿度梯度驱动水蒸气透过试样。
| 方法类别 | 原理简述 | 标准代号 | 适用范围 |
|---|---|---|---|
| 吸湿法 | 将试样密封于装有干燥剂的透湿杯上，置于恒温恒湿环境中，测定杯体质量增加 | ASTM E96, GB/T 12704.1, ISO 2528 | 适用于低至中等透湿材料 |
| 蒸发法 | 透湿杯内盛水，试样覆盖杯口，测量因水分蒸发导致的质量减少 | ASTM E96, GB/T 12704.2, JIS L 1099 B1/B2 | 更适合高透湿材料，模拟人体出汗状态 |
四、国内外主要测试标准详解
4.1 中国国家标准（GB/T）
（1）GB/T 12704.1-2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》
本标准等效采用ISO 2528:2004，适用于各类织物，尤其适合涂层或层压复合类防水透气材料。
| 测试条件参数： | 参数 | 数值 |
|---|---|---|
| 温度 | (38±0.5)℃ | |
| 相对湿度 | (50±2)% RH | |
| 测试时间 | 至少3小时，连续两次称重差值≤0.01g | |
| 试样面积 | 50 cm²（直径约79.8 mm） | |
| 干燥剂 | 无水氯化钙（CaCl₂） |
文献支持：据张瑞萍等（东华大学，《纺织学报》，2015）研究指出，该方法对聚氨酯（PU）涂层织物的重复性误差小于5%，但对微孔膜结构材料可能存在边缘泄漏风险[1]。
（2）GB/T 12704.2-2009《第2部分：蒸发法》
此方法更贴近人体实际使用环境，特别适用于ePTFE（膨体聚四氟乙烯）膜等高透湿材料。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 温度 | (38±0.5)℃ |
| 相对湿度 | 接近100% RH（杯内为蒸馏水） |
| 外部环境RH | 可选15%~85%，常用50% |
| 水面距试样距离 | (15±1) mm |
| 称重间隔 | 每2小时一次，取线性阶段斜率 |
研究案例：王建明等人（北京服装学院，2018）对比发现，同一Gore-Tex样品在吸湿法下WVTR为8200 g/(m²·24h)，而在蒸发法中可达9600 g/(m²·24h)，差异达17%[2]。
4.2 美国材料与试验协会标准（ASTM）
ASTM E96/E96M – 2016《Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials》
这是全球应用广泛的通用型透湿测试标准，包含多种子方法：
| 子方法 | 类型 | 条件说明 |
|---|---|---|
| Procedure A | 吸湿法 | 50% RH外部环境，干燥剂吸收 |
| Procedure B | 蒸发法 | 水源在杯底，外部控制RH |
| Procedure C | 半透膜法 | 使用渗透池，用于薄膜材料 |
| Procedure D | 动态相对湿度法 | 控制湿度阶跃响应，用于智能调湿材料 |
技术优势：ASTM E96允许用户自定义温湿度组合，灵活性强。例如可设置40℃/90% RH以模拟热带环境。
文献佐证：美国North Carolina State University的Kan Chi-wai教授团队（Textile Research Journal, 2020）研究表明，在相同织物上，ASTM E96-B法测得的WVTR比ISO 15496平均高出约12.3%，主要归因于更高的蒸汽压差驱动[3]。
4.3 国际标准化组织标准（ISO）
ISO 15496:2004《Textiles — Determination of water vapour transmission rate of fabrics using the inverted cup method》
又称“倒杯法”，属于蒸发法的一种变体，即将透湿杯倒置悬挂于试样下方，减少液面波动影响。
| 特点 | 描述 |
|---|---|
| 测试方向 | 倒置，水向上蒸发 |
| 温度 | 23℃ 或 38℃（依协议） |
| 外部湿度 | 50% RH |
| 优点 | 减少毛细作用干扰，提高稳定性 |
| 缺点 | 设备复杂，易发生漏水 |
研究数据：韩国纤维产业联合会（KOFOTI）测试数据显示，采用ISO 15496测得的Coolmax®织物WVTR为11200 g/(m²·24h)，较正置蒸发法高约8%[4]。
4.4 日本工业标准（JIS）
JIS L 1099:2011《Textiles — Test method for moisture permeability of fabrics》
该标准包含多个测试模式，具代表性的是B1和B2法：
| 方法 | 类型 | 具体条件 |
|---|---|---|
| B1法 | 吸湿法 | CaCl₂干燥剂，温度30℃，RH 85% |
| B2法 | 蒸发法 | 水源在杯中，温度40℃，RH 90%/20%双环境对比 |
特色之处：JIS L 1099引入了“动态透湿指数”概念，通过多组条件测试评估材料在不同气候下的适应性。
文献引用：东京工业大学Suzuki教授（Fibers and Polymers, 2017）指出，B2法能更好地区分纳米纤维复合膜的微结构差异，灵敏度优于传统方法[5]。
五、测试方法对比分析表
以下表格综合比较五种主流测试方法的核心参数与适用性：
| 测试方法 | 标准依据 | 原理类型 | 温度(℃) | 外部RH(%) | 内部状态 | 典型WVTR范围 [g/(m²·24h)] | 优缺点 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 吸湿法 | GB/T 12704.1, ASTM E96-A | 吸湿 | 38 | 50 | 干燥剂（CaCl₂） | 500–6000 | ✔操作简单 ✘干燥剂饱和需更换 ✘不适用于极高透湿材料 |
| 正置蒸发法 | GB/T 12704.2, ASTM E96-B | 蒸发 | 38 | 50 | 液态水 | 3000–12000 | ✔接近生理条件 ✔适合高透湿材料 ✘水面高度影响结果 |
| 倒杯法 | ISO 15496 | 蒸发（倒置） | 23/38 | 50 | 液态水 | 4000–13000 | ✔减少对流干扰 ✔数据稳定 ✘设备成本高 |
| JIS B1法 | JIS L 1099 | 吸湿 | 30 | 85 | CaCl₂ | 800–5000 | ✔高温高湿挑战性强 ✘干燥剂效率下降快 |
| JIS B2法 | JIS L 1099 | 蒸发 | 40 | 90→20（双箱） | 水 | 6000–15000 | ✔模拟剧烈运动环境 ✔区分能力强 ✘需双环境舱 |
注：典型WVTR范围基于多家实验室汇总数据，实际值受材料种类影响较大。
六、影响测试结果的关键因素分析
6.1 温湿度条件
根据Fick扩散定律，水蒸气传递速率与浓度梯度成正比。升高温度或加大内外湿度差均可显著提升WVTR数值。例如：
- 在ASTM E96-B中，将温度从23℃升至38℃，WVTR可提高约40%；
- 外部RH从65%降至30%，蒸汽压差增大，透湿量上升约25%[6]。
6.2 试样密封方式
密封不良会导致旁路渗透（Edge Leakage），使结果虚高。常用密封材料包括：
- 石蜡+蜂蜡混合物（传统）
- 硅胶圈+金属夹具（现代仪器）
- 热熔胶带（一次性使用）
实验表明，未充分密封的试样WVTR偏高可达30%以上（Zhou et al., Journal of Applied Polymer Science, 2019）[7]。
6.3 测试时间与平衡判断
多数标准要求达到“恒定质量变化率”方可计算WVTR。若测试时间不足，未进入稳态阶段，结果偏低。建议至少进行4次称重，确保线性相关系数R² ≥ 0.98。
七、典型防水透气材料的实测数据对比
选取三种常见防水透气结构进行多方法测试，结果如下：
| 材料类型 | 结构特征 | GB/T 12704.1 (吸湿法) | GB/T 12704.2 (蒸发法) | ASTM E96-B | ISO 15496 | JIS L 1099 B2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PU涂层涤纶 | 微孔涂层，厚度约30μm | 4200 | 5100 | 5300 | 5000 | 5600 |
| ePTFE复合膜 | 膨体PTFE+尼龙贴合，孔径<1μm | 8100 | 9500 | 9800 | 9600 | 10200 |
| TPU热塑膜 | 亲水性无孔膜，厚度25μm | 6300 | 7200 | 7400 | 7100 | 7800 |
数据来源：国家纺织制品质量监督检验中心（上海），2022年度报告[8]
分析结论：
- 所有材料在蒸发类方法中测得的WVTR均高于吸湿法，平均增幅约18.5%；
- JIS B2法因高温高湿条件，结果普遍高；
- ePTFE膜表现优，符合其开放式微孔结构利于水汽传输的特性。
八、新型测试技术的发展趋势
随着智能纺织品和功能性材料的进步，传统静态测试已难以满足需求。新兴技术包括：
8.1 动态透湿测试系统（Dynamic Moisture Permeability Tester）
采用可控湿度阶跃或循环变化，模拟人体活动过程中的湿度波动。代表设备如德国TEXTEST FX3300。
文献支持：英国利兹大学（University of Leeds）开发的DMP模型可预测织物在跑步-休息周期中的实时透湿行为（Textile Research Journal, 2021）[9]。
8.2 红外成像与质谱联用技术
利用红外热像仪观测表面湿度分布，结合质谱分析水分子迁移路径，实现微观机制解析。
案例：中科院苏州纳米所利用TOF-SIMS技术揭示了石墨烯氧化物膜中水通道的择优取向传输现象（ACS Nano, 2020）[10]。
8.3 数值模拟与人工智能预测
基于有限元分析（FEA）建立多尺度传湿模型，并结合机器学习算法预测新材料性能。
研究进展：浙江大学团队构建了BP神经网络模型，输入织物孔隙率、厚度、亲水性等参数，输出WVTR预测值，准确率达91.3%（Computers in Biology and Medicine, 2022）[11]。
九、标准统一化与国际互认挑战
尽管各国均有成熟标准体系，但由于测试条件差异，导致检测结果难以直接比较。例如：
- 中国GB/T与日本JIS温度设定不同（38℃ vs 30℃）；
- ISO与ASTM对“稳态”的判定标准不一致；
- 部分企业同时满足多项标准存在技术与成本压力。
为此，国际纺织制造商协会（ITMF）正在推动建立全球统一透湿测试协议（Global Harmonized WVTR Protocol），拟规定统一的温湿度条件（38℃, 50% RH）、试样尺寸（50 cm²）及数据处理流程。
进展通报：2023年ITMF工作组会议提出草案GH-WVTR-01，预计2025年前完成验证并发布[12]。
参考文献
[1] 张瑞萍, 刘力, 陈旭. 不同测试方法对功能性纺织品透湿性的影响研究[J]. 纺织学报, 2015, 36(7): 88–93.
[2] 王建明, 李娜. 防水透气膜材料透湿性能测试方法对比分析[J]. 北京服装学院学报, 2018, 38(2): 45–50.
[3] Kan, C., et al. "Comparison of water vapor transmission rates of textile materials tested by ASTM, ISO and GB standards." Textile Research Journal, 2020, 90(15-16): 1765–1776.
[4] KOFOTI. Annual Report on Functional Fabric Testing, 2021 Edition. Seoul: Korea Institute of Textile Industry, 2021.
[5] Suzuki, T., et al. "evalsuation of nanofiber-based breathable membranes using JIS L 1099 methods." Fibers and Polymers, 2017, 18(4): 701–708.
[6] ASTM International. ASTM E96/E96M-16: Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. West Conshohocken, PA: ASTM, 2016.
[7] Zhou, L., et al. "Influence of sealing techniques on water vapor transmission rate measurement accuracy." Journal of Applied Polymer Science, 2019, 136(22): 47589.
[8] 国家纺织制品质量监督检验中心. 2022年中国功能性面料检测白皮书[R]. 上海: CNST, 2022.
[9] Morrissey, M.P., et al. "Development of a dynamic moisture permeability tester for sportswear evalsuation." Textile Research Journal, 2021, 91(11-12): 1234–1245.
[10] Liu, Z., et al. "Directional water transport in graphene oxide membranes revealed by TOF-SIMS." ACS Nano, 2020, 14(5): 5876–5885.
[11] Chen, Y., et al. "Prediction of water vapor transmission rate of textiles using artificial neural networks." Computers in Biology and Medicine, 2022, 140: 105089.
[12] ITMF. Global Harmonization Initiative: Draft Protocol GH-WVTR-01. Geneva: International Textile Manufacturers Federation, 2023.
（全文约3800字）
