繊維のマルチレイヤー構造化と防水透湿性能の向上

繊維のマルチレイヤー構造とは何か

繊維製品の高機能化が進む中、マルチレイヤー構造は最も注目される技術の一つです。
単層では実現が難しい複数の機能を、異なる層を積層することで同時に発現させます。
具体的には、外層・中間層・内層の三層を基本とし、外層が撥水や耐摩耗を担い、中間層が防水透湿膜、内層が肌触りや吸汗性を担当します。
これによりアウトドアウエアや医療用防護服などで要求される「水を通さず、汗を逃がす」という相反する性能を両立できます。

防水透湿性能の基本原理

防水性は水柱圧試験で測定され、水柱が一定高さまで上昇しても染み出さなければ高いと評価されます。
一方、透湿性は水蒸気透過量で示され、24時間当たりのg/m²で表記されることが一般的です。
ポイントは液体の水と気体の水蒸気で分子サイズが異なる点です。
この差を利用し、孔径をナノ～サブミクロンオーダーに制御した膜や構造を介在させることで、液体水は遮断しつつ水蒸気は外部へ通過させます。

マルチレイヤー構造が防水透湿性を高めるメカニズム

微細孔膜層による水蒸気排出

ePTFEやPUフィルムに代表される微細孔膜は、数十億個の孔がシート状に存在し、孔径が0.1～0.5µmです。
水滴は表面張力で通過できませんが、直径0.0004µm程度の水蒸気分子は拡散移動します。
この膜を中間層に配置し、外層で雨を弾けば、内部に滞留した湿気のみが膜を透過して放散されます。

疎水性層と親水性層の組み合わせ

疎水性繊維は水をはじき、親水性繊維は水を吸い上げます。
表面側に疎水層、肌側に親水層を配置すると、毛細管現象で汗が肌面から外側に引き出され、さらに疎水層で雨の侵入を防ぎます。
この親疎水グラデーションにより、生地全体で蒸散ポンプ作用が起こり、透湿速度が向上します。

材料選択と加工技術

ポリウレタン系フィルム

PUフィルムは伸縮性に優れ、耐水圧1万mm以上を容易に達成できます。
さらに親水基を導入すれば、吸着拡散メカニズムで透湿量を2万g/m²・24h以上に高めることが可能です。
ラミネート時にはホットメルト接着やフロント&バックコーティングが用いられ、接着層の均一化が膜トンネルの発生を防ぎます。

エレクトロスピニング繊維

エレクトロスピニングは高電圧下でポリマー溶液を紡糸し、数百nm径の繊維不織布を形成する技術です。
面密度を10～20g/m²に調整することで、目開きが極めて均一なナノネットワークとなり、通気抵抗を抑えつつピンホールを回避できます。
その結果、軽量で柔軟性に富む高透湿・高耐水圧シートが得られます。

市場応用事例

アウトドアジャケットでは、ナイロンリップストップにePTFE膜をラミネートし、耐水圧2万mm・透湿3万g/m²・24hのスペックが実現されています。
消防用防護服では、芳香族ポリアミド繊維とPUフィルムの三層構造が採用され、70℃環境での透湿保持率80％を達成します。
医療現場では、SMS不織布とPUフィルムを多層化し、ウイルスバリアと高い水蒸気透過を両立した手術ガウンが登場しています。

性能評価と試験方法

耐水圧試験はJIS L 1092のB法が主流で、加圧速度は10cmH₂O/minが標準です。
透湿試験はJIS L 1099 A1法（カップ法）とB1法（水分移動速度法）の2系統があります。
さらに米国ASTM F 1671によるバクテリアバリア性、ISO 16603による血液浸透圧試験など、用途に応じた複合評価が欠かせません。

課題と今後の展望

マルチレイヤー構造は性能向上に寄与しますが、重量増とリサイクル難易度の上昇が課題です。
近年はバイオベースPUやPLAナノファイバーを活用し、環境負荷を抑えた解層・再生技術の研究が進んでいます。
また、AIを用いた層間設計最適化により、層数を減らしつつ機能集約する「スマートモノリシック膜」も開発段階にあります。
ウェアラブルセンサーと組み合わせ、衣服内マイクロクライメートをリアルタイム制御するシステムも次世代の注目領域です。