超疏水材料织物的应用与发展

超疏水材料织物的应用与发展近年来，超疏水表面的自清洁表面、微流体系统及生物相容性的潜在应用引起了对超疏水表面的研究极大关注。本文主要介绍了超疏水材料的基本原理及其在纺织品中的应用和发展。关键词超疏水；织物；织物。应用super hydraphoc material fabric application and developmentAbstract in recent years，as a result of super hydraphoc surface in self-cleaning coating，Microfluidic systems and biological compatibilityKeywords superhydraphobic结构应用程序一、自然的超疏水现象几十年的进化赋予了自然界几乎完美的结构，超疏水现象在自然界中普遍存在。自然界的生物引起了学者们的广泛关注，其中荷叶受到了最大的关注。早在我国宋朝，驻藏画就写下了“出自泥，但未染，清澈的恋情，不是恶魔”的千古绝句，这就是荷叶表面超疏水的描写。仔细观察荷叶，水滴凝结在荷叶上，好像一颗珍珠，清澈而美丽。而且水滴很难稳定地停留在荷叶表面，只要稍有倾斜和振动，水滴就会瞬间滑动。荷叶边表面具有自清洁性能，具有很强的超疏水效应，如电子显微镜所示，荷叶边表面有微米和纳米大小的双微结构，即由乳突形成的表面微米结构和蜡晶形成的纳米结构，油井直径为5 15 m，蜡晶的特性规模为20 500 nm。微米结构的排列会影响其他物体的表面运动趋势，纳米结构会大大增加荷叶表面和其他物体的表面接触角度，两种结构的结合可以有效地减少其他物体的表面弯曲。具有独特层次结构的荷叶的超疏水表面减少了水滴和不洁物质粒子表面的接触面积，使不洁物质粒子不容易粘在荷叶表面，而是吸附在水滴上，在叶面外滚动。这就是莲花效果的秘密。结果表明，基于莲花效应的超疏水仿生功能表面已在涂层、薄膜、纤维等宏观领域中应用，显示了很大的应用价值。另外，水稻叶和芋头叶的表面也有超疏水本身的清净性。自然的植物是这样的，动物也是这样。蝉翅膀的表面有均匀分布的纳米周物质，因此具有超疏水特性；水由于桥的微米和纳米的结合结构，可以在水中快速滑动，而不会弄湿。蚊子的眼睛由于特殊的粗糙结构，具有超防水性和防锈性等。二、疏水的基本原理固体表面的润湿性由固体的表面化学组成和表面的三维微结构决定，固体表面水滴的润湿性经常用零方程说明。液滴和固体表面之间的接触角大，润湿性低，稀液性强。通常，有两种方法可以提高固体表面的水接触角和疏水性。一种是用化学方法减少固体的表面自由能，另一种是在疏水表面提高固体的表面粗糙度。目前已知的疏水材料硅、有机氟材料的表面能较低，含氟集团的表面能按-CH2-CH3-cf2-c-f2h-cf3的顺序减少。图1 schem gic of a water droplet on flat surfaceYoung通过对物质表面亲、疏水的划时代性的研究，揭示了理想表面上的Fig.1、水滴达到平衡时各相关表面张力和接触角之间的功能关系，提出了著名的零方程：Cos =( SV- sl)/ LV (1)其中，sv、sl、lv分别是固体、固体、气液之间的界面张力、气体、固体和液体三相平衡时的接触角。 90是疏水特性， 90是亲水特性。根据Young方程， SV sl中的cos 90。也就是说，向曲面添加安全气囊会增加接触角，从而增加疏水性。实际固体表面在某种程度上、粗糙或化学上不均匀，因此实际测量的表观接触角和Youngs方程的预期值有很大差异，实际表面的接触角不是唯一的。在固体表面上已经平衡的水滴通过添加或泵入水来增加或减少接触角度的方式，接触线开始向前移动时的临界接触角度为前进角度(a)，接触线收缩时的临界接触角度为向后角度(r)，此差值的差值(a -r)称为接触角度滞后。表观接触角介于前后角两个阈值范围之间。接触角滞后确保水滴在倾斜的表面上不一定向下移动。随着倾角的增加，重力增大水滴前部的接触角，后部的接触角减小。仅当达到临界接触角度时，水滴才会下降，此时，倾斜角定义为滚动角度。如果表面的后伸较小，水滴在倾斜表面始终保持球形管状，则和接触角延迟之间的关系可以表示为：l(Cossr-Cossa)=gV sin(2)其中，l是沿移动方向的接触区域的直径，v是水滴的体积，是水的表面张力。公式(2)显示，背面越小，水滴越容易滚动。温泽尔深入研究了膜表面粗糙状况对疏水的影响。零方程式已修正。由于实际表面粗糙，因此指出实际接触面积大于理想平面，提出了Wenzel方程。Cos =r ( SV- sl)/ gv=rcos (3)其中r 1方程(3)表明，粗糙表面的实际接触角度和Youngs方程的固有接触角度之间存在以下关系3360 90，则 ，即表面的亲水性随表面粗糙度的增加而增加。在 90的情况下，即随着表面粗糙度的增加，表面的疏水性增加。Cassie正在研究织物的疏水性，并提出了另一种表面粗糙度的新模型空气垫模型(图2b)。建议的接触面由两部分组成，一个是水滴直接接触固体表面(fs)突起，另一个是接触空气垫(Fv)！假定引入theta v=180，表观系数f=fs/(fsfv)，则Cassie方程式为：cos=f cosf1(4)根据Cassie模型和公式的理论计算！提高空气垫部分的比例可以提高膜表面的超疏水性。图2 .(a)Wenzels (b)Cassies低表面能材料表面的接触角随表面粗糙度和空隙的增加而增加。获得超疏水表面的最佳方法是设计表面的微观结构，将低表面能物质(如含氟物质)和适当的表面粗糙度有机地结合起来，这是获得超疏水表面的最佳方法。三、防水织物的开发和应用织物在满足人的服装要求的同时，在许多特殊条件下完成了特定功能，而不失去原来的舒适性，舒适性是不仅与手感风格有关，还与织物的疏水渗透非常相关的综合指标。早期疏水物质主要用于织物的防腐，随着技术的发展，疏水物质在织物上的开发和应用越来越广泛。1、开发防水和透湿纤维目前处于新产品上升阶段，主要产品品种是高密度织物和氟硅抛光的织物，微孔或亲水涂层织物，微孔或亲水叠层织物。防水透湿性织物用途包括民间服装(雨衣、运动服、休闲服)、工作服、防护服等，其中民间服装占63%，工作服占27%。防水透湿织物开发的主线是涂层和叠层织物，支点是高密度织物。发展主要可以分为三个阶段。织物防水及透湿技术的第一步。第一种防水透湿织物是20世纪40年代出现的著名门泰尔防水布。防水布湿后，棉纤维膨胀，缝隙减少，保护织物不被雨水进一步渗透。第二次世界大战后，合成高分子材料制造了很多高分子涂层剂。20世纪70年代生产了细旦纤维。20世纪80年代后期超细纤维的迅速发展，利用他制作的各种超致密织物出现了。防水透湿技术的第二阶段。1969年，美国杜邦公司R.W.Gore成功开发了薄膜微孔的直径范围水蒸气不能通过水滴的PTFE (PTFE)微孔薄膜。Ptfe防水透湿微孔膜的发明标志着防水透湿技术的突破性进展。美国戈尔1976年为了试制，用PTFE薄膜和织物叠层合成的第一代商品名称gore tex的防水透湿叠层织物。1979年，日本电工和戈尔推出了第二代PTFE膜，制造了防水和透湿性能优秀的叠层织物。防水透湿技术的第三阶段。从20世纪80年代后期开始，用聚氨酯材料或多种类型的聚氨酯复合材料、聚醚聚酯共聚物等制成的非微孔膜型材料(亲水膜)的研究异常活跃。例如，美国宝丽来国际有限公司的聚氨酯基乳浊(Qualitex)多功能防水透湿无孔亲水膜。荷兰AKZO的聚酯块聚合物制成的Sympatex薄膜。防水透湿服装在欧美、日本等发达国家已经有30多年的历史，这些国家对防水透湿织物的需求逐年增加。我国也开始了对这种织物的开发和研究。继美国之后，中国一些研究机构研究了聚四氟乙烯防水透湿微孔薄膜，设计和制造了世界第二次双向拉伸的聚四氟乙烯微孔薄膜生产线，国内首次直接设计了每年300万米叠层织物的复合生产线，并于1997年底完工，填补了国内空白。为了解决表面光滑、极性小、粘合困难等问题，开发了涤纶热熔胶和低温硅胶，叠层织物的低温柔软性优于美国Gore-rex织物。目前该产品还应用于部队和寒冷地区的保暖防护服。另外，宁波登天氟有限公司开发的DENTIK防水透湿叠层复合面料打破了外国企业的垄断局面，成为户外运动的黑马。我国也利用聚氨酯等各种亲水性无孔防水透湿膜的研发，紧跟世界潮流。山东科特勒有限公司经过两年的攻防战，完成了多用途热塑性聚氨酯(TPU)复合面料的开发，应用并普及了非典(SARS)抵抗和高致病性禽流感。2，应用防水透气性织物在民间最常用的是帐篷、睡袋、突击服、鞋子等。室外用睡袋需要保温性、透气性、轻便性等，因此PTFE微孔膜将织物层叠在一起，双层结构，外层为尼龙织物，内层为PTFE膜。这种睡袋在使用时没有缺氧，一氧化碳中毒的危险。防水透气层板不仅满足了人们在寒冷雨雪大风天气等恶劣环境下活动时的穿着需要，还适合日常生活对非腹语类等的要求，具有广泛的应用和开发前景。未来防水透气织物的研究开发重点是降低成本，并朝着更轻、更舒适、多功能的方向努力。防水透气性织物是高附加值的产品，通过不同的生产工艺生产的防水透气性产品，如果有其特色、不完善的地方，那么很多科学技术人员必须继续努力，开发更舒适、功能性的织物，以满足人们不断增长的需求。对空军飞行员、海军士兵、特种兵突然被冷水淹没，体温就会下降伤亡发生的因素之一。防水透气性衣服已经被用作美国空军飞行员、水手、海陆空作战执行等特殊部队专用暴动服装，温度为20。c的冷水中提供最大2d的保护，穿着轻便舒适。防水透气性织物的应用，不仅解决了透气性和防水的矛盾，还可以减轻鼻服的重量，有效地减少军人的负荷量。展望未来，有关防水透湿织物性能提高和产品开发的研究将主要从三个方面展开。一是随着高分子材料的开发，将开发利用新型互穿网络聚合物、离子聚合、高度分支聚合物、树脂性聚合物等多种类型的化学微孔防水透湿膜。二是随着加工设备的持续更新，提高了更高的开放速度、更均匀的空隙、更薄厚度的防水透湿膜以及由这些薄膜复合构成的多种功能的双组分、多成分薄膜等物理形态下防水透湿织物的性能的研究；用多种结构、细腻、性能的纱线编织的多种组织，表面形式的高密度防水透湿织物。第三，结合防水透湿织物的特性，开发户外用品、耐久性强的手术服、宇航服等各种特殊