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1、荷叶效应与拒水拒油织物 董旭烨（西安市 西安工程大学 710048）摘 要：简介了拒水拒油的基本原理，织物获得拒水拒油性能的途径以及测试织物拒水拒油性能的措施。核心词：拒水，拒油，织物，荷叶效应前言拒水拒油织物是纺织产品不断向高性能、多功能发展的一种功能化织物。这种织物在服装、装饰、产业等领域应用的重要性已被人们逐渐所结识。它作为服装既能抵御雨水、油迹、寒风的入侵和保护肌体，又能让人体的汗液、汗气及时地排出，从而使人体保持干爽和温暖。同步，应用在装饰、产业领域中的具有拒水拒油功能的餐桌布、汽车防护罩等也备受青睐。因此它具有广阔的发展前景。1 拒水拒油机理拒水和拒油都是以有限的润湿为条件和前提的
2、，表达在静态条件下，对抗水和油污渗入作用的能力。因此，要讨论织物拒水和拒油机理，就要从润湿理论出发。润湿是指水或其她液体在固体表面扩展的过程，当液体在固体表面不能铺展时，在固体表面就呈现一定的形状。一般用接触角来表达液-固界面的特性。1.1 接触角当液体在固体表面不能铺展时，则液体以一定形状停留于固体表面，由固体表面和液体边沿切线形成一种夹角，（见图1-1）这个角称为接触角，用来表达液体对固体的润湿性能。(a)=0 (b)090河北纺织 年第三期 专项研究20(c)90180 (d)=180图1-1 接触角从上图所示的接触角大小比较容易判断出润湿状态:当 0时，液体完全润湿固体，无拒水作用；当
3、 090时，液体部分润湿固体，有一定的拒水作用；当 90180时， 固体表面稍被润湿，拒水作用一般；当 180时，固体完全不被润湿，拒水作用优良。1.2 临界表面张力液滴在固体表面上受到下列平衡力的作用，三相交界点的合力为零。液滴在固体表面上的接触角重要决定于固体和液体的表面能以及液体与固体的界面能。根据Young 方程式:YSL -YS+ YL COS = 0图1-2 液滴接触角式中：s -固体与气体界面的表面能（即固体的表面能）；l -液体与气体界面的表面能（即液体的表面能)；sl-液体与固体界面的表面能。由润湿方程可知，当S增大，则减小，即固体表面能越高，润湿越易发生，而要使拒水性增长，
4、必须使增大，因而固体的表面能越低，表面越不易发生润湿。一般状况下，液体表面能与固体表面能越接近，越难以润湿。但是拟定固体表面能比较难，因此由表面能判断与否润湿也不太容易。然而，接触角和液体的表面张力是较易测定的，而通过物体的表面张力，容易得到液、固接触时的接触角，从而确河北纺织 年第三期 专项研究21定与否润湿。Zis man 等人测定了同系物液体在同一固体表面上的接触角，以其COS对液体表面张力作图将所得直线外推至COS=1处所相应的表面张力值，将其定为该固体平面的临界表面张力，称为C。液体的表面张力低于C者，能在固体表面自行铺展，而液体表面张力不小于C者，则不能在固体表面自行铺展。C值越低
5、，能在此表面上铺展的液体越少，其润湿性越差。因而，若变化固体表面的临界表面张力，使C降低，则其拒水性提高。随着C值的减少，当低于油的临界表面张力时，则必使油在此界面上不能自行铺展，从而达到拒油目的。表1-1列出了某些常用聚合物固体表面的临界表面张力。表1-1 不同聚合物的临界表面张力此表阐明 ，高分子固体的C与其构成的分子元素有关。氟原子的引入，使C减少，而其她杂原子的引入，使C升高。同一类原子取代越多，则效果越明显。从中也可阐明，有机氟引入到织物纤维表面，使纤维的临界表面张力大幅度下降，从而使拒水拒油性大幅度提高。这也是目前在该领域大量应用有机氟的因素所在。表1-2给出了几种具有不同表面构造
6、的低表面能固体的C数据。表1-2 表面构造与C的关系表1-2 进一步证明了表1-1的成果，当固体表面以-CF3基团紧密排列后，具有最低的表面能和临界表面张力。而当H替代F后，其临界表面张力成倍增长，这就为我河北纺织 年第三期 专项研究22们合成以减少表面张力为目的的全氟化合物提供了根据。2 织物获得拒水拒油性能的途径2.1 荷叶效应纳米技术应用于织物拒水拒油整顿是基于最新的研究成果“荷叶效应”（Lotus-effect）原理。近三十年来，德国科学家通过扫描电镜和原子显微镜对荷叶等2 万多种植物的叶面微观构造进行观测，揭示了荷叶拒水自洁的原理。荷叶的表面具有双微观构造，一方面是由细胞构成的乳瘤形
7、成的表面微观构造，另一方面是由表面蜡晶体形成的纳米构造。乳瘤的直径为515m,高度为120m。荷叶效应的秘密重要在于它的微观构造和纳米构造，而不在于它的化学成分。荷叶表面的蜡质晶体一方面是拒水的，另一方面其表面的双微观构造是粗糙的。虽然表面乳瘤的直径为515m，高度为120 m，超过了1m，但是荷叶表面具有双微观构造，在乳瘤的表面有一层毛茸纳米构造，毛茸的直径远不不小于1m，可以达到纳米水平。 因此，荷叶的粗糙表面，使其拒水的能力明显增强。图2-1 荷叶的表面微观构造图2-2 荷叶的自洁原理示意图根据对荷叶构造研究，荷叶拒水必须具有如下条件：（1）表面材料必须拒水，水在其表面接触角必须不小于9
8、0。（2）表面必须是粗糙的并且粗糙限度必须是纳米水平或接近纳米水平。河北纺织 年第三期 专项研究23人们正在对这种措施进行进一步研究，相信不久就会有明显效果。荷叶效应可以在理论上突破常规的拒水材料研制思路，将减少材料的表面能和产生微观构造的粗糙度结合起来，使织物的拒水、拒油性能提高，并使织物具有良好的透气性。2.2 碳氟拒水拒油整顿拒水拒油整顿是以具有低表面张力的整顿剂解决织物，变化纤维的表面特性，使织物表面不易被水或油润湿和铺展，从而达到拒水拒油的目的。从表面化学的因素分析，若使液体(涉及水、油、油性污垢)不能润湿固体表面，则固体的临界张力必不不小于液体的表面张力。因此拒水整顿比拒油整顿容易
9、，只要使经整顿后纤维表面能对表面张力较大的水(72.6 m N/m)能产生较大的接触角，就能达到拒水的目的；而拒油整顿要使纤维表面改性后临界表面张力大幅度下降，对表面张力较小的油(2040 m N/m)也产生较大的接触角，使纤维产生拒油的效果。含氟拒水拒油整顿剂具有持续排列的长全氟烷链(Rf)，由于其特殊化学性质，它的表面张力很低，不仅远低于水的表面张力，也低于油类的表面张力。通过对织物整顿，含氟整顿剂沉积和吸附于纤维表面，通过极性基团与纤维结合，而Rf 长链在外层，形成拒水拒油膜层，见图2-3，使织物表面布满疏水性基团，减少或消除纤维对水或油的吸附作用，使得纤维临界表面张力下降，从而使织物获
10、得拒水拒油性能。图2-3 Rf化合物解决织物的表面3 拒水拒油织物的性能测试3.1 拒水级别测试对织物的拒水级别的测试，一般用淋水性能测试措施，大多参照AATCC22-1997实验措施，截取1818（）的试样一块，紧绷于试样夹持器（金属弯曲环）上，并以45放置，使织物的经向顺着布面水珠流下的方向，实验面的中心在喷嘴表面河北纺织 年第三期 专项研究24中心下的150mm 处，将250ml 冷水迅速倾入玻璃漏斗中，使水约在2530s 内淋洒于织物表面，淋洒完毕，取起夹持器，使织物正面向下成水平，然后对着这一硬物轻敲两次，将实验织物与原则图片对照，评估拒水级别。100分（5级） 90分（4级） 70
11、分（2级） 80分（3级） 50分（1级） 0分（0级）图3-1 评级图3.2 拒油级别测试拒油级别测试大多采用AATCC118-1992 原则。一方面是用最低编号的实验液体，以0.05ml 液体小心滴于织物上，如果在30s 内无润湿和渗入现象发生，则紧接着用较高编号的实验滴于织物上，实验持续进行，直至实验液体在30s 润湿液滴下方和周边织物为止，织物的级别以30s 内不能润湿织物的最高编码的实验液体表达。这种测试措施的实质是用不同表面能的液体测试织物的表面能，所用液体如下表所示。表3-1 拒油级别测试原则试液 表面能（mj/m 2 ） 拒油级别白矿物油 31.45 165%白矿物油35%正十
12、六烷29.6 2正十六烷 27.3 3正十四烷 26.35 4正十二烷 24.7 5正癸烷 23.5 6河北纺织 年第三期 专项研究25正辛烷 21.4 7正庚烷 19.75 8表3-2 含氟织物整顿剂和一般拒水整顿剂的比较性能 氟树脂 硅酮树脂 氮苯系 石蜡系拒水性 拒油性 耐洗性 染色摩擦牢度 机械稳定性 手感 注：优良 一般 差4 结束语拒水拒油织物不仅在人们的平常生活中具有很强的应用价值，如拒水拒油家具布、拒水拒油透气雨衣等，并且也是优良的产业用和装饰用纺织品，如建筑用拒水拒油织物、拒水拒油高透气生物防护服等等。从织物的微观构造和减少织物表面能两方面入手，研制出具有耐久的、良好的拒水拒油透气性能的织物，对提高人民的生活质量，增进有关产业的进步，推动国内对外纺织贸易的发展都具有积极的意义。参照文献1 杜文琴荷叶效应在拒水自洁织物上的应用J印染，27(9)：3637，432 汪建等纺织品拒水拒油整顿的机理与应用河南化工，1999(10)：38403 薛迪庚.织物的功能整顿北京：中国纺织出版社 ,107115_
