超疏水材料织物的应用与发展(共4页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上超疏水材料织物的应用与发展【摘要】近年来,由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用,有关超疏水表面的研究引起了极大的关注。本文主要介绍了超疏水材料的基本原理及其在织物上的应用和发展。关键词 超疏水；织物；应用Super Hydrophobic material fabric application and developmentAbstract In recent years , as a result of super hydrophobic surface in self-cleaning coating ,microfluidic systems and biological compatibility and other aspects of the potential application of super hydrophobic surface ,related research hasaroused great concern .this paper mainly introduces the basic principle of super hydrophobic material and its application on fabric and development.Key words super hydrophobic; fabric; application专心-专注-专业一、自然界中的超疏水现象几十年的进化赋予了自然界生灵近乎完美的构造，超疏水现象广泛存在于自然界中。自然界中的生物吸引了学者的广泛关注，其中荷叶便是受关注最高的一种。早在我国宋朝年间，周敦颐便写下了“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的千古佳句，这描述的就是荷叶的表面超疏水性能。当我们仔细观察荷叶时，会发现水滴在荷叶上还保持者滴落的样子，就像一粒珍珠，晶莹剔透，非常美丽。而且，水滴很难稳定地在荷叶表面停留，所以只要稍微倾斜和振动，水滴瞬间便会滑落。荷叶表面具有自清洁性能，有非常强的超疏水效果，在电子显微镜下可观察到荷叶表面存在着微米和纳米级的双微观结构 ,即乳突形成的表面微米结构和蜡晶体形成的纳米结构 ,乳突的直径为 515m ,蜡晶体特征尺度为20500nm。微米结构的排列影响其他物体在其表面的运动趋势,纳米结构则大大提高了荷叶表面与其他物体表面的接触角,两种结构的结合可有效地降低其他物体在其表面的滚动角。具有独特阶层结构荷叶的超疏水表面减小了与水珠和脏物颗粒表面的接触面积,使脏物颗粒不容易粘附在荷叶表面,而是被水珠吸附卷走,从而滚出叶面。这就是荷花效应的秘密所在。事实证明,基于荷花效应的超疏水仿生功能表面已在涂料、薄膜、纤维等宏观领域得到了应用 ,并展现了极大的应用价值。另外，水稻叶、芋头叶的表面也具有超疏水自清洁性能。自然界中的植物如此，动物也是如此。蝉翼的表面因为存在着均匀分布的纳米柱状物质而具有超疏水特性；水由于腿部的微米与纳米相结合的结构而能在水中快速滑行而不被润湿；蚊子的眼睛由于特殊的粗糙结构而具有超防水和防雾性能等等。二、疏水基本原理固体表面的润湿性是由固体的表面化学组成和表面三维微结构决定的,液滴在固体表面的润湿特性常由杨氏方程描述。液滴与固体表面间的接触角大 ,润湿性差 ,其疏液体性强。通常有两种方法提高固体表面的水接触角和疏水性。一是通过化学方法降低固体的表面自由能 ,二是在疏水表面提高固体表面的粗糙度。目前已知的疏水材料有机硅、 有机氟材料的表面能低 ,并且含氟基团的表面能依 -CH2- > -CH3 > -CF2- > C-F2H > -CF3的次序下降。 图1 Schemgic of a water droplet on flat surfaceYoung通过对物质表面亲、疏水性的开创性研究，揭示了在理想表面上Fig.1，当液滴达到平衡时各相关表面张力与接触角之间的函数关系，提出了著名的杨氏方程:cos= (sv -sl)lv (1)其中sv、sl、lv分别为固气、固液、气液间的界面张力，气、固、液三相平衡时的接触角。当90°时表现为疏水性质，90°时表现为亲水性质。根据杨氏方程可知：当svsl时cos0则90°也就是在表面增加气囊可以提高接触角，以增加疏水性能。真实固体表面在一定程度上或者粗糙不平,或者化学组成不均一,所以实际测定的表观接触角与Youngs方程预计值有较大的差异 ,而且真实表面的接触角并不唯一。向某一固体表面上已达平衡的水滴通过加水或抽水的方式来使接触角增大或减小 ,定义接触线开始前移时的临界接触角为前进角(a ),而接触线收缩时的临界接触角为后退角(r ),两者的差值(a -r )称为接触角滞后。表观接触角则处于前进角和后退角两个临界值范围之间。接触角滞后的存在使得水滴在倾斜的表面上不一定向下移动。随着倾斜角的增大,在重力作用下,水滴前部分的接触角增加而后部分的接触角减小。只有同时达到临界接触角时水滴才会向下滑,定义这时的倾斜角为滚动角。若表面的滞后较小,水滴在倾斜表面上始终保持球冠状形貌 ,那么与接触角滞后的关系可表示为:l(cosr - cosa ) = gV sin (2)其中l是接触面积沿移动方向的直径,V是水滴的体积,是水的表面张力。从公式(2)可知 ,滞后越小,水滴就越易滚动。Wenzel就膜表面的粗糙情况对疏水性的影响进行了深入的研究。对杨氏方程进行了修正。指出由于实际表面粗糙，使得实际接触面积要比理想平面大，提出了Wenzel方程：cos= r(sv - sl)gv = rcos (3)其中r 1方程(3)揭示了粗糙表面的实际接触角与Youngs方程中的本征接触角之间有如下的关系:若< 90° ,则<, 即表面的亲水性随表面粗糙程度的增加而增强;若> 90° ,则>,即表面的疏水性随表面粗糙程度的增加而增强。Cassie在研究织物疏水性能，提出了另一种表面粗糙新模型空气垫模型（图2b）。提出接触面由两部分组成，一部分是液滴与固体表面（fs）突起直接接触，另一部分式与空气垫（fv)接触! 并假定v=180°，引入表观系数f = fs(fs + fv)，故Cassie方程：cos= f cos+ f 1 (4)根据Cassie的模型及公式的理论计算! 提高空气垫部分所占的比例，将会增强膜表面的超疏水性能。图2.（a）Wenzels （b）Cassies低表面能材料表面的接触角将随着表面的粗糙程度和空隙率的增加而递增。获取超疏水表面的最好方式就是设计好表面的微构造，将含氟材料等低表面能材料与适当的表面粗糙化有机结合是获取超疏水表面的最佳途径。三、防水织物的发展应用织物在满足人们穿衣需要的同时还要在许多特殊的条件下完成特定的功能，同时仍不失其原有的舒适性，舒适性是一个综合的指标，不仅与与手感风格有关，还与织物的疏水透湿有很大关系。 最初疏水性材料主要应用于织物的防雨上，随着科技的发展 疏水性材料在织物上的发展与应用前景越来越广。1、发展防水透湿纺织品现处于新产品上升发展阶段，其主要产品品种是高密度机织物及其氟硅整理的织物、微孔或亲水涂层织物、微孔或亲水层压织物。在防水透湿织物用途方面，有民用服装(雨衣、运动服、休闲服)、工作服、防护服等，其中民用服装占63，工作服装占27。防水透湿织物发展的主线是涂层和层压织物，辅线是高密织物。其发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段 织物防水透湿技术起步阶段。最早的防水透湿织物是1940年代出现的著名的文泰尔防雨布。当防雨布一旦润湿，棉纤维膨胀，空隙缩小，保护织物不被雨水进一步渗透。第二次世界大战后，由于合成高分子物的出现，产生了许多聚合物涂层剂。1970年代，细旦纤维生产出来。1980年代后期，随着超细纤维的迅速发展，各种用他制作的超高密织物大量涌现。第二阶段 防水透湿技术突破阶段。1969年美国杜邦公司RWGore研制成功聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜，薄膜微孔的直径范围水蒸气能通过而水滴不能通过。聚四氟乙烯防水透湿微孔薄膜的发明，标志着防水透湿技术取得了突破性进展。美国高尔公司于1976年试制用PTFE薄膜与织物进行层压复合制得的第一代商品名为Gore-Tex的防水透湿层压织物。1979年日本润工社和高尔公司合作，推出第二代PTFE膜，制得了防水透湿性能优异的层压织物。第三阶段 防水透湿技术全面发展阶段。1980年代后期开始，采用聚氨酯材料，或不同类型的聚氨酯复合、聚醚聚酯共聚物等制成的非微孔膜型材料(亲水性薄膜)的研究异常活跃。例如，美国宝立泰国际股份有限公司的以聚氨酯为主的优泰克(Qualitex)多功能防水透湿无孔亲水性薄膜。荷兰AKZO公司的由聚酯嵌段高聚物制成的Sympatex薄膜。防水透湿服装在欧美和日本等先进国家已有三十多年的历史，这些国家对防水透湿性织物的需求逐年增加。我国也开始对这类织物的开发研究工作。继美国之后，我国一些科研机构对聚四氟乙烯防水透湿微孔薄膜进行了研究，设计制造了世界上第二条双向拉伸聚四氟乙烯微孔薄膜生产线，并自行设计了国内第一条年产300万米层压织物的复合生产线，与1997年底建成投产，填补了国内空白。针对PTFE薄膜表面光滑、极性小和黏合困难等问题，研制了聚酯热熔黏合剂和耐低温有机硅黏合剂，使层压织物的低温柔软性优于美国Gore-rex织物。目前该产品已应用于部队以及寒冷地区的保暖防护服。另外，宁波登天氟材有限公司研制的DENTIK防水透湿层压复合面料，打破国外公司的垄断局面，成为户外运动的一匹黑马。我国利用聚氨酯等各种亲水性无孔防水透湿薄膜的研究开发也紧跟世界潮流。山东科特乐股份有限公司经过两年攻关，完成了多功能热塑性聚氨酯(TPU)复合织物的研制，在国家抗非典和阻击高治病性禽流感中得到应用和推广。2、 应用防水透气织物在民用中应用最多的就是户外产品如帐篷、睡袋、冲锋衣、鞋子等。户外用的睡袋要求保暖、透气、重量轻等，因此PTFE微孔膜层压织物，采用双层结构，外层为尼龙织物，里层为PTFE膜。这种睡袋使用时没有缺氧、一氧化碳中毒的危险。防水透气层压织物不仅能满足严寒雨雪、大风天气等恶劣环境中人们活动时的穿着需要，也适用于人们日常生活对雨衣鞋类等的要求，具有广阔的应用和开发前景。未来防水透气织物研究开发的重点是降低成本，并朝着更加轻便、舒适、多功能化的方向努力。防水透气织物是一种高附加值的产品，不同的生产工艺其生产的防水透气产品各有其特色，同时也存在着不尽完善的地方，就需要广大科技工作者继续努力，开发出更具舒适性和功能性的织物，满足人们日益增长的需求。对于空军飞行员、海军士兵和特种兵来说，突然浸没在冷水中会导致体温下降，是成人员伤亡要因素之一。防水透气服装已作为美军空军飞行员、船员和执行海陆空行动等特兵的专用防暴服装，该类服装在温度为20。C的冷水中，能提供高达2d'时的保护作用，并且穿着轻便、舒适。防水透气织物的应用不仅解决了透气和防水的矛盾，还可以减轻雨衣的重量，从而有效地减轻士兵负荷量。展望未来，防水透湿织物性能提高与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发展，采用新型的互穿网络聚合物、离子型聚合物、高度支化聚合物、枝状聚合物等材料研制各种类型的含有化学微孔的防水透湿薄膜。二是随着加工设备的不断更新，研究从物理形态方面提高防水透湿织物的性能，如开孔率更高、孔隙更均匀、厚度更薄的防水透湿薄膜以及这些薄膜复合组成的各种功能的双组分、多组分薄膜；各种不同结构、细度、性能的纱线织成的不同组织、表面形态的高密防水透湿织物。三是结合防水透湿织物的特性，研制各类特种或功能防水透湿织物，如户外用品、耐用手术衣、宇航服等。参考文献【1】鲍丽华，周静宜，陈放拒水整理对织物风格影响的研究J纺织科学研究.【2】张建春，黄机质防水透湿织物的发展与展望J棉纺织技术，2003，31(2)：6972【3】戴晋明，任玉洁防水透气织物舒适性M.北京：中国纺织出版社2003：2384【4】杜文琴荷叶效应在拒水自洁织物上的应用J印染，2001，(9)：36-37【5】郭腊梅，刘俐，崔运花纺织品整理学M北京：中国纺织出版社，2005：279281