隨著社會(huì)的發(fā)展、人類的進(jìn)步，人們對(duì)多功能紡織品顯示出了越來(lái)越旺盛的需求。其中具有超拒水功能的服裝產(chǎn)品越來(lái)越受到消費(fèi)者的歡迎，尤其是醫(yī)護(hù)人員用裝、高檔服裝、戶外裝、運(yùn)動(dòng)裝和休閑裝等。本文旨在從物體表面潤(rùn)濕性的基本原理出發(fā)介紹紡織領(lǐng)域進(jìn)行超拒水整理的各種先進(jìn)、創(chuàng)新的技術(shù)。
1 疏水基本原理
Youn[1]通過(guò)對(duì)物質(zhì)表面親、疏水性的開(kāi)創(chuàng)性研究．揭示了在理想光滑表面上．當(dāng)液滴達(dá)到平衡時(shí)各相關(guān)表面張力與接觸角之間的函數(shù)關(guān)系．提出了著名的楊氏方程：COSθ=(уSV-уSL)/уLV式中уSV為固體表面在飽和蒸氣下的表面張力，уLV為液體在它自身飽和蒸汽壓下的表面張力，уSL為固液間的界面張力，θ為氣、固、液三相平衡時(shí)的接觸角。一般人們認(rèn)為當(dāng)θ＞90°時(shí)固體表面表現(xiàn)為疏水性質(zhì)，θ＜90°時(shí)表現(xiàn)為親水性質(zhì)。將與水接觸角大于150°的物體表面稱為超疏水表面。
Wenzel[2]就膜表面的粗糙情況對(duì)疏水性的影響進(jìn)行了深入的研究．對(duì)楊氏方程進(jìn)行了修正。指出由于實(shí)際表面粗糙使得實(shí)際接觸面積要比理想平面大，提出了Wenzel方程：cosθ1=r(уSV-уSL)/уLV。式中r為實(shí)際接觸面積／表觀接觸面積。與楊氏方程相比cosθ1=rcosθ，稱θ1為表觀接觸角，θ為楊氏接觸角。顯然r>1．根據(jù)Wenzel方程可知．親水膜在增加粗糙度后將更親水．疏水膜則更疏水。
Cassie[3]在研究織物疏水性能時(shí)．提出了另一種表面粗糙新模型——空氣墊模型。Cassie提出接觸面由兩部分組成，一部分是液滴與固體表面(R)突起直接接觸，另一部分是與空氣墊(fv)接觸，并假定θ1 =180°，引入表面系數(shù)f=fs／(fs+fv)，Cass
由上面的討論可知．物體表面的潤(rùn)濕性由物體表面的化學(xué)成分和表面形貌結(jié)構(gòu)共同決定。一般制備超疏水表面的方法有兩類：一類是在固體表面修飾低表面能物質(zhì)．另一類是在低表面能物質(zhì)表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)。含氟化合物的臨界表面張力明顯小于其它化合物．尤其以-CF3組成的單分子膜的表面張力僅為O.6×10-2N／m．因此目前在紡織品拒水整理方面．主要是利用氟碳化合物具有極低表面能的特點(diǎn)，使織物達(dá)到拒水、拒油、拒污的效果，但是該類整理劑價(jià)格昂貴．有機(jī)氟有一定的生物毒性，對(duì)環(huán)境存在潛在威脅。且有研究表明．在光滑表面上。僅采用化學(xué)方法．如采用低表面能物質(zhì)氟硅烷(FAS)等來(lái)降低表面自由能．其接觸角最多達(dá)到120°，因此從織物表面微結(jié)構(gòu)構(gòu)造角度出發(fā)制備超疏水織物越來(lái)越受到人們的重視。
2 制備超疏水表面的技術(shù)
目前制備超疏水表面的方法很多．如化學(xué)沉積技術(shù)、模板擠壓技術(shù)、脈沖激光沉積技術(shù)、等離子體技術(shù)、靜電紡絲技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、相分離技術(shù)等都有報(bào)道。下面就與紡織品相關(guān)的技術(shù)作簡(jiǎn)單介紹。
2．1 脈沖激光沉積法(Pulsed Laser，Deposition)
脈沖沉積系統(tǒng)一般由脈沖激光器、光路系統(tǒng)(光闌掃描器、會(huì)聚透鏡、激光窗等)；沉積系統(tǒng)(真空室、抽真空泵、充氣系統(tǒng)、靶材、基片加熱器)；輔助設(shè)備(測(cè)控裝置、監(jiān)控裝置、電機(jī)冷卻系統(tǒng))等組成[4]。
整個(gè)PLD鍍膜過(guò)程通常分為3個(gè)階段。①激光與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體。激光束聚焦在靶材表面．在足夠高的能量密度下和短的脈沖時(shí)間內(nèi)，靶材吸收激光能量并使光斑處的溫度迅速升高至靶材的蒸發(fā)溫度以上而產(chǎn)生高溫及燒蝕，靶材氣化蒸發(fā)，有原子、分子、電子、離子和
脈沖激光沉積技術(shù)是目前最有前途的制膜技術(shù)之一，該技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：① 可對(duì)化學(xué)成分復(fù)雜的復(fù)合物材料進(jìn)行全等同鍍膜，易于保證鍍膜后化學(xué)計(jì)量比的穩(wěn)定。與靶材成分容易一致是PLD的最大優(yōu)點(diǎn)，是區(qū)別于其他技術(shù)的主要標(biāo)志。② 反應(yīng)迅速，生長(zhǎng)快．．③ 定向性強(qiáng)、薄膜分辨率高，能實(shí)現(xiàn)微區(qū)沉積．④ 生長(zhǎng)過(guò)程中可原位引入多種氣體，引入活性或惰性及混合氣體對(duì)提高薄膜質(zhì)量有重要意義。⑤ 易制多層膜和異質(zhì)膜。⑥ 靶材容易制備，不需加熱。⑦ 高真空環(huán)境對(duì)薄膜污染少，可制成高純薄膜。⑧ 可制膜種類多．幾乎所有的材料都可用PLD制膜，除非材料對(duì)該種激光是透明的。
同時(shí)PLD技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)．主要表現(xiàn)在：① 脈沖瞬間沉積時(shí)不能避免產(chǎn)生液滴及大小不一的顆粒的形成．會(huì)以大的團(tuán)簇形狀存留在膜中．影響膜的質(zhì)量。②薄膜厚度不夠均勻。融蝕羽輝具有很強(qiáng)的方向性．在不同的空間方向．等離子體羽輝中的粒子速率不盡相同．使粒子的能量和數(shù)量的分布不均勻。③ 等離子局域分布難以形成大面積
香港理工大學(xué)Walid A．Daoud．John H．Xin[6]等人在室溫條件下利用脈沖激光沉積技術(shù)在棉織物表面沉積一層聚四氟乙烯(PTFE)薄膜．利用激光刻蝕形成的粗糙結(jié)構(gòu)結(jié)合聚四氟乙烯薄膜，使之具有極低的表面張力，處理后棉織物的接觸角達(dá)到151°。
2．2 等離子體技術(shù)(Plasma Treatment)
等離子體分類有各種方法，大多數(shù)將其分為高溫等離子體和低溫等離子體。紡織染整加工主要應(yīng)用低溫等離子體．它又稱非平衡等離子體．其電子溫度很高而分子或原子類粒子的溫度卻較低。低溫等離子體的作用方式主要有三種：等離子體表面處理改性法、等離子體接枝聚合法和等離子體沉積聚合法。表面處理改性法是指使用非聚合性等離子體如氧氣、氮?dú)狻錃狻被蛩魵獾葘?duì)材料表面或極薄表層的活化、刻蝕處理．通常稱減量處理。因?yàn)榈蜏氐入x子體中電子等活性因素的能量(高達(dá)20 ev)比有機(jī)化合物的化學(xué)鍵能(10 eV)高得多，在化學(xué)上呈非常活潑的狀態(tài)。當(dāng)處理有機(jī)化合物時(shí)，很容易使被處理物發(fā)生斷裂和反應(yīng)，從而改善纖維或織物的吸濕性、抗污性、耐磨性及染色性等性能。等離子體接枝聚合法是運(yùn)用等離子體作用首先使表面活化，并引入活性基團(tuán)，然后再運(yùn)用接枝方法在原表面上形成許多支鏈，構(gòu)成新表層。等離子體沉積聚合法是將有機(jī)化合物的氣體形成等離子體狀態(tài)，通過(guò)控制工藝條件，使其沉積在處理物表面形成覆膜的方法。后兩類是增量處理法。
用等離子體處理織物有很多優(yōu)點(diǎn)：①幾乎所有的織物都可用等離子體在真空狀態(tài)下處理。②等離子體處理只改變織物的表面性能，而沒(méi)有改變其固有的特性。③用濕法紡絲不可能或很難處理的聚合物，其表面性能則很容易用等離子體處理方法改變。④因等離子體處理屬物理處理，故化學(xué)制劑消耗很低。⑤等離子體處理有利于環(huán)境保護(hù)。但同時(shí)等離子體技術(shù)在工業(yè)化運(yùn)用的道路上也面臨很多困難[7]，如等離子體的產(chǎn)生通常采用電暈放電和輝
張菁[8,9]等人使用某種氟碳化合物的等離子體沉積方法，在棉織物表面涂覆一層很薄的憎水膜，接觸角測(cè)試表明，僅僅經(jīng)過(guò)30s的涂覆處理，棉織物表面水接觸角就可達(dá)164°左右，獲得超級(jí)憎水特性。且棉織物的柔軟性、保水率、手感、透氣性等特征同時(shí)得到增強(qiáng)。
2.3 電紡絲技術(shù)(Electrospinning)
靜電紡絲是目前制備具有納米數(shù)量級(jí)直徑纖維的重要方法之一，靜電紡絲系統(tǒng)主要由噴絲頭及紡絲液供給系統(tǒng)、纖維收集裝置和高壓發(fā)生器三部分組成。按噴絲頭與收集裝置之間的幾何排布，可分為立式和臥式兩種基本構(gòu)型。靜電紡絲是化學(xué)纖維傳統(tǒng)溶液干法紡絲和熔體紡絲的新發(fā)展[10]，它是通過(guò)使金屬電極浸沒(méi)在高分子溶液或熔體中或者與具有傳導(dǎo)性的噴嘴相連而傳導(dǎo)電荷，并將高分子溶液或熔體置于噴絲口與接受屏之間的高壓電場(chǎng)中，在電場(chǎng)的作用下，高分 子溶液或熔體中因相同電極之間產(chǎn)生的庫(kù)侖斥力使位于噴絲口端的半球形液滴最終形成圓錐形液滴(即Taylor錐)[11]。隨著靜電場(chǎng)力增加至超臨界值，庫(kù)侖排斥力最終大于表面張力，這就導(dǎo)致高分子溶液或熔體中噴出帶電的細(xì)流，最終沉積于陰極收集區(qū)。
江雷[12]等以廉價(jià)的聚苯乙烯為原料，采用一種簡(jiǎn)單的電紡技術(shù)，制備了具有多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)(PMNCF)的超疏水薄膜。其中多孔微球?qū)Ρ∧さ某杷云鹬饕饔茫{米纖維則交織成一個(gè)三維
此外Acatay，Kazim[13]，Ma，Minglin[14]等也通過(guò) 電紡絲的方法制備了不同聚合物的超疏水薄膜。
2.4 溶膠凝膠技術(shù)(Sol-Gel Technique)
溶膠-凝膠技術(shù)是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理而成氧化物或其它化合物固體的方法[15]，是制備材料的濕化學(xué)中新興起的一種方法。廣泛應(yīng)用于電子陶瓷、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物、復(fù)合材料等各個(gè)領(lǐng)域。
一方面通過(guò)添加能與金屬氧化物基體發(fā)生共聚反應(yīng)形成共價(jià)鍵的添加劑可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的超拒水改性。如B.Mahltig[16]，W.A.Daoud[17]等人在溶膠制備過(guò)程中添加帶有長(zhǎng)鏈烷基的硅醇鹽與四乙氧基硅烷發(fā)生共水解、共縮聚反應(yīng)制備超拒水表面。另一方面通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)在織物表面先構(gòu)造適宜的粗糙結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)分子自組裝的方式接上低表面能物質(zhì)從而制備超疏水表面。Minami小組[18]利用溶膠-凝膠(sol-gel)法在滌綸織物上制備了Al203凝膠薄膜，然后在沸水中進(jìn)行粗糙化處理，得到了具有類花狀(flower-like)結(jié)構(gòu)的多孔Al2O3薄膜，最后經(jīng)十七氟癸烷基三甲氧基硅烷修飾，可獲得與水的接觸角大于150°的超疏水性透明薄膜。于明華[19]等人用氨水做催化劑，在溶膠制備過(guò)程中控制生成顆粒尺寸，將制備的溶膠通過(guò)浸一軋一烘整理到棉織物上，形成粗糙結(jié)構(gòu)，最后用自制的帶有全 氟辛基的季胺鹽硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒平均尺寸為198.4 nm時(shí)，其接觸角達(dá)到145°。
溶膠凝膠方法的優(yōu)點(diǎn)是[20]：①反應(yīng)溫度低，反應(yīng)過(guò)程易于控制，而且可以得到傳統(tǒng)方法得不到的材料。②反應(yīng)從溶液開(kāi)始，使得制備的材料能在分子水平上達(dá)到高度均勻。③化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確，易于改
3．4 其他技術(shù)
Tie wang[21]在棉織物表面吸附并還原HAuCl4， 生成金屬Au以制備粗糙表面，隨后經(jīng)十二烷硫醇改性處理制備超拒水表面，其最大接觸角接近180°；Lichao Ga0 and Thomas J，McCarthv[22]利用相分離技術(shù)(Phase Separation Technique)制備了完美的超拒水表面，前進(jìn)角／后退角達(dá)到180°／180°。此外利用化學(xué)氣相沉積法調(diào)控表面粗糙度獲取超疏水表面，通過(guò)控制氣體壓力和底材的溫度以使表面粗糙度維持在9.4～60.8nm[23]，再接枝含氟材料，形成富集氟元素的單分子層，接枝后的表面仍然保持著原有的粗糙度，與水靜態(tài)接觸角可達(dá)160°。
3 總結(jié)
本文從物體潤(rùn)濕性的基本原理出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了近年來(lái)制備超疏水紡織品的新技術(shù)、新方法。表明織物表面幾何結(jié)構(gòu)對(duì)制備具有高接觸角的超疏水表面起著重要作用。制備具有超疏水、自清潔功能的紡織品具有廣泛的應(yīng)用前景，因此如何利用各種先進(jìn)技術(shù)制備具有微納米結(jié)構(gòu)表面在基礎(chǔ)研究 及工業(yè)生產(chǎn)中都有著極其重要的研究意義。
4 參考文獻(xiàn)
[1]Hiemenz P C，Principles of Colloid and Surface Chemistry [M]2nd edition，New York;Marcel Dekker，1986;307
[2]Wenzel R N，Surface roughness and contact angle[J]J Phys Colloi
[3]Cassie A B D，Baxter S，Wettability of porous surfaces[J] Trans Faraday Soc,1944,40;546-551,
[4]唐亞陸,杜澤民,脈沖激光沉積原理及其應(yīng)用[J]桂林電子丁業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(1);24-27
[5]高國(guó)棉,陳長(zhǎng)樂(lè),脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)及其應(yīng)用研究 [J]空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,6(3);77-81
[6]Daoud W A,Xin J H,Zhang Y H,et a1,Pulsed laser deposition of superhvdrophobic thin Teflon films off cellulosic fibers(J),Thin Solid Fims,2006,515(2);835—837
[7]于偉東,姚江薇,紡織加T中的等離子體應(yīng)用現(xiàn)狀及基 本問(wèn)題[J]紡織導(dǎo)報(bào),2006,(4);19-23
[8]朱峰,張菁,Ooij W J,東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)[J]2002,28(4);22-27
[9]Zhang J,France P,Radomyselskiy A,et a1,Hydrophobic cotton fabric coated by a thin nanoparticulate plasma film [J]J Appl Poly Sci,2003，88(6);1473-1481
[10]吳大城，杜仲良，高緒珊，納米纖維[M]北京,化學(xué)工 業(yè)出版社，2003;80-123
[11]Jayesh D，Reneker D H，Electrospinning Process and，Applications of Electrospun Fibers[J]J Electr
[12]Jiang L，Zhao Y，Zhai J，Superhydrophobic surface;A lotus-leaf-like superhydrophobic surface;A porous microsphem／nanofiber composite film prepared by electrohydrodynamics [J]Angew Chem Int Ed,2004,43(33);4338-4341
[13]Kazim A,Eren S,Cleva O Y,et a1,Tunable, superhydrophobically stable polymeric surfaces by electrospinning[J]Angew Chem Int Ed,2004,43(39); 5210-5213
[14]Ma M L,Mao Y,Gupta M,et a1,Superhydrophobic fabrics produced by electrospinning and chemical vapor deposition[J]Macromolecules,2005,38(23);9742-9748
[15]張立德,牟季美,納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M]北京;科學(xué)出版社,2001;136-137
[16]Mahltig B,Bottcher H,Modified Silica Sol Coatings for Water—Repellent Textiles(J),J Sol—Gel Sci Techn,2003, 27(1);43-52
[17]Daoud W A,Xin J H,Tao X M,Superhydrophobic silica nanocomposite coating by
[18]Tadanaga K,Kitamuro K,Minami T,et a1,Formation of superhydrophobic alumina coating films with high transparency on polymer substrates by the sol-gel method[J]J Sol-Gel Sci Techn,2003,26(1-3);705-708
[19]Yu M H,Gu G T,Meng W D,et a1,Superhydrophobic cotton fabric coating based on a eomplexlayer of silica nanoparticles and erfluorooctylatedquaternary ammonium silane coupling agent[J]Appl Surf Sci,2007,253(7);3669-3673
[20]洪新華,李保國(guó),溶膠-凝膠(Sol-Gel)方法的原理與應(yīng)用 [J]天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,21(1);5-8
[21]Wang T,Hu X G,Dong S J,A general route to transform normal hydrophilic cloths into superhydrophobic surfaces [J]Chem Commun,2007,1849-1851
[22]Gao I,C,McCarthy T J,A perfectly hydrophobic surface [J]J Am Chem Soc,2006,128(28);9052-9053 [23]Hoz
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