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1、荷葉效應與拒水拒油織物董旭燁（西安市西安工程大學710048）[摘要]：介紹了拒水拒油的基本原理，織物獲得拒水拒油性能的途徑以及測試織物拒水拒油性能的方法。[關(guān)鍵詞]：拒水，拒油，織物，荷葉效應前言拒水拒油織物是紡織產(chǎn)品不斷向高性能、多功能發(fā)展的一種功能化織物。這種織物在服裝、裝飾、產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域應用的重要性已被人們逐漸所認識。它作為服裝既能抵御雨水、油跡、寒風的入侵和保護肌體，又能讓人體的汗液、汗氣及時地排出，從而使人體保持干爽和溫暖。同時，應用在裝飾、產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的具有拒水拒油功能的餐桌布、汽車防護罩等也備受青睞。因此它具有廣闊的發(fā)展前景。1拒水拒油機理拒水和拒油都是以有限的潤濕為條件和
2、前提的，表示在靜態(tài)條件下，反抗水和油污滲透作用的能力。因此，要討論織物拒水和拒油機理，就要從潤濕理論出發(fā)。潤濕是指水或其他液體在固體表面擴展的過程，當液體在固體表面不能鋪展時，在固體表面就呈現(xiàn)一定的形狀。通常用接觸角θ來表示液-固界面的特性。1.1接觸角當液體在固體表面不能鋪展時，則液體以一定形狀停留于固體表面，由固體表面和液體邊緣切線形成一個夾角θ，（見圖1-1）這個角稱為接觸角，用來表示液體對固體的潤濕性能。(a)θ=0°(b)0°﹤θ﹤90°《河北紡織》2006年第三期專題研究20(c)90°﹤θ﹤180°(d)θ=180°圖1-1接觸角從上圖所示的接觸角大小比較容易判斷出潤濕狀
3、態(tài):當θ＝0°時，液體完全潤濕固體，無拒水作用；當0°＜θ＜90°時，液體部分潤濕固體，有一定的拒水作用；當90°＜θ＜180°時，固體表面稍被潤濕，拒水作用一般；當θ＝180°時，固體完全不被潤濕，拒水作用優(yōu)良。1.2臨界表面張力液滴在固體表面上受到下列平衡力的作用，三相交界點的合力為零。液滴在固體表面上的接觸角主要決定于固體和液體的表面能以及液體與固體的界面能。根據(jù)Young方程式:YSL-YS+YLCOSθ=0圖1-2液滴接觸角式中：γs--固體與氣體界面的表面能（即固體的表面能）；γl--液體與氣體界面的表面能（即液體的表面能)；γsl--液體與固體界面的表面能。由潤濕方程可知
4、，當γS增大，則θ減小，即固體表面能越高，潤濕越易發(fā)生，而要使拒水性增加，必須使θ增大，因而固體的表面能越低，表面越不易發(fā)生潤濕。一般情況下，液體表面能與固體表面能越接近，越難以潤濕。但是確定固體表面能比較難，所以由表面能判斷是否潤濕也不太容易。然而，接觸角和液體的表面張力是較易測定的，而通過物體的表面張力，容易得到液、固接觸時的接觸角，從而確《河北紡織》2006年第三期專題研究21定是否潤濕。Zisman等人測定了同系物液體在同一固體表面上的接觸角，以其COSθ對液體表面張力作圖將所得直線外推至COSθ=1處所對應的表面張力值，將其定為該固體平面的臨界表面張力，稱為γC。液體的表面張
5、力低于γC者，能在固體表面自行鋪展，而液體表面張力大于γC者，則不能在固體表面自行鋪展。γC值越低，能在此表面上鋪展的液體越少，其潤濕性越差。因而，若改變固體表面的臨界表面張力，使γC降低，則其拒水性提高。隨著γC值的降低，當?shù)陀谟偷呐R界表面張力時，則必使油在此界面上不能自行鋪展，從而達到拒油目的。表1-1列出了一些常見聚合物固體表面的臨界表面張力。表1-1不同聚合物的臨界表面張力此表說明，高分子固體的γC與其組成的分子元素有關(guān)。氟原子的引入，使γC降低，而其他雜原子的引入，使γC升高。同一類原子取代越多，則效果越明顯。從中也可說明，有機氟引入到織物纖維表面，使纖維的臨界表面張力大幅度
6、下降，從而使拒水拒油性大幅度提高。這也是目前在該領(lǐng)域大量應用有機氟的原因所在。表1-2給出了幾種具有不同表面結(jié)構(gòu)的低表面能固體的γC數(shù)據(jù)。表1-2表面結(jié)構(gòu)與γC的關(guān)系表1-2進一步證明了表1-1的結(jié)果，當固體表面以-CF3基團緊密排列后，具有最低的表面能和臨界表面張力。而當H代替F后，其臨界表面張力成倍增加，這就為我《河北紡織》2006年第三期專題研究22們合成以降低表面張力為目標的全氟化合物提供了依據(jù)。2織物獲得拒水拒油性能的途徑2.1荷葉效應納米技術(shù)應用于織物拒水拒油整理是基于最新的研究成果“荷葉效應”（Lotus-effect）原理。近三十年來，德國科學家通過掃描電鏡和原子顯微鏡
7、對荷葉等2萬多種植物的葉面微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，揭示了荷葉拒水自潔的原理。荷葉的表面具有雙微觀結(jié)構(gòu)，一方面是由細胞組成的乳瘤形成的表面微觀結(jié)構(gòu)，另一方面是由表面蠟晶體形成的納米結(jié)構(gòu)。乳瘤的直徑為5～15μm,高度為1～20μm。荷葉效應的秘密主要在于它的微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)，而不在于它的化學成分。荷葉表面的蠟質(zhì)晶體首先是拒水的，其次其表面的雙微觀結(jié)構(gòu)是粗糙的。雖然表面乳瘤的直徑為5～15μm，高度為1～20μm，超過了1μm，但是荷葉表面具有雙微觀結(jié)
