探究拒水透湿服装中的仿荷叶效应原理

探究拒水透湿服装中的仿荷叶效应原理
早在20世纪70年代，德国科学家通过扫描电镜和原子力显微镜对荷叶等2万种植物叶面的微观结构进行了观察，发现荷叶表面覆盖着稠密的细短茸毛及连续的蜡质层使其具有特殊的拒水性能。

荷叶表面的水不能渗透荷叶，而只能形成水珠顺荷叶表面滑落，这种现象称为荷叶效应(Lotus-effect)。

近年来，根据自然界荷叶上水珠滚动的现象世界上兴起了对拒水织物的研究，同时具有荷叶效应的服装也在不断地研制中，因此，荷叶效应具有广阔的应用前景。

一服装的拒水性与透湿性
服装拒水透湿性是指服装面料可以
拒止环境因素(如风、雨)造成的侵袭，阻
止液态水通过的同时，汗液在织物中的吸
收、传递、扩散的程度，它是一种新型的
高功能织物。

对服装进行一定的收缩整理
和拒水整理，从而使织物具有良好的拒水
性和透湿性。

2.1服装的拒水性
服装拒水性是指服装对具有一定压
力的外部水或者具有一定动能的雨水以
及各种服装外的雪、露、霜等液态水透过
时的阻抗性能。

液态的水通过服装面料进入服装内侧有两种途径：一是外界的水如雨水或雪水接触织物后，织物被水润湿，借毛细管效应，通过织物中各种缝隙孔洞，水被输送到织物内侧及织物表面的其他部位。

这种情况主要与织物的表面能及表面粗糙度有关，表现为一种自发的过程。

二是水在一定外界压力或自身动能作用下直接透过织物内缝隙孔洞而进入织物的内侧，这种情况除与表面能及表面粗糙度有关外，很大程度上取决于外加压力或水滴动能、织物内较大的缝隙孔洞的尺寸或者织物的松紧度。

2.2 服装的透湿性
服装透湿即汗液在服装中的吸收、传递、扩散的程度。

人体穿着服装时的舒适感主要取决于服装织物内空气层形成的微气候区，微气候区的温度为(32±l)℃，相对湿度为(50±10)%，气流速度为(25±15)cm/s时，人体处于最佳的生理状态。

人体出汗是热平衡调节中的有效散热手段，汗液蒸发提高了微气候区空气的水蒸气含量，使空气相对湿度增加，然后通过织物及服装的透气、通风换气、扩散作用传向衣外。

织物的湿传递一部分由于织物中纤维对水分子的吸收，使水分子通过纤维内部扩散而达到织物的另一面，向大气散逸。

另一部分则通过织物中纤维与纤维之间、纱线和纱线之间的通道或空隙，包括毛细管作用，向大气散逸。

服装拒水性和透湿性表面上似乎是矛盾的，但从服装织物结构和加工方式上可取得一致。

水汽分子的直径一般为4×10-4um，水滴的直径通常为10-2um，只要织物中孔隙的直径控制在水汽分子可通过而水滴不能通过的范围内，便可起到拒水透湿的作用。

目前拒水透湿的透湿机理归纳起来有两种：微孔质扩散和亲水性基团“吸附—扩散—解吸”传递水蒸气分子。

微孔质扩散机理是将织物中孔隙的直径控制在水蒸气分子可通过而水滴不能通过的范围内，便可起到拒水透湿的作用。

目前的透湿原理主要有利用孔隙自然扩散机理；利用微孔透湿机理；利用高分子间“孔”和亲水基团透湿机理；利用记忆材料的温敏透湿性变化机理。

因此，按透湿原理，拒水透湿织物可分为四类：
（1）利用孔隙自然扩散机理设计的高密（超高密织物）拒水透湿织物；
（2）利用微孔机理设计的微孔膜拒水透湿涂层织物；
（3）利用高分子间“孔”和亲水基团透湿机理设计的无孔膜拒水透湿织物；
（4）利用记忆材料的温敏透湿性变化机理设计的聚氨酯智能膜织物。

二荷叶的表面外观特征
要了解荷叶的拒水原理，首先
要研究荷叶的基本结构特征，在高
倍显微镜下，荷叶的表面如图1所
示。

荷叶的表面具有双微观结构，
一方面是由细胞组成的乳瘤形成的
表面微观结构；另一方面是由表面
蜡晶体形成的毛茸纳米结构。

乳瘤
的直径为5～15um，高度为1～
20um。

荷叶效应的秘密主要在于它
的微观结构和纳米结构，而不在于
它的化学成分。

Holloway于1994年
对荷叶等植物的表面化学成分进行
了分析，所有植物表面都有一层表皮，表皮将植物与周围环境隔开。

所有植物的表皮主要成分都是埋置于多元酯母体内的可溶性油脂，因此，植物的表皮都具有一定的拒水性。

经过对2万种植物表面进行分析后发现，具有光滑表面的植物都没有拒水自洁的功能，而具有粗糙表面的植物，都有一定的拒水作用。

在所有的植物中，荷叶的拒水自洁作用最强，水在其表面的接触角达到160.4°。

三荷叶的拒水原理
通过高倍显微镜观察到，在荷叶表
面存在着无数微小的乳头状突起，并附
有蜡质，在这些徽小的凹凸之间，储存
着大量的空气，这样，当水滴落到荷叶
上时，由于空气层、乳头状突起及蜡质
层的共同托持作用，使得雨滴不能渗
透，而能自由滚动。

通过研究荷叶效应的拒水原理可
知，具有高度拒水自洁的织物必须具备
以下条件:
(1)应使纤维表面具有基本的拒水性能。

表面材料必须拒水,即水在其表面的接触角必须大于90°。

(2)要使织物具有粗糙的表面。

虽然织物表面本身是非常粗糙的，但这种粗糙结构是以纤维为最小单位，拒水自洁织物表面的粗糙应是纤维表面的粗糙，该粗糙应达到纳米级水平。

要使织物具有拒水透湿的功能,可从以下两方面入手：一方面是使织物界面的表面张力
减小；另一方面是使固液气三相边界处接触角增大。

（1）减小织物界面表面张力方法：增加织造紧度；采用收缩整理，使纱线充分膨润。

（2）增大固液气三相交界处接触角的方法：通过拒水整理降低织物界面的表面能,减弱芯吸作用(拒水剂模拟了荷叶上蜡质层作用)；利用组织的浮长线模拟荷叶表面的乳头状突起,使织物表面具有细小的凹凸。

位于固体平面上的液滴受下列平衡力的作用(见图3)。

R SV=R SL+R LV cosθ
上式中：
θ—固液气三相边界处的接触角
R SL—固一液间的表面张力
R SV—固体表面张力
R LV—液体表面张力
图 3 接触角示意图
当θ>90°时,织物具有拒水性能,当θ<90°时,织物具有亲水性能。

当θ>90°时,接触角随织物表面粗糙度的增加而增大，当θ<90°时,接触角将随表面粗糙度的增加而减小。

如果接触角大于90°时,液体渗透织物所需的压力将随纱线间孔隙的减小而提高，减小纱线间的孔隙即意味着提高织物的织造紧度。

荷叶效应的表面超微纳米结构形貌，不仅存在于荷叶中，也普遍存在于其它植物中，某些动物的皮毛中也存在这种结构。

荷叶效应能够在理论上突破常规的拒水材料研制思路，将降低材料的表面能和产生微观结构的粗糙度结合起来，使织物的拒水性提高，并使织物具有良好的透气性，其应用前景非常广阔。

四国内外仿荷叶效应的拒水透湿服装
荷叶效应(Lotus-effect)之谜揭开以来，已被广泛使用。

美国的设计师们把荷叶效应这一机理用于织物设计，设计了马克罗富超级拒水布，该布采用超微卷曲纤维、高密织物组织，使织物表面分布成不规则形态。

从而在纱线纤维空间成功地吸附了空气，形成稳定的空气层。

实践已证明，马克罗富超级拒水布在排水和透气性两方面都优于常规的拒水布。

日本帝人公司从荷叶的拒水性得到启示，研制成功高质量的拒水织物通过对织物和纱的结构进行新的设计，赋予新的拒水织物以持久的拒水性能。

帝人公司在涤纶长丝织物上再现了这种荷叶结构，超微卷曲、无规则形状的纱间隔而又高密度地布在织物上。

特殊的涤纶长丝纱高密度地插入，使物表面形成大量的储藏空气的微小结构。

此外，这种织物还经过特殊的拒水后加工，获得能长期使用的高质量拒水织物，该织物手感好、透汗拒风、易于保管。

国内这方面较为成功的是鄂尔多斯的纳米技术羊绒制品。

它是将含有纳米材料技术的一种特殊整理剂对羊绒制品进行加工处理，赋予羊绒制品特殊功能的产品。

鄂尔多斯纳米技术三拒羊绒产品，是指鄂尔多斯羊绒产品在经过纳米技术处理后，在不改变原有羊绒特性的基础上，同步实现了拒水、拒油、拒污的三重功效。

因为织物经过纳米材料处理后，在羊绒织物纤维表面形成荷叶效应，使织物表面张力降低，在织物表面形成纳米尺寸效应，即形成稳定的纳米级空气层，犹如荷叶的输水功能，相当于有一层稳定的气体薄膜，从而使植物具有拒水、拒油、拒污功能，使常温中自然下落的水珠及动植物油不能渗入织物纤
维内部。

五仿荷叶效应的拒水透湿服装的应用
随着科学技术的发展与改进，人们对多功能舒适性的服装显示出了越来越旺盛的需求。

服装的拒水透湿性能会不断提高，具有拒水透湿功能的服装产品越来越受到消费者的欢迎，因此人们生活的关系也将会更加密切，在军事、国拒和一些恶劣环境中的作用会越来越明显。

由于这种仿荷叶效应的拒水透湿织物具有良好的服用性和拒水性，因此，它有着广泛的应用范围，主要用于运动服、登山服、保暖服、隔热服、手术服、拒护服、消拒服、雪地靴、手套、睡袋和帐篷等。

在民用方面，可制作雨衣、滑雪衫、运动服、晴雨两用衫等，在军事和工业方面，可用作野外帐篷布、拒护服等，此外，还可用作食品保鲜袋和农业用布。

六结语
目前，世界各国的纺织服装材料正向着高性能、多功能、复合化和智能化方向发展，将荷叶效应、纳米技术，甚至于微胶囊技术结合起来，发挥各自的优势，通过等离子体、相分离等手段研制多功能复合新材料必将成为一种趋势。

参考文献
[1]杨梅. 小议荷叶效应在防水透湿织物中的应用[J]. 黄石理工学院学报,2009(6)
[2]周晓东,朱平,王炳. 防水透湿织物的设计机理与应用[J]. 染整技术,2006(9)
[3]Wilhelm Barthlott,.Christoph Neinhuis,l'effet lotus:surfaces autonet toyantes selon l'exemple dela nature,International Textile Bulletin,2001(1)
[4]杜文琴. 荷叶效应在拒水自洁织物上的应用[J]. 印染,2001(9)
[5]权衡. 防水透湿织物及其加工技[J]. 印染,2004(9)
[6]马立. 仿荷叶效应的防水透湿织物的研究[J].
[7]尉霞,顾振亚,范立红,刘尚楠等. 超细纤维仿荷叶织物的研究[J]. 纺织学报,2005(10)
[8]李淑华,刘兆锋等. 涤纶织物防水透湿与拒水拒油整理的发展[J]. 纺织学报,2003(5)
[9]李颖. 防水透湿织物及其设计机理[J]. 科技前沿,2008(11)
[10]李朝晖,王春梅. 防水透湿织物性能[J]. 印染,2005(1)。