荷叶拒水拒油原理

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防水防油防污纺织材料
一、荷叶效应 荷叶的“自洁性”源于其表面的微细结构，荷叶表面有许多乳头状凸起,凸起部分 的高度为 5～10μm,凸起之间的间隙为 10～15μm， 乳头状的表面又被许多直径为 1nm 蜡质晶体所覆盖。
图 1 荷叶表面结构 在这些微小的凹凸之间，储存着大量的空气。当水滴落到荷叶上时，由于空气层、 乳头状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，而能自由滚动。
图 2 荷叶自洁原理示意图 通过上面的荷叶效应可知，材料表面拒水必须具备以下条件： 1) 水在其表面接触角大于 90； 2) 材料表面必须是粗糙的，而且粗糙程度必须是纳米水平或接近纳米水平。 二、拒水拒油整理原理 拒水、拒油和易去污整理的本质是在织物表面施加一层特殊结构的物质，使其由高 能表面变为低能表面，以此获得具有拒水、拒油、易去污效果的织物，且表面能愈小效 果愈好。一般“三防”整理是通过控制表面粗糙度与降低表面能，使其与水或油的接触角 高于 120º ，来达到拒水拒油的效果。 1、接触角 液滴在固体表面上的接触角主要决定于固体和液体表面能， 以及液体与固体的界面
图 3 接触角定义 当液滴落在织物表面上时，只会出现两种情况： 1) 当接触角小于 90º 时，液滴开始呈图 3(b)的形状，但在极短的时问后，液滴就会向四 周扩散并渗入织物中。 2) 当接触角大于 90º 时，液滴呈图 3(c)的形状。接触角越大，保持的时间越长。织物倾 斜时，液滴会滚落。 2、润湿方程 拒水、拒油的条件是固体界面张力必须小于液体的表面张力 3、粘附功和内聚功 确定固体表面能比较难，所以由表面能判断是否润湿也不太容易。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，从而确定是否润湿。θ 越小，固体容易被液滴润湿，反之，固体就有不同程度的抗 湿性能。 若要水或油滴在固体表面成珠状，则必须使固体界面张力小于液滴的界面张力。 4、临界表面张力 固体的界面张力一般都用外推法间接测定， 这种方法测定的固体的界面张力称为固 体的临界表面张力 γc。表面张力低于固体的 γc 的液体，能在该固体表面随意铺展和润 湿，而表面张力高于固体 γc 的液体，则在固体表面形成不连续的液滴，其接触角大于
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零。 E. G. Shafrin 等提出“可润湿性组成定律”，强调表面组织对润湿行为的影响。认为 有机物表面的可润湿性由固体表面的原子或暴露的原子团的性质和堆集状态所决定， 与 内部原子或分子的性质和排列无关。 表 1 一些常见液体的表面张力
表 2 油的润湿和渗透，不仅取决于织物中纤维表面的化学性能，还与织物的 几何形状、表面粗糙度、织物毛细管间隙的大小以及织物上残留的其他物质有关。 三、防水和拒水整理区别 1）防水整理 防水整理是在织物表面涂有一层不溶于水的薄膜，使处理后的织物不透水。一般防 水涂层不透水，也不透气，适用于工业用品。防水透湿涂层不透水，但透气、透湿，适 用于服用织物。 2）拒水整理
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水整理是在织物上施加拒水整理剂，改变纤维表面性能，使织物不易被水润湿，但 仍能透气。拒水整理分为以下三种：1）不耐久性拒水整理；耐 5 次以下洗涤；2）半耐 久性拒水整理-耐 5-30 次洗涤；3）耐久性拒水整理-耐 30 次以上洗涤。 四、拒油整理和易去污整理 1、拒油整理。当织物通过油类液体而不被油润湿时，就称该织物具有拒油性能或防油 性能。为使织物具有这种防油类沾污特殊性能所使用的助剂就是拒油剂。拒油原理和拒 水原理极为相似，都是改变纤维表面性能，使其临界表面张力降低。而拒水整理比拒油 整理简单，只要使纤维表面经表面改性后对表面张力较大的水（ 70.6mN／m)能产生较 大的接触角，就能达到拒水的目的。而拒油整理是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(20-40mN／m)也产生较大的接触角， 使纤维产生拒油的效 果。拒油整理剂中多有有机氟化合物。一般采用织物浸轧后整理工艺： 浸轧有机氟整理剂乳液预烘焙烘平洗烘干。 2、易去污整理。适用于合纤及其混纺织物，使沾污在织物上的污物易于去除，减少洗 液中的污垢对织物的再沾污。提高纤维的亲水性，易去污整理剂有聚环氧乙烷嵌段共聚 物和丙烯酸共聚物等。 五、拒水、拒油整理剂 国内外生产和使用的主要拒水、拒油整理剂有以下几种：1）铝皂和鋯皂；2）蜡和 蜡状物；3）吡啶类衍生物（毒性） ；4）羟甲基三聚氰胺衍生物；5）有机硅型；6）含 氟化合物。 拒水剂一般选用烷基 （－CnH2n+1, n＞16） 为拒水基团， 拒油剂必须选用全氟烷基 （ － CnF2n+1, n＞7）为拒油基团。 六、拒水、拒油整理方法 1、聚四氟乙烯(PTFE)薄膜层压法。层压织物拒水拒油性能好，耐水洗，耐水压高，但 需要专门的层压设备，一次投资比较大，成本高。国外比较好的 PTFE 薄膜主要有美国 高尔公司的 Gore-Tex 薄膜和荷兰 AKZO 公司的 Sympatex 薄膜， 国内主要有总后军需装 备研究所研制的薄膜。 2、 氟碳化合物浸轧整理法 目前市场上常见的拒水、拒油氟碳化合物主要有美国杜邦公司的 Zepel1588 和 Teflon；日本旭硝子的 AG480 和 AG710；日本大金公司的 TG410、TG527；日本日华的 EC5O 等。一般采用浸轧烘焙工艺：
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浸轧织物(轧余率 70-80%)→预烘(80-100℃，5-10min)→焙烘(150-170℃，2-3min) 3、 涂层整理 采用涂层技术是实现拒水、防水整理的常用手段。目前织物涂层整理剂主要有聚丙 烯酸酯、聚氨酯、有机硅弹性体和聚氯乙稀树脂等类型，其中水溶性聚氨酯类涂层胶应 用较为广泛。 涂层可以显著提高织物的耐静水压指标， 但要考虑对透湿量和手感的影响， 为了获得较好的整理效果，可采用拒水浸轧整理与涂层整理相结合的工艺。 工艺流程： 半成品→浸轧拒水整理剂→预烘→拉幅烘干→涂层→烘干→焙烘→整装 七、拒水拒油性能指标 5 级（最高）：经测试面料表面没有沾到任何油迹或水迹； 4 级：经测试面料表面沾有少量或微量的油迹或水迹，但不渗透，抖一下就会掉； 3 级：经测试面料表面沾有少量油迹或水迹，抖一下会掉，但表面仍有少量残留； 2 级：经测试面料表面有明显沾油或沾水，并且有渗透； 1 级：经测试面料中有明显渗透。 正常 3 级以下为不合格。 八、应用 拒水拒油服装既能抵御雨水、油迹、寒风的入侵，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。拒水拒油服装可以用于劳动保护服装、 军服、运动服，例如钻井、修井、物探、测井等接触油水介质频繁的工人的工作服，而 且也可以用于制作风、雨衣。应用在装饰、产业领域中的拒水拒油功能的餐桌布、汽车 防护罩、旅行包、旅行装、帐篷等也备受青睐。因此它具有广阔的发展前景。
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能。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。 当一滴液体滴在某一固体表面上时，会出现如下情况： 1) 液体有可能完全铺展在固体表面上形成一层水膜，这种情况为液体完全湿润固体。 如图 3 中(a)所示。 2) 液体有可能成水滴状。在这种情况下，由固体表面和液体边缘切线形成一个夹角 θ， 这个角称为接触角。 当 0º < θ <90º 时，如图 3 中(b)所示，液体部分湿润固体； 当 90º < θ < 180º ，如图 3 中(c)所示，液体不湿润固体。