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荷叶效应与拒水拒油织物董旭烨（西安市西安工程大学710048）[摘要]：介绍了拒水拒油的基本原理，织物获得拒水拒油性能的途径以及测试织物拒水拒油性能的方法。

[关键词]：拒水，拒油，织物，荷叶效应前言拒水拒油织物是纺织产品不断向高性能、多功能发展的一种功能化织物。

这种织物在服装、装饰、产业等领域应用的重要性已被人们逐渐所认识。

它作为服装既能抵御雨水、油迹、寒风的入侵和保护肌体，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。

同时，应用在装饰、产业领域中的具有拒水拒油功能的餐桌布、汽车防护罩等也备受青睐。

因此它具有广阔的发展前景。

1 拒水拒油机理拒水和拒油都是以有限的润湿为条件和前提的，表示在静态条件下，反抗水和油污渗透作用的能力。

因此，要讨论织物拒水和拒油机理，就要从润湿理论出发。

润湿是指水或其他液体在固体表面扩展的过程，当液体在固体表面不能铺展时，在固体表面就呈现一定的形状。

通常用接触角θ来表示液-固界面的特性。

1.1 接触角当液体在固体表面不能铺展时，则液体以一定形状停留于固体表面，由固体表面和液体边缘切线形成一个夹角θ，（见图1-1）这个角称为接触角，用来表示液体对固体的润湿性能。

(a)θ=0°(b)0°﹤θ﹤90°《河北纺织》2006 年第三期专题研究20(c)90°﹤θ﹤180°(d)θ=180°图1-1 接触角从上图所示的接触角大小比较容易判断出润湿状态:当θ＝0°时，液体完全润湿固体，无拒水作用；当0°＜θ＜90°时，液体部分润湿固体，有一定的拒水作用；当90°＜θ＜180°时，固体表面稍被润湿，拒水作用一般；当θ＝180°时，固体完全不被润湿，拒水作用优良。

1.2 临界表面张力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。

液滴在固体表面上的接触角主要决定于固体和液体的表面能以及液体与固体的界面能。

根据Young 方程式:YSL -YS+ YL COSθ= 0图1-2 液滴接触角式中：γs --固体与气体界面的表面能（即固体的表面能）；γl --液体与气体界面的表面能（即液体的表面能)；γsl--液体与固体界面的表面能。

由润湿方程可知，当γS增大，则θ减小，即固体表面能越高，润湿越易发生，而要使拒水性增加，必须使θ增大，因而固体的表面能越低，表面越不易发生润湿。

一般情况下，液体表面能与固体表面能越接近，越难以润湿。

但是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《河北纺织》2006 年第三期专题研究21定是否润湿。

Zis man 等人测定了同系物液体在同一固体表面上的接触角，以其COSθ对液体表面张力作图将所得直线外推至COSθ=1处所对应的表面张力值，将其定为该固体平面的临界表面张力，称为γC。

液体的表面张力低于γC者，能在固体表面自行铺展，而液体表面张力大于γC者，则不能在固体表面自行铺展。

γC值越低，能在此表面上铺展的液体越少，其润湿性越差。

因而，若改变固体表面的临界表面张力，使γC降低，则其拒水性提高。

随着γC值的降低，当低于油的临界表面张力时，则必使油在此界面上不能自行铺展，从而达到拒油目的。

表1-1列出了一些常见聚合物固体表面的临界表面张力。

表1-1 不同聚合物的临界表面张力此表说明，高分子固体的γC与其组成的分子元素有关。

氟原子的引入，使γ C降低，而其他杂原子的引入，使γC升高。

同一类原子取代越多，则效果越明显。

从中也可说明，有机氟引入到织物纤维表面，使纤维的临界表面张力大幅度下降，从而使拒水拒油性大幅度提高。

这也是目前在该领域大量应用有机氟的原因所在。

表1-2给出了几种具有不同表面结构的低表面能固体的γC数据。

表1-2 表面结构与γC的关系表1-2 进一步证明了表1-1的结果，当固体表面以-CF3基团紧密排列后，具有最低的表面能和临界表面张力。

而当H代替F后，其临界表面张力成倍增加，这就为我《河北纺织》2006 年第三期专题研究22们合成以降低表面张力为目标的全氟化合物提供了依据。

2 织物获得拒水拒油性能的途径2.1 荷叶效应纳米技术应用于织物拒水拒油整理是基于最新的研究成果“荷叶效应”（Lotus-effect）原理。

近三十年来，德国科学家通过扫描电镜和原子显微镜对荷叶等2 万多种植物的叶面微观结构进行观察，揭示了荷叶拒水自洁的原理。

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纳米结构。

乳瘤的直径为5～15μm,高度为1～20μm。

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。

荷叶表面的蜡质晶体首先是拒水的，其次其表面的双微观结构是粗糙的。

虽然表面乳瘤的直径为5～15μm，高度为1～20 μm，超过了1μm，但是荷叶表面具有双微观结构，在乳瘤的表面有一层毛茸纳米结构，毛茸的直径远小于1μm，可以达到纳米水平。

所以，荷叶的粗糙表面，使其拒水的能力显著增强。

图2-1 荷叶的表面微观结构图2-2 荷叶的自洁原理示意图根据对荷叶结构研究，荷叶拒水必须具有以下条件：（1）表面材料必须拒水，水在其表面接触角必须大于90°。

（2）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。

《河北纺织》2006 年第三期专题研究23人们正在对这种方法进行深入研究，相信不久就会有显著效果。

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、拒油性能提高，并使织物具有良好的透气性。

2.2 碳氟拒水拒油整理拒水拒油整理是以具有低表面张力的整理剂处理织物，改变纤维的表面特性，使织物表面不易被水或油润湿和铺展，从而达到拒水拒油的目的。

从表面化学的因素分析，若使液体(包括水、油、油性污垢)不能润湿固体表面，则固体的临界张力必小于液体的表面张力。

所以拒水整理比拒油整理容易，只要使经整理后纤维表面能对表面张力较大的水(72.6 m N/m)能产生较大的接触角，就能达到拒水的目的；而拒油整理要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(20～40 m N/m)也产生较大的接触角，使纤维产生拒油的效果。

含氟拒水拒油整理剂含有连续排列的长全氟烷链(Rf)，由于其特殊化学性质，它的表面张力很低，不仅远低于水的表面张力，也低于油类的表面张力。

通过对织物整理，含氟整理剂沉积和吸附于纤维表面，通过极性基团与纤维结合，而Rf长链在外层，形成拒水拒油膜层，见图2-3，使织物表面布满疏水性基团，减少或消除纤维对水或油的吸附作用，使得纤维临界表面张力下降，从而使织物获得拒水拒油性能。

图2-3 Rf化合物处理织物的表面3 拒水拒油织物的性能测试3.1 拒水级别测试对织物的拒水级别的测试，一般用淋水性能测试方法，大多参考AATCC22--1997实验方法，截取18×18（㎝）的试样一块，紧绷于试样夹持器（金属弯曲环）上，并以45°放置，使织物的经向顺着布面水珠流下的方向，实验面的中心在喷嘴表面《河北纺织》2006 年第三期专题研究24中心下的150mm 处，将250ml 冷水迅速倾入玻璃漏斗中，使水约在25～30s 内淋洒于织物表面，淋洒完毕，取起夹持器，使织物正面向下成水平，然后对着这一硬物轻敲两次，将实验织物与标准图片对照，评定拒水级别。

●●100分（5级）90分（4级）70分（2级）●●●●80分（3级）50分（1级）0分（0级）图3-1 评级图3.2 拒油级别测试拒油等级测试大多采用AATCC118--1992 标准。

首先是用最低编号的实验液体，以0.05ml 液体小心滴于织物上，如果在30s 内无润湿和渗透现象发生，则紧接着用较高编号的实验滴于织物上，实验连续进行，直至实验液体在30s 润湿液滴下方和周围织物为止，织物的等级以30s 内不能润湿织物的最高编码的实验液体表示。

这种测试方法的实质是用不同表面能的液体测试织物的表面能，所用液体如下表所示。

表3-1 拒油级别测试标准试液表面能（mj/m 2 ）拒油级别白矿物油31.45 165%白矿物油35%正十六烷29.6 2正十六烷27.3 3正十四烷26.35 4正十二烷24.7 5正癸烷23.5 6《河北纺织》2006 年第三期专题研究25正辛烷21.4 7正庚烷19.75 8表3-2 含氟织物整理剂和普通拒水整理剂的比较性能氟树脂硅酮树脂氮苯系石蜡系拒水性●●●●拒油性●▲▲▲耐洗性●●●▲染色摩擦牢度●▲▲▲机械稳定性●■▲▲手感●●▲▲注：●—优良■—一般▲—差4 结束语拒水拒油织物不仅在人们的日常生活中具有很强的应用价值，如拒水拒油家俱布、拒水拒油透气雨衣等，而且也是优良的产业用和装饰用纺织品，如建筑用拒水拒油织物、拒水拒油高透气生物防护服等等。

从织物的微观结构和降低织物表面能两方面入手，研制出具有耐久的、良好的拒水拒油透气性能的织物，对提高人民的生活质量，促进相关产业的进步，推动我国对外纺织贸易的发展都具有积极的意义。

参考文献[1] 杜文琴．荷叶效应在拒水自洁织物上的应用[J]．印染，2001，27(9)：36～37，43[2] 汪建等．纺织品拒水拒油整理的机理与应用．河南化工，1999(10)：38～40[3] 薛迪庚.织物的功能整理．北京：中国纺织出版社．2000 ,107～115__。