四防整理劑,拒油拒水整理劑,防水防油防污整理劑,皮革拒油拒水

1、荷葉效應(yīng)與拒水拒油織物 董旭燁（西安市 西安工程大學(xué) 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(yīng)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(yīng)用的重要性已被人們逐漸所認(rèn)識。它作為服裝既能抵御雨水、油跡、寒風(fēng)的入侵和保護(hù)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(yīng)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(hù)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(jī)理拒水和拒油都是以有限的潤濕為條件和前提的

2、，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(jī)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(kuò)展的過程，當(dāng)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。通常用接觸角來表示液-固界面的特性。1.1 接觸角當(dāng)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，（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)=0° (b)0°90°河北紡織2006 年第三期 專題研究20(c)90°180° (d)=180°圖1-1 接觸角從上圖所

3、示的接觸角大小比較容易判斷出潤濕狀態(tài):當(dāng) 0°時，液體完全潤濕固體，無拒水作用；當(dāng) 0°90°時，液體部分潤濕固體，有一定的拒水作用；當(dāng) 90°180°時， 固體表面稍被潤濕，拒水作用一般；當(dāng) 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(diǎn)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+ YL COS = 0圖1-2 液滴接觸角式中：s -固體與氣體界面的表面能（即固體的表面能）；l -液體

4、與氣體界面的表面能（即液體的表面能)；sl-液體與固體界面的表面能。由潤濕方程可知，當(dāng)S增大，則減小，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。Zis man 等人測定了同系物液體在同一固體表面上的接觸角，以其COS對液體表面張力作圖將所得直線外推至COS=1處所對應(yīng)的

5、表面張力值，將其定為該固體平面的臨界表面張力，稱為C。液體的表面張力低于C者，能在固體表面自行鋪展，而液體表面張力大于C者，則不能在固體表面自行鋪展。C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C降低，則其拒水性提高。隨著C值的降低，當(dāng)?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(dá)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C與其組成的分子元素有關(guān)。氟原子的引入，使C降低，而其他雜原子的引入，使C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(jī)氟

6、引入到織物纖維表面，使纖維的臨界表面張力大幅度下降，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(yīng)用有機(jī)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C數(shù)據(jù)。表1-2 表面結(jié)構(gòu)與C的關(guān)系表1-2 進(jìn)一步證明了表1-1的結(jié)果，當(dāng)固體表面以-CF3基團(tuán)緊密排列后，具有最低的表面能和臨界表面張力。而當(dāng)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(biāo)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(yīng)納米技術(shù)應(yīng)用于織物拒水拒油整理是基于最新的研究成果“荷葉效應(yīng)”（Lotus-effect）原理。近三

7、十年來，德國科學(xué)家通過掃描電鏡和原子顯微鏡對荷葉等2 萬多種植物的葉面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xì)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515m,高度為120m。荷葉效應(yīng)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(xué)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515m，高度為120 m，超過了1m，但是荷葉表面具有雙微觀結(jié)構(gòu)，在乳瘤的表面有一層毛茸納米結(jié)構(gòu)，毛茸的直徑遠(yuǎn)小于1m，可以達(dá)到納米水平。 所以，荷葉的粗糙表面，使其拒水的能力顯著增強(qiáng)。

8、圖2-1 荷葉的表面微觀結(jié)構(gòu)圖2-2 荷葉的自潔原理示意圖根據(jù)對荷葉結(jié)構(gòu)研究，荷葉拒水必須具有以下條件：（1）表面材料必須拒水，水在其表面接觸角必須大于90°。（2）表面必須是粗糙的而且粗糙程度必須是納米水平或接近納米水平。河北紡織2006 年第三期 專題研究23人們正在對這種方法進(jìn)行深入研究，相信不久就會有顯著效果。荷葉效應(yīng)能夠在理論上突破常規(guī)的拒水材料研制思路，將降低材料的表面能和產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的粗糙度結(jié)合起來，使織物的拒水、拒油性能提高，并使織物具有良好的透氣性。2.2 碳氟拒水拒油整理拒水拒油整理是以具有低表面張力的整理劑處理織物，改變纖維的表面特性，使織物表面不易被水或油潤濕

9、和鋪展，從而達(dá)到拒水拒油的目的。從表面化學(xué)的因素分析，若使液體(包括水、油、油性污垢)不能潤濕固體表面，則固體的臨界張力必小于液體的表面張力。所以拒水整理比拒油整理容易，只要使經(jīng)整理后纖維表面能對表面張力較大的水(72.6 m N/m)能產(chǎn)生較大的接觸角，就能達(dá)到拒水的目的；而拒油整理要使纖維表面改性后臨界表面張力大幅度下降，對表面張力較小的油(2040 m N/m)也產(chǎn)生較大的接觸角，使纖維產(chǎn)生拒油的效果。含氟拒水拒油整理劑含有連續(xù)排列的長全氟烷鏈(Rf)，由于其特殊化學(xué)性質(zhì)，它的表面張力很低，不僅遠(yuǎn)低于水的表面張力，也低于油類的表面張力。通過對織物整理，含氟整理劑沉積和吸附于纖維表面，通過

10、極性基團(tuán)與纖維結(jié)合，而Rf 長鏈在外層，形成拒水拒油膜層，見圖2-3，使織物表面布滿疏水性基團(tuán)，減少或消除纖維對水或油的吸附作用，使得纖維臨界表面張力下降，從而使織物獲得拒水拒油性能。圖2-3 Rf化合物處理織物的表面3 拒水拒油織物的性能測試3.1 拒水級別測試對織物的拒水級別的測試，一般用淋水性能測試方法，大多參考AATCC22-1997實(shí)驗(yàn)方法，截取18×18（）的試樣一塊，緊繃于試樣夾持器（金屬彎曲環(huán)）上，并以45°放置，使織物的經(jīng)向順著布面水珠流下的方向，實(shí)驗(yàn)面的中心在噴嘴表面河北紡織2006 年第三期 專題研究24中心下的150mm 處，將250ml 冷水迅速傾

11、入玻璃漏斗中，使水約在2530s 內(nèi)淋灑于織物表面，淋灑完畢，取起夾持器，使織物正面向下成水平，然后對著這一硬物輕敲兩次，將實(shí)驗(yàn)織物與標(biāo)準(zhǔn)圖片對照，評定拒水級別。100分（5級） 90分（4級） 70分（2級） 80分（3級） 50分（1級） 0分（0級）圖3-1 評級圖3.2 拒油級別測試拒油等級測試大多采用AATCC118-1992 標(biāo)準(zhǔn)。首先是用最低編號的實(shí)驗(yàn)液體，以0.05ml 液體小心滴于織物上，如果在30s 內(nèi)無潤濕和滲透現(xiàn)象發(fā)生，則緊接著用較高編號的實(shí)驗(yàn)滴于織物上，實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，直至實(shí)驗(yàn)液體在30s 潤濕液滴下方和周圍織物為止，織物的等級以30s 內(nèi)不能潤濕織物的最高編碼的實(shí)驗(yàn)液

12、體表示。這種測試方法的實(shí)質(zhì)是用不同表面能的液體測試織物的表面能，所用液體如下表所示。表3-1 拒油級別測試標(biāo)準(zhǔn)試液 表面能（mj/m 2 ） 拒油級別白礦物油 31.45 165%白礦物油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河北紡織2006 年第三期 專題研究25正辛烷 21.4 7正庚烷 19.75 8表3-2 含氟織物整理劑和普通拒水整理劑的比較性能 氟樹脂 硅酮樹脂 氮苯系 石蠟系拒水性 拒油性 耐洗性 染色摩擦牢度 機(jī)械穩(wěn)定性 手感 注：優(yōu)良 一般 差4 結(jié)束語拒水拒油織物不僅在人們的日常生活中具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值，如拒水拒油家俱布、拒水拒油透氣雨衣等，而且也是優(yōu)良的產(chǎn)業(yè)用和裝飾用紡織品，如建筑用拒水拒油織物、拒水拒油高透氣生物防護(hù)服等等。從織物的微觀結(jié)構(gòu)和降低織物表面能