特殊浸潤性仿生織物的研究現(xiàn)狀

東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620

人類社會發(fā)展至今，大自然功不可沒，許多發(fā)明創(chuàng)造都來源于大自然的啟示。自然界中許多動植物因存在特殊的結(jié)構而具有特殊浸潤性，其在許多應用中至關重要。荷葉具有高的疏水性及低的黏附力，展示了很好的自清潔效果。荷葉的微表面由許多凸起和三維蠟狀小管構成，這種結(jié)構使得水滴與荷葉的接觸面積很小，故造成了超疏水現(xiàn)象[1]。一些蝴蝶的翅膀上具有類似棘輪的鱗片，這些鱗片可形成各向異性的超疏水表面，促使水滴從蝴蝶身體表面離開[2]。沙漠中的甲蟲背部有圖案形狀的潤濕性區(qū)域，可以從霧氣中收集水分，并將水分從被蠟覆蓋的疏水區(qū)域傳輸?shù)接H水區(qū)域[3]。受這些有趣現(xiàn)象及特殊結(jié)構的啟發(fā)，科學家在特殊浸潤性材料方面進行了大量研究，取得了很大的進步。研究表明，將這些生物的獨特結(jié)構用于材料設計，對于實現(xiàn)材料所需的潤濕性和相關功能性起著至關重要的作用。

盡管特殊潤濕性的實現(xiàn)方法是近年引人注目的主題，但自1940年以來，表面防水劑已在紡織工業(yè)得到很好的應用。有兩個著名的例子，即Wenzel方程和Cassie方程都是考慮了織物的潤濕性而產(chǎn)生的[4]。將特殊浸潤性賦予織物，可增加織物的功能性，滿足不同環(huán)境條件對織物的功能性要求。本文從自然界中具有特殊浸潤性的幾種生物出發(fā)，闡述特殊浸潤性在織物中的實現(xiàn)方法及應用方向。

1 特殊浸潤性仿生織物的制備方法

在織物中實現(xiàn)特殊浸潤性的關鍵主要是改變織物表面粗糙度及表面能，其方法有很多，主要有靜電紡絲法、物理法。

1.1 靜電紡絲法

靜電紡絲[5]是用于生產(chǎn)特殊浸潤性仿生織物較有前途的技術之一。靜電紡絲法操作容易，而且有許多可控參數(shù)，可通過調(diào)整這些參數(shù)獲得所需要的表面形狀。靜電紡絲系統(tǒng)基本上由三個主要部分組成：進料系統(tǒng)、高壓電源及收集裝置。靜電紡絲所用的前體可以是聚合物溶液、熔體或溶膠-凝膠等。泵以恒定速率將前體推入電場。電場力對抗前體的表面張力，使前體由液滴狀轉(zhuǎn)換成稱為泰勒錐的圓錐狀。當電場力增加到可以克服前體的表面張力時，前體形成薄射流從泰勒錐射出，最后在收集裝置上形成纖維網(wǎng)。通過靜電紡絲法，可以獲得各種微米纖維或納米纖維。

DONG等[6]利用靜電紡絲法制備了一種雙層織物，其中一層是由親水性聚丙烯腈納米纖維形成的厚層，另一層是由疏水性聚苯乙烯納米纖維形成的薄層，后者又包括纖維層有孔及纖維層無孔兩種，然后在聚苯乙烯納米纖維層通過原位聚合聚多巴胺以改變其潤濕性。結(jié)果表明，聚苯乙烯納米纖維層中有孔的織物比無孔的織物具有更好的毛細效應。WU等[7]利用靜電紡絲法將PVA/戊二醛溶液在鋼絲網(wǎng)上形成PVA膜，再通過靜電紡絲法將一層PU纖維膜覆蓋在PVA膜上；然后，將復合膜置于氣態(tài)HCl中，使PVA與戊二醛交聯(lián)；最后，將復合膜從鋼絲網(wǎng)上剝離，得到法線方向具有不均勻潤濕性的復合膜。

1.2 物理法

物理法有浸漬法、涂層法等，是生產(chǎn)功能性織物的常見方法。WANG等[8]采用溶膠-凝膠法制備了TiO2-SiO2混合材料，所用方法類似于由四異丙醇鈦和原硅酸四乙酯制備TiO2-SiO2混合材料的方法，不同之處在于WANG等使用了兩種有機硅烷(十六烷基三甲氧基硅烷和3-三甲氧基甲硅烷基丙硫醇-1)；然后，將得到的TiO2-SiO2混合材料通過浸漬法對聚酯織物進行整理，得到超疏水聚酯織物；最后，對超疏水聚酯織物的一面照射紫外光，照射面逐漸由疏水變?yōu)橛H水，故在法線方向形成濕度梯度。ZHOU等[9]報道了一種化學性能穩(wěn)定的超疏水織物，采用涂層法，所用試劑為聚(偏二氟乙烯-氟代丙烯腈)(PVDF-HFP)、氟代烷基硅烷(FAS)和揮發(fā)性溶劑(如丙酮)的混合溶液。LIU等[10]對棉織物的一面進行泡沫涂層整理，使此面具有超疏水性，而未處理的另一面保持棉織物原有的親水性。

2 特殊浸潤性仿生織物的應用

目前，特殊浸潤性材料已成為先進材料發(fā)展的熱點。隨著對具有超潤濕性能的多功能先進材料的需求日益增加，特殊浸潤性材料吸引了科學家和研究人員的關注，他們開發(fā)了能實際應用的具有特殊潤濕性表面的織物。

2.1 自清潔

通常，超疏水表面的水接觸角大于150°并具有超低滑動角，即具備了自清潔性能。

LIN等[11]研究了一種自清潔棉織物，其表面涂覆了由SiO2納米顆粒和含氟聚合物形成的超疏水和超疏油薄膜。當水滴或油滴在該織物表面滾動時，可以帶走織物表面的灰塵。LI等[12]將花狀的TiO2微米和納米顆粒涂覆在棉織物表面，再利用氟烷基硅烷改性，得到的超疏水棉織物具有超級抗?jié)櫇裥阅埽瑫r具備自清潔和油水分離的能力。PANDA等[13]采用三氯十八烷基硅烷和無氟苯基三乙氧基硅烷兩種硅烷作為涂覆劑，通過溶液浸漬法涂覆于棉織物表面，然后將水滴滴在被灰塵污染的涂覆織物上，考察其自清潔性能，并與未涂覆織物比較。結(jié)果表明，在涂覆織物表面，水滴很容易滾落并帶走織物表面的灰塵顆粒，即具有自清潔性。LIU等[14]將碳納米管組裝到棉纖維表面，在棉織物表面形成凸起，得到具有人造荷葉表面效應的棉織物，這也是一種制備仿生疏水紡織品的途徑。

2.2 油水分離

1991年波斯灣和2010年墨西哥灣發(fā)生的溢油事件對環(huán)境造成了巨大的不良影響[15]。為了減少石油泄露事故及工業(yè)含油廢水對水態(tài)環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展造成的危害，研究人員提出了許多方法清理石油，其中，利用過濾材料進行清理，所收集的油可循環(huán)利用且不會造成二次污染，被認為是最有前景的方法之一。然而，許多傳統(tǒng)過濾材料具有分離效率低、工藝復雜、設備特殊等缺點，這限制了它們的大規(guī)模生產(chǎn)和應用。因此，通過簡單、經(jīng)濟、高效的方法制造油水分離功能性材料是十分必要的。具有特殊浸潤性的紡織品因其在高惡劣條件下具有吸收能力強、柔韌性好、使用范圍廣等優(yōu)點，在油水分離領域具有很大的應用前景。

ZHANG等[16]采用化學氣相沉積(CVD)法在聚酯基底上沉積硅納米絲，得到了超疏水織物。結(jié)果表明，此織物拒水，又能從油水溶液中吸收油，但是吸收的油不易從織物中回收利用。WANG等[17]在棉織物的一面接枝甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)，另一側(cè)接枝聚二甲基硅氧烷(PDMS)，得到了一側(cè)疏水、另一側(cè)親水的棉織物，其能起到過濾器的作用，可從各種簡單的油水混合物中和各種水包油乳液中分離出油，且分離效率高。GORE等[18]采用靜電紡絲法在棉織物的一側(cè)覆蓋一層疏水的PLA纖維膜，得到的雙層織物可以有效地進行油水分離。

2.3 其他應用

基于以往的研究，人類從大自然中學到了許多知識，并設法制作出仿荷葉等特殊浸潤性仿生織物。特殊浸潤性仿生織物具有許多重要性能，如自清潔、油水分離等。此外，特殊浸潤性仿生織物在水/霧收集、防冰方面也具有良好的應用潛力。WANG等[19]受到蜘蛛絲和沙漠甲蟲的啟發(fā)，結(jié)合表面粗糙度及低表面能，在棉織物表面構造出具有光誘導效應的超疏水區(qū)域，其在光照條件下形成親水性凸起，最終得到的織物具有高效的集水能力。LEE[20]制備了具有防冰性能的非織造土工織物，與未處理織物相比，前者具有很好的除冰和防冰性，還發(fā)現(xiàn)基材的表面形態(tài)和表面張力對防冰性能有很大影響。

3 結(jié)論與展望

對仿生特殊潤濕性進行研究，已經(jīng)開發(fā)出許多具有特殊潤濕性的織物，但是其大多數(shù)僅限于實驗室研究，尚不適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。因此，需進一步研究，開發(fā)出簡單且工業(yè)上兼容的方法，以獲得具有足夠力學性能和熱穩(wěn)定性的特殊浸潤性仿生織物，從而在現(xiàn)實生活中應用。本文從自然界中具有特殊浸潤性的生物出發(fā)，總結(jié)了目前制備特殊浸潤性仿生織物的方法及應用。

大自然是一所學校。自然界為科學家和工程師等研發(fā)人員提供了巨大的靈感。仿生材料的研發(fā)是未來幾年非常有希望的科學和技術挑戰(zhàn)之一。將理論模擬與現(xiàn)代分析技術和工具相結(jié)合，做進一步探索，特殊浸潤性織物的應用前景將更加廣闊。