冰選++++張鵬++++鄭錦維

摘要：

紡織品在日常使用中會(huì)接觸到各類(lèi)液體，表面潤(rùn)濕性是其表面性質(zhì)的重要特征之一，是與其實(shí)際使用要求密切相關(guān)的一項(xiàng)性能。本文重點(diǎn)詳述了紡織品表面潤(rùn)濕性的現(xiàn)象和原理，接觸角試驗(yàn)方法，接觸角在紡織品表面潤(rùn)濕性中的應(yīng)用及研究狀況。

關(guān)鍵詞：接觸角;表面潤(rùn)濕性;躺滴法;超疏水表面;荷葉效應(yīng)

隨著生活質(zhì)量的提高和科技水平的進(jìn)步，人們對(duì)紡織品的性能也提出越來(lái)越多的要求。表面潤(rùn)濕性是紡織品的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)其具有拒水性/親水性的項(xiàng)目之一。例如醫(yī)用防護(hù)服、手術(shù)單、戶(hù)外運(yùn)動(dòng)服裝、墻布、桌布、雨衣、防雪服等產(chǎn)品都對(duì)表面潤(rùn)濕性有不同的要求，以確定其是否能夠滿(mǎn)足實(shí)際環(huán)境的應(yīng)用。

接觸角試驗(yàn)方法通過(guò)測(cè)量紡織品表面與液體之間的接觸角大小，得到可量化的接觸角值來(lái)表征紡織品的表面潤(rùn)濕性，還可以通過(guò)觀(guān)察紡織品表面接觸角的變化情況了解其潤(rùn)濕過(guò)程。

1 ? ?表面潤(rùn)濕性

潤(rùn)濕是固體表面上的一種流體被另一種流體所取代的過(guò)程，往往是指液體取代氣體的過(guò)程。表面潤(rùn)濕性是液體在固體表面上附著的現(xiàn)象，是固體表面的重要性質(zhì)之一，也是自然界常見(jiàn)的一種界面現(xiàn)象。自然界中的荷葉、玫瑰花瓣和鱗翅目昆蟲(chóng)翅膀等表面都存在特殊的微觀(guān)幾何結(jié)構(gòu)以及具有一定疏水性的化學(xué)組成，其表面與水滴的接觸角可以達(dá)到160°，水滴在這樣的表面很容易滾落，如圖1所示荷葉上的水珠，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為荷葉效應(yīng)。荷葉效應(yīng)理論已經(jīng)應(yīng)用到很多行業(yè)，而在紡織行業(yè)中，很多企業(yè)基于這種理論開(kāi)發(fā)了具有荷葉效應(yīng)的織物，該類(lèi)織物具有超疏水的能力。

圖1 ? ?荷葉效應(yīng)

著名的楊氏方程揭示了在理想的光滑表面上，當(dāng)液滴達(dá)到平衡時(shí)表面張力與接觸角之間的函數(shù)關(guān)系。一般當(dāng)固—液間的接觸角θ<90°時(shí)，認(rèn)為固體表面具有親水性質(zhì)，如圖2（a）所示;當(dāng)接觸角θ>90°時(shí)，認(rèn)為表面具有疏水性質(zhì)，如圖2（b）所示 [1]。

圖2 ? ?接觸角示意圖

紡織品的表面潤(rùn)濕性通常包括對(duì)織物表面潤(rùn)濕性和單根纖維表面潤(rùn)濕性的研究。對(duì)于織物而言，它是纖維的集合體，纖維之間存在空氣，其表面潤(rùn)濕是液體和纖維集合體之間的相互作用過(guò)程;而單根纖維的潤(rùn)濕，則遵循固體表面的潤(rùn)濕原理[2]。潤(rùn)濕作用包括沾濕、鋪展、浸濕三種類(lèi)型，對(duì)于織物來(lái)講，其表面潤(rùn)濕性主要是沾濕和鋪展;而對(duì)于纖維以及染色工藝來(lái)講，其表面潤(rùn)濕性主要是研究浸濕。

2 ? ?接觸角試驗(yàn)法

接觸角是在固—液—?dú)馊嘟唤缣帲饕骸獨(dú)饨缑娴那芯€(xiàn)穿過(guò)液體與固液交界線(xiàn)之間的夾角，它是表面潤(rùn)濕程度的度量，如圖2所示。接觸角是肉眼可以觀(guān)測(cè)到的一種界面現(xiàn)象，是液體與固體表面相互作用的直觀(guān)表現(xiàn)。將液體滴于織物表面，液體可能在織物表面形成一個(gè)具有一定接觸角的液滴并停留在織物表面，也可能鋪展開(kāi)來(lái)并被織物吸收。接觸角的大小可以用來(lái)表征織物表面的潤(rùn)濕性或者疏水性，接觸角越小，表明織物潤(rùn)濕性越好，疏水性越差;接觸角越大，表明潤(rùn)濕性越差，疏水性越好。

液滴的平衡是體系能量趨向最小化，使液滴在固體表面處于穩(wěn)定狀態(tài)，靜態(tài)接觸角是固—液—?dú)饨缑骈g表面張力平衡的結(jié)果?？椢锉砻娴臐?rùn)濕性能一般采用靜態(tài)接觸角表示，簡(jiǎn)稱(chēng)接觸角來(lái)衡量。常用的紡織品接觸角試驗(yàn)方法主要包括座滴法和Wilhelmy法，其中座滴法適用于織物的接觸角測(cè)量，而Wilhelmy法則適用于單根纖維接觸角的測(cè)量。

2.1 ?座滴法

座滴法是測(cè)量織物表面與液體間接觸角的一種最常用方法，也稱(chēng)躺滴法，將規(guī)定體積的液滴直接滴在織物表面上，然后通過(guò)量角法、量高法、液滴形狀分析法和光反射法等方法來(lái)測(cè)量液滴在織物表面的接觸角。

（1）量角法：將一個(gè)液滴滴在織物表面，在獲得織物和液滴的清晰圖像后，在固—液—?dú)馊嘟唤缣幾饕骸獨(dú)饨缑娴那芯€(xiàn)，使用量角器直接量出接觸角大小的一種方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作方便快捷，缺點(diǎn)則是受試驗(yàn)人員的操作影響較大，精度較低，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量接觸角的變化情況。

（2）量高法：當(dāng)液滴的體積小于6μL時(shí)，可忽略重力作用對(duì)液滴形狀的影響，認(rèn)為液滴呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓或者標(biāo)準(zhǔn)圓的一部分[3]。將一個(gè)液滴滴在織物表面上，通過(guò)測(cè)量織物表面上液滴的高度和接觸面的寬度來(lái)計(jì)算接觸角，同時(shí)可以通過(guò)連續(xù)跟蹤測(cè)量液滴高度和接觸面的寬度來(lái)得到動(dòng)態(tài)的接觸角變化情況。

（3）液滴形狀分析法：隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，其在接觸角測(cè)量中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，計(jì)算機(jī)軟件可以通過(guò)使用液滴形狀分析算法來(lái)計(jì)算接觸角。常見(jiàn)的液滴形狀分析算法包括：多項(xiàng)式擬合法、Snake法、軸對(duì)稱(chēng)液滴形狀分析法、Young-La-place方程數(shù)值綜合法和解析近似法等。液滴形狀分析法重復(fù)性好，誤差小，精確度高，已廣泛應(yīng)用于接觸角測(cè)量中[4]。

（4）光反射法：將液滴滴在織物表面后，將光源通過(guò)狹縫照射到三相交界處，通過(guò)改變光的入射方向，當(dāng)反射光剛好沿著固體表面發(fā)出時(shí)，可根據(jù)入射光與反射光的夾角計(jì)算接觸角，光反射法只能用于測(cè)定小于90°的接觸角，局限性大，并且操作繁復(fù)、難度較大。

2.2 ?Wilhelmy法

Wilhelmy法可用于測(cè)定液體的表面張力和液體在單根纖維上的接觸角，是由Wilhelmy于1863年提出的，根據(jù)其測(cè)量原理也將其稱(chēng)為潤(rùn)濕天平法。該方法基于Wilhelmy公式，對(duì)于浸沒(méi)在某一種液體中的物體：F=P·C·cosθ-（QL-QG）·V，其中F為潤(rùn)濕力;P為潤(rùn)濕周長(zhǎng);C為液體表面張力;θ為接觸角;QL為液體密度;QG為氣體密度。對(duì)于相當(dāng)細(xì)小的纖維來(lái)說(shuō)，與總作用力相比，浮力約為總潤(rùn)濕作用力的1%，可忽略不計(jì)，則F=P·C·cosθ。當(dāng)纖維與液體接觸時(shí)，潤(rùn)濕力會(huì)給纖維一個(gè)拉力，或者是推力，通過(guò)測(cè)量纖維垂直與水接觸時(shí)的潤(rùn)濕力，根據(jù)公式可以計(jì)算接觸角。

纖維表面并不是完全均質(zhì)且光滑的理想表面，因此其實(shí)際接觸角并不是如楊氏方程所預(yù)示的取值唯一，而是在兩個(gè)角度之間變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為接觸角滯后現(xiàn)象。當(dāng)液體沿著纖維表面上升時(shí)，纖維的表面是由固—液界面代替固—?dú)饨缑?，該接觸角稱(chēng)為前進(jìn)接觸角;當(dāng)液體沿著纖維表面下降時(shí)，纖維的表面由固—?dú)饨缑娲婀獭航缑?，稱(chēng)為后退接觸角。通過(guò)采用前進(jìn)接觸角和后退接觸角的差值來(lái)表征接觸角的滯后性。

3 ? ?應(yīng)用研究

接觸角法在紡織品中的應(yīng)用包括：計(jì)算表面能、親水/拒水整理效果表征、染色、開(kāi)發(fā)超疏水織物、纖維表面性質(zhì)和纖維和樹(shù)脂界面相容等方面。

3.1 ?計(jì)算表面能

表面能是固體表面特征和表面現(xiàn)象形成的主要推動(dòng)力，是描述和決定固體表面性質(zhì)的重要物理量，表面能的計(jì)算與表征是許多自然現(xiàn)象和生產(chǎn)過(guò)程的理論基礎(chǔ)。至今為止尚未找到一種能夠從試驗(yàn)上直接測(cè)量固體材料表面能的試驗(yàn)方法，對(duì)于紡織品表面能的計(jì)算，應(yīng)用最廣泛的方法就是接觸角法，該方法通過(guò)測(cè)量織物與不同表面張力的液體之間所產(chǎn)生的不同接觸角去計(jì)算出紡織品的表面能[5]。用接觸角來(lái)計(jì)算固體表面能是基于楊氏方程的推導(dǎo)，由于楊氏方程只適用于化學(xué)性質(zhì)均一的理想光滑表面，因此研究學(xué)者在楊氏方程的基礎(chǔ)上，發(fā)展了很多計(jì)算表面能的方法，如Zisman法、Antonow規(guī)則法、Berthelot規(guī)則法、Good-girifalco法、Fowkes法、Owens法、幾何平均法、調(diào)和平均法和LW-AB法等[6]。

Wenzel理論認(rèn)為粗糙表面使得實(shí)際上固—液之間的接觸面要大于表觀(guān)觀(guān)察到的面積，增大固體表面粗糙度會(huì)使疏水表面更疏水，親水表面更親水，這種粗糙是指纖維表面的微納米級(jí)的肉眼不可見(jiàn)的粗糙。Wenzel只考慮了液滴在固體表面完全接觸的情況，Cassie-Baxter理論認(rèn)為當(dāng)固體表面具有很高的粗糙度時(shí)，液體與固體不完全接觸，部分與氣體接觸。在材料微細(xì)結(jié)構(gòu)化表面，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)尺度小于表面液滴的尺度，將有截留的空氣存在，于是表觀(guān)上的固—液接觸面將由液—固和液—?dú)夤餐M成[7]。

狄劍鋒等[8]為了比較各種紡織品表面能計(jì)算方法的結(jié)果差異，分別用Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法計(jì)算表面能，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，認(rèn)為Neumann法測(cè)量和計(jì)算最為簡(jiǎn)單，Owens二液法最為常用。Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法在國(guó)際上被廣泛使用，但研究發(fā)現(xiàn)，它們都存在一定的局限性，這5種計(jì)算方法均可用于表面能大于20 mJ/m2的表面，但對(duì)小于20 mJ/m2的最好選用Neumann法計(jì)算[9]。

3.2 ?親水性/拒水性評(píng)價(jià)

劉嫻等[10]采用親水整理劑浸漬PP非織造布，然后以蒸餾水為試液，通過(guò)針管將水滴滴落在整理過(guò)的PP非織造布表面，測(cè)得其平衡接觸角為0°，即液體在織物表面完全潤(rùn)濕，而整理前PP非織造布的接觸角為148°，通過(guò)整理前后非織造布接觸角的測(cè)量結(jié)果來(lái)表征其親水整理效果。黃鋒林等[11]研究了等離子體處理后丙綸纖維表面形態(tài)以及接觸角的變化，利用基于Wilhelmy原理的接觸角儀測(cè)量了纖維的動(dòng)態(tài)接觸角，通過(guò)比較分析得出了等離子體處理后丙綸纖維的表面形態(tài)和表面接觸角的關(guān)系，結(jié)果表明等離子體處理技術(shù)能夠顯著降低纖維表面接觸角，改善纖維潤(rùn)濕性能，發(fā)現(xiàn)表面粗糙是導(dǎo)致纖維表面后退角降低的主要原因。

3.3 ?染色性

丙綸纖維表面潤(rùn)濕性差，使得其染色困難，限制了在服裝上的應(yīng)用，所以改善丙綸纖維的潤(rùn)濕性具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。狄劍鋒等[12]為了改善滌綸纖維的染色性能，采用堿液對(duì)其進(jìn)行了表面處理，用動(dòng)態(tài)接觸角儀測(cè)量表面處理后纖維的動(dòng)態(tài)接觸角，用原子力顯微鏡測(cè)量了纖維表面的粗糙度，用分散染料對(duì)處理前后的纖維進(jìn)行染色，并用測(cè)色配色儀測(cè)試了樣品的染色深度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)表面處理后的纖維，表面粗糙度明顯增大，表面接觸角明顯減小，纖維上色速度明顯加快，可以減少染色時(shí)間10min以上且達(dá)到同樣的染色效果。

唐曉亮等[13]采用自行研制的常壓介質(zhì)阻擋放電連續(xù)處理裝置，在不同氣體（Ar，N2-Ar，O2-Ar）環(huán)境下分別對(duì)滌綸織物進(jìn)行表面改性處理。測(cè)量了滌綸纖維處理前后接觸角、毛細(xì)效應(yīng)和色差值等。結(jié)果表面經(jīng)過(guò)常壓低溫等離子體處理的滌綸織物，其染色性能和表面潤(rùn)濕性能都得到了改善。

3.4 ?超疏水紡織品

通常將接觸角大于150°的表面稱(chēng)為超疏水表面，具有超疏水表面的紡織品在表面自清潔、防雨雪、拒油、抗血液等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。超疏水透氣織物可用在軍用作戰(zhàn)服裝、戶(hù)外服裝、醫(yī)生手術(shù)服、帳篷、防雨服、防雪服等領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益，使其成為紡織領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

王前進(jìn)等[14]以荷葉表面微納米結(jié)構(gòu)為參考模型，對(duì)棉織物進(jìn)行處理修飾，獲得了超疏水織物，水滴在該織物上表面接觸角可達(dá)160°。織物形成的微納米級(jí)粗糙度和ASO-1膜的存在是織物疏水的主要原因，微納米凸體能減少纖維與水的接觸面積，提高水在纖維表面的接觸角，使織物具有超疏水性。

制備超疏水表面主要有以下一些途徑：在纖維表面涂敷一層低表面能物質(zhì)，同時(shí)增加其表面的粗糙度;對(duì)纖維的親水基團(tuán)進(jìn)行改性，如將纖維素結(jié)構(gòu)的—OH等親水性基團(tuán)用其他疏水性基團(tuán)取代。

3.5 ?纖維表面性質(zhì)

李健等[15]研究了低溫等離子體處理對(duì)PBO纖維潤(rùn)濕性的影響，通過(guò)芯吸效應(yīng)和接觸角法表征處理前后PBO纖維的潤(rùn)濕性，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察處理前后纖維的表面微觀(guān)形貌，用X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS）對(duì)處理前后PBO纖維表面化學(xué)組成進(jìn)行定性分析。結(jié)果表明，改性后PBO纖維芯吸高度大幅上升，接觸角明顯降低，其表面產(chǎn)生明顯刻痕，局部有剝離現(xiàn)象，改性后PBO纖維O、N元素含量均有所提高。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

表面潤(rùn)濕性是紡織品的一項(xiàng)重要指標(biāo)，采用接觸角法可以得到可量化的接觸角值來(lái)表征紡織品的表面潤(rùn)濕性，可以直觀(guān)地觀(guān)察到液滴在紡織品表面的形狀和變化。同時(shí)接觸角法在紡織品的表面能計(jì)算、親水/拒水性改性評(píng)價(jià)、可染色性、超疏水表面、纖維表面性質(zhì)、界面相容性等方面都有廣泛的應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)紡織品接觸角試驗(yàn)方法和表面能理論的研究，有助于拓展和完善其在紡織品領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院）