纺织集水材料的制备及研究进展

张松楠，李红艳，刘佳明，张治斌，钱晓明

（天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387）

0 引 言

由于全球气候变化、人口快速增长、城乡地区 发展以及日益严重的水污染问题，淡水资源短缺已成为广泛关注的全球性问题。最新研究表明，世界上2/3 的人口（40 亿人）每年至少有一个月生活在极度缺水的环境中，世界上有5 亿人常年面临严重的水资源短缺［1-3］。淡水资源短缺问题已经引起研究者的广泛关注。为缓解水资源短缺的难题，具有特殊浸润性或微纳表面形貌结构的集水材料或界面被相继报道，但干旱和经济欠发达的缺水地区更需要简单而廉价的替代品［4］。纺织品是全世界最常见和使用最广泛的商品之一，具有生产成本低、生产工艺简单且可以实现量产的特点。更重要的是，纺织材料与薄膜或者平板类的材料相比，具有更高的透气性和更大的比表面积，意味着纺织材料能够更多地接触到空气中或者海洋上更多的雾和水分［5-7］。此外，由纤维或者纱线所触发的毛细效应可以保证水分的运输和供应。目前，纺织类集水材料以其成熟的制备工艺，低廉的价格吸引了研究者的关注。

用于水收集的纺织材料及其复合材料按照集水路径的不同可以分为2类：一类是用于海水淡化的光热集水材料，利用太阳能进行海水淡化，此过程涉及水的相变；另一类是雾水收集材料，利用环境中的雾汽进行集水，此过程不涉及水的相变。这2类产品的共同特点是无需消耗能量或仅需太阳光能，即可实现淡水的收集。利用太阳能淡化海水的纺织材料及其复合材料首先需要对材料进行光热处理，使材料具备光热转换的性能。纺织品由纤维及纤维制品构成，纤维和纤维之间、纱线和纱线之间、纱线和纤维之间的毛细效应会保证海水持续供应到织物表面，再借助于织物表面光热材料的光热转换性能，将太阳能转换为热能，实现水分的蒸发，从而实现淡水的收集。利用环境中的雾汽进行集水的纺织材料及其复合材料，大多会引入仿生的设计构思，借鉴自然界中生物的结构［8-9］，主要灵感来自沙漠甲虫［10-12］、蜘蛛网［13-15］、仙人掌［16-18］和猪笼草［19-20］等。制备具有特殊浸润性的纺织材料及其复合材料，通常在材料表面构建润湿性梯度［21］、拉普拉斯压力梯度［22］或者两者相组合［23-24］，以优化水的凝结、聚集和运输。实现干旱多雾地区的雾水收集，以满足特定地区人类生活对淡水资源的需求。

目前，纺织材料越来越多地应用于水收集领域。本文首先论述了纺织材料及其复合材料的浸润性模型及集水机理；其次，叙述了应用于水收集的纺织品材料的制备方法，对比了不同纺织材料的集水效率；最后，总结出纺织集水材料的构建要素，并展望纺织集水材料未来的发展趋势。

1 浸润机理

1.1 浸润模型

200多年前，科研人员就开始了有关特殊浸润性的研究。英国科学家托马斯·杨首先提出了浸润性概念，并提出了杨氏模型。在表面润湿性的研究过程中，研究人员提出了杨氏模型（Young 模型）、Wenzel 模型、Cassie 模型［25-29］等诸多模型，如图1所示。

图1 不同固体表面的浸润性模型［1 0］Fig.1 Wettability models for different solid surfaces

杨氏模型描述的是理想光滑表面的浸润性，表面接触角可由杨氏方程表示：

式中：θ为固液-气液的夹角；γSG、γSL、γGL分别为固气、固液、液气界面的张力。该模型仅适用于理想的光滑表面，但是材料表面很难做到绝对光滑。考虑到粗糙度、非均质性等因素的影响，Wenzel 和Cassie 进一步完善并提出了表观接触角的理论模型。

化学均一的粗糙表面液滴的接触角可用Wenzel模型表示：

式中：r为表面粗糙度，即结构的总面积除以投影面积；θ*和θ分别为液滴在相同材料的粗糙表面和光滑表面的接触角。其中，θ可通过杨氏方程得出，即

rcosθ＜1。

化学不均一的粗糙表面液滴的接触角可用Cassie模型表示：

式中：fSL、fLA分别为液滴与固体表面接触的面积分数、液体与凹槽中含有空气的粗糙表面接触的面积分数；θ1、θ2分别为液体与固体表面和空气的接触角。粗糙表面空气充满凹槽内可以认为是完全非浸润，此时，θ1=θ，θ2=180°，fSL+fLA=1，对Cassie模型的方程可以重新定义为

上述3种经典模型分别描述了理想光滑表面浸润性和粗糙表面浸润性，被广泛应用于静态液体接触。

1.2 毛细效应

纺织品的毛细效应可以驱动液滴从织物的一侧运输到另一侧。Laplace理论指出，固气界面和固液界面都存在表面能，分别记为γSO和γSL。当γSO＞γSL时，毛细管中的液体上升，其上升参数I为

当I＞0时，固气界面会被表面能小的固液界面替代，降低体系能量，这时毛细管中液体上升。设液面上升的液体柱高度为h，毛细管上升高度h表达式为

式中：γ为表面粗糙度；R为玻璃管半径；θ为固液-气液的夹角；E为液体柱的能量，包括表面能和重力势能；ρ为液体密度；g为重力加速度。通过能量分析，可发现毛细效应是一个自发的过程［30-33］。

1.3 光热原理

光热集水材料将太阳能转化为热能，并用于水分的蒸发，此过程涉及到水的相变，可分为光能到热能的转换、热蒸汽的产生、通过冷凝将蒸汽转化为水等3 个主要步骤。采用特定的产水量（SWP）表征光热集水效率，定义其为单位太阳辐射面积产生水的体积。其表达式为

式中：E为太阳辐照度，kW/m2；L为蒸发潜热，kW·h/L；α为太阳能吸收率，量化为太阳辐照度转化为热量的百分比；ηt为热效率，量化为用于蒸发的热量百分比；GOR是获得水的输出比，定义为每千克蒸馏水产生的蒸汽量，量化为冷凝潜热用于进一步蒸馏的程度［34-37］。

2 纺织品集水材料及其制备技术

近年来，科研人员研发出诸多纺织材料及其复合材料，应用于水收集领域。相对于其他类型的集水材料，纺织材料及其复合材料生产成本较低，生产工艺更加成熟，且纺织材料高比表面积的特点有利于水分的捕获，特有的毛细效应有利于水分的供应和运输。图2 归纳了现有的纺织集水材料的分类及其相关制备方法。

图2 纺织集水材料的分类及制备方法［38，40，44，52］Fig.2 Classification and preparation method of textile water collecting materials

2.1 聚合物改性提升光热集水性能

利用聚合物改性处理织物表面，使织物具备优良的光吸收能力和光热转化性能，保证织物表面的水分得以持续不断的蒸发，从而实现淡水资源的收集。XIAO 等将棉织物浸泡在FeCl3溶液里形成配位，将经铁改性的棉织物干燥后浸泡在吡咯溶液里，制备获得光热转化性能良好的聚吡咯改性棉织物，并将二维改性织物裁剪成三维锥状结构，见图3（a）［38］。这种设计方法制备的三维织物不仅有利于增加光的反射次数，提高光的利用率，而且提高了空间体积的利用率。三维模型织物的水蒸发速率可以达到0.77 kg/（m2·h）。此外，该材料不仅可以用于海水淡化，还可以在沙基质中实现水分的获取。类似的，LIU 等将聚苯胺纳米棒涂覆在白色棉织物上制备亲水光热织物，将其悬挂在海面上，织物的2 个边缘浸入2 个海水槽中以保证海水的供应，见图3（b）［39］。这种间接接触式设计降低了热量损耗，纳米棒涂覆织物的海水蒸发速率可以达到1.94 kg/（m2·h）。此外，LI 等用织机制备了三维仿生树型亚麻织物（TBFF），见图3（c）［40］，然后用聚多巴胺-聚吡咯（PDA-PPy）对其进行改性。改性后的仿生树型亚麻织物在1 个太阳光强下光热转换率达到87.4 %，水蒸发速率达到1.37 kg/（m2·h）。将成本低的纺织材料作为基底，对其表面进行光热处理，使之具备优良的光热吸收能力和光热转换能力。独特的织物结构能保证水分的持续供应，无需额外能量即实现了淡水资源的获取，可广泛应用于海水淡化。

图3 聚合物改性处理织物表面Fig.3 Polymer modified fabric surface

2.2 静电纺丝增大比表面积

静电纺丝是制备纳米材料和微细纳米结构切实可行的方法之一。利用高压将黏性液体拉伸成纤维（称为电纺丝），或将稀溶液分散成微小液滴（称为电喷雾），已成为制备微观材料的有效途径［41-43］，也是纺织领域比较成熟的技术，具有广泛的应用前景。2010年，ZHENG等研究了蜘蛛丝的定向集水功能，发现蜘蛛丝在干燥条件和雾气条件下的结构有所不同。当干燥的蜘蛛丝放置在雾汽环境中时，其结构会因为润湿而发生改变，伴随着微小液滴的凝结，蜘蛛丝上会出现周期性的纺锤体。这种结构造成表面能梯度和拉普拉斯压力差，两者都可驱动水滴的定向运输［23］。此后，利用静电纺丝技术制备仿蜘蛛丝结构，并进行雾水收集的相关研究愈发深入。GONG等利用同轴静电纺丝技术制备了一种串珠状纤维。以聚苯乙烯（PS）作为支撑纤维，在其上分布聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）结，见图4（a）［44］。这种纤维纺锤体结构使纺锤体与纺锤节之间产生表面能梯度。当微小的水滴在纤维上凝结时，会像天然蜘蛛丝上的吸水过程一样，使液滴从纺锤结方向移动到纺锤体。此外，抗旱保水植物仙人掌也显示出优异的收集雾和运输水的能力。研究表明，仙人掌的集水能力来源于仙人掌棘表面的分层沟槽结构。这种结构赋予的拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度［45］可协同提供驱动力，使水滴从顶端运输到底部［46］。GONG 等采用静电纺丝技术，在人工脊柱表面静电纺聚酰亚胺纤维，模拟了仙人掌棘的分层沟槽结构。单个人工仿仙人掌脊柱的平均集水率约为0.3µL/min，见图4（b）［47］。此外，GREINER 等通过仿生纳米纤维毛细血管网与光滑表面结合的蜥蜴皮肤，采用涂层和静电纺丝相结合的方法，制备了一种Janus雾水收集器，见图4（c）。并利用电场模拟方法分析了蜥蜴皮肤状纳米纤维网络结构的形成规律。研究发现，基于铜网的Janus雾水收集器具有优越的集水效率907 mg/（cm2·h）和长期耐久性，实现了微小液滴的定向运输和高效集水［48］。静电纺丝技术为大面积制备集水纤维提供了一种高效、低成本的方法，该方法灵活简单，可以实现结构和组分的双重可控。制备的静电纺纤维具有高比表面积，有利于液滴的捕获。

图4 静电纺制备集水纤维Fig.4 Preparation of water collecting fiber by electrospinning

2.3 织造技术优化集水效果

除表面改性外，织物结构及织造工艺对纺织材料的集水效果亦有很大影响。SARAFPOUR 等首先将簇绒、针织、间隔等3 种不同纹理的聚酯织物化学镀镍，然后模拟雾环境研究其集雾效率，以探究织物纹理对雾水收集的影响。结果表明，间隔织物的雾水收集效果最好［49］。利用针织、机织等织造工艺对集水材料进行结构设计，有利于提高集水性能，以实现淡水资源的收集。LI等用普通织机织造了三维仿生树型亚麻织物（TBFF），利用平纹组织、方平组织和浮线分别模拟树的根部、茎部和树叶。由于毛细效应，水沿着连续的经纱做定向输送，见图5（a）［40］。与此同时，受鸟喙启发，LI 等利用金属线按照针织的编织工艺设计出一款仿生拓扑合金网，见图5（b）［50］，这种具有V 形几何形状的仿生拓扑合金网提升了雾水收集的效果。再利用电化学的方法在金属网表面构建微纳米结构，两者协同实现高效的雾水收集，该材料的雾水收集效率可达1 050 mg/（cm2·h）。此外，YU等利用传统的工艺织造亲疏水涤纶，经向为超疏水涤纶丝，纬向采用亲疏水涤纶丝交替，织造出仿沙漠甲虫背部亲疏复合涤纶织物，见图5（c）［51］。研究表明，进一步沉积金属铜颗粒的涤纶纺织品，其雾水收集效率可高达1 432.7 mg/（cm2·h）。改变织造工艺和参数设计不同结构织物，利用织物结构本身特点实现水分持续供应或构建亲疏复合结构表面，工艺灵活简单、可操作性强。

图5 集水材料的织物结构设计Fig.5 Fabric structure design of water collecting material

2.4 金属沉积强化液滴冷凝

由于金属具有良好的冷凝效果，尤其是铜和铝，所以雾水收集材料大多与金属相结合。WANG等将棉织物进行疏水处理，采用喷涂设备将二氧化钛纳米溶胶喷涂到已制备的超疏水棉织物上，见图6（a）［52］。由于界面张力，生成了具备独特光诱导特性的超亲水凸起结构。这些二氧化钛凸起诱导了润湿性梯度和形状梯度，协同加速了水的收集。另外，XU等用疏水铜网和亲水性棉织物复合构建Janus 体系，见图6（b）［13］。通过进一步改进，将二维疏水/亲水协同体系改良为三维协同体系。研究发现，由于边界层效应，三维Janus 系统比二维系统更快速、更自发、更连续。这一发现为雾水收集体系提供了一种新的方法。纺织品具有成本低、生产工艺简单的特点，在其表面沉积金属颗粒以增强液滴的冷凝效果，在疏水处理的织物基底上沉积亲水性金属，或者构建亲疏复合结构，均有利于增强雾水收集的效果。

图6 金属沉积诱导织物表面集水Fig.6 Metal deposition induced water collection on fabric surface

3 总结和展望

水资源短缺是一个全球问题，预计到2025 年，世界上将有一半人口生活在水资源紧张的地区［53］。为缓解淡水资源短缺的问题，科学家相继开发了各种新材料，如MOF［54-55］、凝胶［56-57］以及各种膜类材料［58-60］等，但这些材料均存在制备复杂、价格昂贵的难题。纺织品成本低，制备工艺成熟，并且可以实现量产，这对一些偏远和欠发达地区的淡水供应问题具有重要意义。

纺织类集水材料可以分为2类：一类是用于海水淡化的光热集水材料，另一类是雾水收集材料。光热集水材料将太阳能转化为热能，实现水分蒸发，从而实现淡水资源的收集。因此，理想的光热集水材料应该具备良好的光吸收率和光热转化性能、合理的成分和结构设计。良好的光吸收率有利于太阳能的吸收，良好的光热转化性能有利于太阳能转化为热能，合理的成分和结构设计保证材料表面的海水持续不断的供应。雾水收集材料利用雾滴沉积表面捕获水汽，雾滴沉积形成液滴后不断与周围液滴融合变大，最后汇聚成水流满足生产生活之需。因此，理想的雾水收集材料应该具有亲疏复合表面、比表面积大、不同级别的微纳米级通道或者锥形结构。相对亲水且比表面积大的表面有助于雾滴的捕获，相对疏水且光滑的集水表面有利于微型液滴的脱落，分级的微纳米级通道或者锥形结构则有利于液滴运输，降低表面水分的再蒸发速率，提高雾水收集效率。

需要注意的是，大部分材料的集水能力测试实验是在相对湿度大于60%的实验条件下进行的，而实际干旱地区的相对湿度都在20%以下。此外，纺织集水材料还存在表面材料及结构易损坏失效、不耐久使用的问题。在今后的研究中，应尽力解决此类问题。同时，现有的集水材料主要集中在一维和二维表面，未来应更多地关注三维材料。总的来说，纺织集水材料在缓解淡水资源短缺的问题上，开辟了新的途径，在不久的将来会有更好的发展前景。