王洪杰, 胡忠文, 王 赫,3, 凤 权, 林 童
(1.安徽工程大学 纺织服装学院, 安徽 芜湖 241000; 2.安徽工程大学 安徽省纺织结构复合材料国际联合研究中心, 安徽 芜湖 241000; 3.安徽工程大学 安徽省纺织工程技术研究中心, 安徽 芜湖 241000; 4.迪肯大学 前沿材料研究所, 吉朗 VIC 3216)
单向导湿是指水的传输具有单向性,即水只能自发地沿着材料厚度方向或在材料表面由一侧传输到另外一侧,反之则无法传输。这种现象广泛存在于自然界和人体,如水在自然界的动物[1-2]或植物[3-4]表面的单向传输以及在人体生物膜中的单向渗透[5]。经过人工模拟和结构设计之后,将单向导湿性能赋予纺织品即可得到单向导湿纺织品,即当水滴滴落到纺织品的一侧时,水滴可以自发的从这一侧透过织物传输到另外一侧,反之当水滴滴落到纺织品的另外一侧时,水滴无法透过织物传输;且这种单向水传输行为不受重力影响。
这种独特的单向水传输性拓宽了传统纺织品在服装和工业领域的应用,为智能服装和产业用纺织品的发展和应用开拓了新方向。目前,单向导湿纺织品的开发方式大致可以分为2种:第1种是基于织物组织结构设计,主要在纺织品织造过程中实现。通过不同的组织结构变化获得类似织物干-茎的孔隙梯度构造[6],或在纺织品内外层采用不同亲疏水性能的长丝进行织造[7-9],以得到单向导湿纺织品。该方法应用领域存在局限性,大多适用于服用纺织品。第2种方式是对纺织品(织物或纤维膜)进行表面功能化整理,或将多层纤维膜进行堆叠,可简化工艺流程且应用领域较广。
单向导湿性能在功能纺织品的应用中所体现的作用可以分为2类:一是可以加快水在纺织品厚度方向的传输速度,可将其应用于单向导湿衣物的设计和制备以及雾水收集等领域,结合亲水侧的结构设计,实现快干和集水功能;二是水的单向传导性,利用这个性质可实现水和其他液体(如油等)的单向分离,避免分离液体的反向流动,提高分离效率。
经研究表明,对纺织品进行表面功能化整理或将纤维膜层层堆叠可获得应用范围更广的单向导湿纺织品。基于此,本文将对单向导湿纺织品的设计原理、制备方法、应用领域以及目前存在的问题和发展前景进行综述和分析。
制备单向导湿纺织品的主要原理是沿纺织品厚度方向构造表面能梯度,可通过改变纺织品两侧的润湿性在织物厚度方向设计亲疏水梯度来实现。促使液体在纺织品内进行单向传输的主要驱动力来自液滴弯曲液面所产生的拉普拉斯压力[10],可以采用Young-Laplace方程(ΔP=2γ/r,其中:ΔP拉普拉斯压力,Pa;γ为液体表面张力,mN/M;r为液体在固体表面所形成的液面的曲率半径,mm)来描述。水滴滴落在单向导湿纺织品两侧时的铺展状态如图1所示。
图1 水滴铺展示意图Fig.1 Diagram of droplet spreadting
当水滴落在纺织品的亲水侧时,水滴在亲水层中铺展扩散,当传输到亲疏水层界面时,水滴所形成的曲率半径较大且趋于无穷,因此产生的拉普拉斯压力几乎为零。反之,当水滴落在纺织品的疏水侧时,由于表面疏水,因此水滴在疏水层表面不铺展,所形成的曲率半径较小,因而获得较大的拉普拉斯压力,同时结合亲水层的远距离毛细作用力,可以帮助水滴克服疏水侧所产生的疏水作用力,向纺织品的亲水层移动,并且通过亲水侧的毛细作用力在亲水层中扩散,以此完成水的单向传输。
构造织物亲疏水梯度的方法主要分为2种:第1种是可以忽略粗糙度差异的亲疏水梯度,如在纺织品表面接枝化学品或将2层亲疏水性不同的纤维膜堆叠在一起,此时纺织品厚度方向的表面能梯度来自于亲疏水梯度;第2种是含有粗糙度变化的亲疏水梯度,如在纺织品表面构造1层粗糙的疏水涂层,此时的纺织品厚度方向的表面能梯度来自于亲疏水梯度和粗糙度梯度。
本节将重点介绍对纺织品进行单面功能化处理或多层纤维膜堆叠,沿厚度方向构造亲疏水梯度的制备方法。为了更清晰地阐述单向导湿纺织品的制备方法,将单向导湿纺织品分为3类进行介绍:第1类是传统织物,第2类是纤维膜,第3类是传统织物与纤维膜的复合纺织品。
2.1.1 浸涂-光降解
采用浸涂-光降解的方法制备基于传统织物的单向导湿纺织品主要分两步进行:首先将织物整体在溶液中浸泡并取出烘干,然后对织物进行单面光照降解,沿厚度方向形成非对称润湿结构。
Wang等[11]于2010年首次采用浸涂-光降解的方法制备了单向导湿织物。首先将聚酯织物浸泡在含有二氧化钛和二氧化硅纳米粒子的溶液中,经高温处理后聚酯织物具有超疏水性能,然后使用紫外灯对织物进行单面光降解使之亲水,由此构造沿织物厚度方向的亲疏水梯度,获得单向导湿织物。类似地,Kong等[12]和Li等[13]采用二氧化钛凝胶整理棉织物,也获得单向导湿织物。
除了在纳米粒子溶液中浸涂,还可以将织物浸泡在含有单体的溶液中使织物表面发生聚合反应,然后再进行单面光降解。如Zhu等[14]将棉织物放在含有二乙烯基苯的乙醇中,以偶氮二异丁腈作为引发剂,在棉织物表面聚合形成一层疏水的聚二乙烯基苯涂层,然后采用单面紫外光照降解的方法获得单向导湿织物。
此外,通过浸涂-光降解的方法还可以获得具有单向导湿和单向导油性能的织物。如Zhou等[15]将织物放在含有二氧化硅纳米粒子的溶液中浸泡一定时间,晾干后在聚偏氟乙烯-六氟丙烯/氟硅烷溶液中浸泡,经高温固化后可得到超疏水织物。将织物用紫外灯进行单面照射,通过调节紫外灯的照射时间,可以得到具有单向导湿、导油性能的织物。
浸涂-光降解是最早用于制备单向导湿织物的方法,该方法虽然操作简单,但也存在一些缺点:一方面,该方法需要使用大量溶剂,易对环境产生危害且回收困难;另一方面,该方法所用的纳米粒子或聚合物沉积在织物内部或表面,易使织物发硬,降低穿着舒适度。
2.1.2 表面沉积/聚合
为了减少溶剂用量,研究者们开始采用表面沉积/聚合的方式获得单向导湿纺织品。此种方法主要表现为3种形式:一是单面物理沉积,二是单面气相化学沉积,三是单面化学气相聚合。如Zhang等[16]将石墨烯纳米片在高温高压条件下沉积在聚酯织物的一侧上以获得疏水表面,然后在聚酯织物另外一侧接枝磷酸根来获得亲水表面,因此沿厚度方向设计了亲疏水梯度来获得单向导湿织物。Tian等[17]采用单面气相化学沉积的方法制备了单向导湿织物。通过将亲水棉织物平放在含有全氟辛基三乙氧基硅烷的容器上方,使与蒸汽接触的棉织物一侧发生硅烷化反应,在棉织物单侧上形成疏水表面,由此沿厚度方向构造亲疏水梯度。类似地,单面化学聚合或交联也可以获得单向导湿织物。如Sun等[18]首先采用等离子单面处理亲水织物获得活性表面,然后引入六甲基二硅氧烷蒸汽在织物单侧上聚合获得疏水表面,沿织物厚度方向构造亲疏水梯度获得单向导湿织物。蒋佩林等[19]则是先采用氧等离子体单面处理PBT熔喷非织造布,然后在其表面涂覆壳聚糖醋酸溶液,最后采用戊二醛蒸汽交联获得单向导湿非织造布。
相比浸涂-光降解,表面沉积/聚合的方法操作简单且溶剂用量少,但这种方法只适用于具有一定厚度的纺织品,在制备过程中,沉积层或聚合层的厚度不易控制且较难定量测量。
2.1.3 静电喷涂/喷涂/刮涂
采用静电喷涂、普通喷涂或刮涂的方法可以快速在固体表面制备功能性涂层。静电喷涂是在高压电场作用下,将溶液细化成微小液滴并沉积在固体表面[20-23]。目前静电喷涂已被广泛应用于喷墨印刷[24-25]、燃料电池[26]以及表面功能化整理[27-29]等领域,使用技术已成熟。普通喷涂则是将溶液置于喷雾器中,使其以雾化的形式沉积在织物表面。刮涂是采用刮刀,将整理液单面刮涂到织物表面。
Zeng等[30]最早使用静电喷涂的方法制备单向导湿织物。在经过NaOH溶液水解后的亲水聚酯织物表面通过静电喷涂的方法沉积1层疏水SU-8光刻胶,由此构造沿厚度方向的亲疏水梯度,获得单向导湿织物。后来,Zhou等[31]首先将棉织物进行亲水整理,然后采用氟硅烷溶液以静电喷涂的方式单面处理织物,以此沿织物厚度方向设计亲疏水梯度。Zeng和Zhou等所采用的静电喷涂方式在织物表面上沉积的聚合物涂层较为光滑,织物表面粗糙度未发生明显变化。这种方式获得的单向导湿性能主要来自于织物厚度方向的亲疏水梯度。
后来,Wang等[32-33]将稀的聚合物溶液以静电喷涂的方式在亲水棉织物上单面沉积,得到具有粗糙表面的涂层,获得了单向导湿棉织物。采用这种方式获得的单向导湿织物在厚度方向上兼具粗糙度梯度和亲疏水梯度,相比纯亲疏水梯度,这种方法可以降低功能层厚度,减少因功能整理所导致的织物发硬。
采用普通喷涂或刮涂的方式对织物进行单面整理也可获得单向导湿织物[34-35],并且,通过模板遮盖后,可快速沿织物厚度方向建立通道,加快织物的单向导湿速度[36]。
采用静电喷涂/喷涂的方式对织物进行单面整理,可以通过调节参数有效地控制喷涂层厚度。相比浸涂-光降解和表面沉积/聚合,该制备方法操作简单,且可定量控制涂层厚度,具有规模化生产的优势。
基于纤维膜的单向导湿纺织品主要分为多层静电纺纤维膜、多层非织造布以及非织造布与静电纺纤维膜相结合的复合纤维膜3种。单向导湿纤维膜的设计方法是将亲水纤维膜和疏水纤维膜进行层层堆叠结合,或采用后处理的方法沿纤维膜厚度方向构造亲疏水梯度。单向导湿纤维膜大多具有2层或3层结构。
2层单向导湿纤维膜可以采用3种或1种纺丝前驱体获得。Wu等[37]最早采用静电纺丝的方法制备单向导湿纤维膜。首先纺制1层亲水聚乙烯醇纤维膜,在上面继续纺制1层疏水聚氨酯纤维膜,并采用后交联的方式提高聚乙烯醇的耐水性,最后获得单向导湿纤维膜。后来,通过将聚丙烯腈纤维膜预氧化,在疏水的预氧化膜上继续纺制亲水的聚丙烯腈纤维膜,得到单向导湿纤维膜[38]。类似地,双层非织造布的单向导湿纺织品是亲水层非织造布与疏水层非织造布采用水刺的方式进行加固[39]。大部分2层单向导湿纤维膜都是采用如上层层堆叠的方式获得,单向导湿性能主要通过控制亲疏水纤维膜的厚度来实现。聚乙烯醇和聚丙烯腈可以用于制备亲水纤维膜,聚氨酯和聚偏氟乙烯等可以用于制备疏水纤维膜[40-42]。
采用2层纤维膜堆叠的方式制备单向导湿纺织品操作简单,但这类单向导湿纤维膜通常由厚的亲水层和薄的疏水层组成,在制备过程中,需要同时兼顾2种纤维膜的厚度。
为了更简单地制备单向导湿纤维膜,研究者们以非织造布为基底,通过在上面沉积纳米纤维膜的方式来获得单向导湿织物[43-44]。所采用的基本方法是先对非织造布进行亲水/疏水处理,然后在上面通过静电纺丝的方式沉积1层疏水/亲水纤维膜,沿厚度方向构造亲疏水梯度。如Xu等[45]在熔喷疏水聚丙烯非织造布上以静电纺丝的方式沉积1层含有纳米二氧化硅的聚丙烯腈亲水纤维膜,由此沿纤维膜厚度方向构造了亲疏水梯度,得到单向导湿纤维膜。后来使用NaOH对PET/PE非织造布进行水解获得亲水非织造布,然后在非织造布上沉积1层疏水PVDF纤维膜,获得单向导湿纤维膜[46]。
此外,为了得到更快的单向导湿速度和水蒸发速度,研究者们制备了3层单向导湿纤维膜。Wang等[47]以聚乳酸非织造布为基材,在其上纺制1层醋酸纤维素纤维膜,然后在醋酸纤维素表面涂覆1层微纤化纤维素,形成3层纤维膜并对其进行亲水处理,最后在聚乳酸纤维膜一侧单面静电喷涂疏水的氟化聚氨酯溶液,获得疏水层,由此沿厚度方向形成亲疏水梯度,获得3层单向导湿纤维膜。或者在亲水纤维膜和疏水纤维膜中间添加1层亲疏水导流层,也可获得3层单向导湿纤维膜[48]。采用这种方式获得的单向导湿纤维膜可以快速将疏水侧的水传导到亲水侧,这些水分会在亲水侧快速平铺扩散并蒸发,这种技术适用于单向导湿快干织物的研发和应用。
除了与非织造布复合,静电纺纤维膜与传统织物复合也可以获得单向导湿纺织品,这类单向导湿纺织品的制备方法通常是在亲水织物上面负载1层疏水纤维膜。如Xu等[49]将疏水聚丙烯以熔喷的方式在亲水棉织物表面沉积,并采用聚多巴胺处理的方式降低聚丙烯的疏水性,沿厚度方向构造亲疏水梯度,获得单向导湿织物。其他研究者们也是以亲水织物或经过亲水整理的织物为基材,在其上通过静电纺丝的方式沉积疏水的聚氨酯和聚苯乙烯纤维膜来获得单向导湿织物[50-51]。
对于传统织物,制备单向导湿纺织品的基本方法是进行单面功能整理,即在亲水织物单面构造疏水涂层;对于纤维膜、传统织物/纤维膜复合单向导湿纺织品,其基本构造方法是采用堆叠的方式,沿纺织品厚度方向构造亲疏水梯度[52-53]。总之,以厚度方向的表面能梯度变化为基本原理,根据应用需求,均可通过结构设计或功能整理获得单层或多层单向导湿纺织品。
单向导湿纺织品由于具有特殊的单向水传输性,在夏季服装、运动服及其他防护服领域、雾水收集和油水分离等领域均有应用。
单向导湿纺织品可将皮肤表面产生的汗液快速传导到衣物外侧,从而保持皮肤以及贴近皮肤一侧的衣物干爽,提高人体在流汗环境中的衣物穿着舒适感。同时,在单向导湿的基础上,增加亲水层的粗糙度或进行超细结构设计,可以产生更强的毛细作用,当人体产生的汗液渗透到亲水层时,通过毛细作用力,汗液可快速在亲水层平铺扩散并蒸发,具有快干功能。
如Yan等[41]将聚乙烯醇和聚丙烯腈混纺的纤维膜进行水解,获得单根纤维具有粗糙表面和微小孔隙的亲水纤维膜,然后与聚氨酯纤维膜进行复合,得到可用于单向导湿快干的纤维膜。当汗液由疏水的聚氨酯层渗透到亲水层后,由于亲水层纤维膜的粗糙表面和孔隙,汗液会在亲水层快速扩散并蒸发,由此具备单向导湿和快干功能,可用于制备夏季服装或运动服。类似地,Wang等[47]受自然界植物蒸腾作用的启发,制备了表层具有叶脉状的3层单向导湿纤维膜,由于其特殊的结构,当汗液由疏水层单向传输到具有叶脉状结构的亲水层后,水分会快速蒸发。这类纤维膜在在单向导湿快干服装领域均有广阔的应用前景。
除了单向导湿快干服装应用,还可以利用单向导湿织物设计高导热系数的服用纺织品。如Zhou等[31]将棉织物放在含有Hercosett环氧氯丙烷基树脂和氮化硼的水溶液中浸泡,烘干后通过静电喷涂的方法在织物的一面上沉积Zonyl321(一种氟化表面活性剂)和氟硅烷,获得单向导湿织物,在服用模拟测试中,织物可以快速将人体皮肤产生的汗液传导到织物外侧,而通过Hercosett环氧氯丙烷基树脂粘结到纤维上的氮化硼则可以提高织物的导热系数,当织物中的汗液蒸发时,可以使人体获得更强的凉爽感。
此外,还可以将抗菌性能赋予单向导湿织物,这类纺织品在医疗卫生领域具有应用价值。如作为手术服,可以帮助医护人员快速将身体产生的汗液导出,并且在有菌环境中能够起到抗菌作用,在一定程度上降低细菌对医护人员的损伤。如Babar等[54]以商业聚酯非织造布作为疏水层,以添加有银纳米粒子的聚酰亚胺纤维膜为亲水层,获得具有抗菌性能的单向导湿纤维膜。由于银离子的作用,所制备的单向导湿纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有优异的抗菌能力。这种非织造布/纤维膜复合纺织品或将开启新型功能纺织品在医疗卫生领域的应用。
在沙漠或沿海地区,雾水收集是获得淡水资源的一种有效手段,在众多的雾水收集体系中,相比结构和化学组分较为均一的材料,单向导湿纺织品可以作为其中的关键材料,提高雾水收集效率。如Wu等[38]对比了亲水纤维膜、疏水纤维膜和单向导水纤维膜的雾水收集能力。结果表明,亲水纤维膜的雾水收集能力最低,集水能力约1.2 g/(cm2·h),疏水纤维膜的雾水收集能力次之,约1.5 g/(cm2·h),而单向导湿纤维膜的雾水收集能力则高达6.7 g/(cm2·h)(疏水侧朝向蒸汽源)。他们在雾水收集模拟测试中发现,当微小液滴接触疏水侧时,会慢慢汇集成较大液滴,这些大液滴会透过疏水层,向亲水层渗透并在亲水层中扩散、被收集。除了多层纤维膜,具有单向导湿性能的棉织物/纤维膜复合纺织品也可以用于雾水收集。如Huang等[51]将亲水棉织物与疏水聚苯乙烯纤维膜相结合获得单向导湿复合织物,并将其用于雾水收集。纯棉织物的雾水收集能力较低,约为0.94 g/(cm2·h),不具备单向导湿性能的棉织物/聚苯乙烯复合织物的雾水收集能力为1.14 g/(cm2·h),而单向导湿棉织物/聚苯乙烯复合织物的雾水收集能力高达1.38 g/(cm2·h),相比棉织物提高46.8%。因此,当将纺织品用于雾水收集时,单向导湿性能可以有效增强纺织品的雾水收集能力,在集成使用的雾水收集器中,此类纺织品可作为关键组件使用。
用于含油废水处理的材料大都是具有多孔结构的性质均一的材料,使用时不分正反面,水或油从两面均可以透过。单向纺织品在用于含油废水处理时,液体在其中的流动具有单向性。如Zhu等[14]将浸涂聚合并单面光降解获得的单向导湿织物用于油水分离。当亲水面朝向重油(三氯甲烷)和水的混合物时,重油可以透过织物被分离,而水则被阻挡在织物的另一侧;而当超疏水面朝向轻油(甲苯)和水时,水可以透过织物被分离,而轻油则被阻挡在织物的另一侧。这种单向导湿织物对重油和水以及轻油和水的分离效率均大于99%,且分离重油和水的混合物时,通量高达12 500 L/(m2·h)。类似地,Zhang等[16]采用石墨烯纳米片单面修饰的方法获得单向导湿聚酯织物,并用其来分离重油和水以及轻油和水的混合物。利用这种单向导湿纺织品进行油水分离时,由于水的流动具有单向性,因此在实际使用时不受废水管道方向的限制,即不论管道是水平放置或垂直放置,被分离的油或水都无法反方向流动,能够确保纺织品具有较高的油水分离效率。
除了服用、油水分离和雾水收集,单向导湿纺织品还可以用于测量液体表面张力。如Wang等[55]采用浸涂-光降解的方法获得了单向导湿织物。使用紫外光对织物进行单面光降解同时间可获得不同程度的亲疏水表面,它们所呈现的表面能不同。因此不同表面张力的液体在织物表面的铺展性能不同,直观表现为接触角数值不同。通过建立紫外光照时间和不同表面张力液体在织物上的接触角数值曲线,经过拟合后,可根据接触角数值估算未知液体的表面张力。
单向导湿纺织品还可以用于传感器制作,如Wang等[56]在亲水织物的一侧构造了聚吡咯涂层,获得了具有导电性能的单向导湿织物。当在织物两侧安装金属电极时,由于导电层赋予织物充分的电容响应能力,因此,该织物可以作为电容传感器来测试织物含水量。这种传感器可用于感知不同湿度环境中织物的含水量变化。
此外,单向导湿纺织品还可以用于空气过滤,如Xu等[57]采用聚丙烯腈和聚己内酯制备了2层单向导湿纤维膜,并在其中添加环状糊精和氧化锌以提高纤维膜对颗粒的吸附性能。雾霾天气测试时,气体从亲水侧向疏水侧流动,PM颗粒只在亲水层沉积,含有环状糊精和氧化锌的纤维膜对PM颗粒的过滤效率高达99.99%,且气阻较低。这类纤维膜可以被广泛应用于空气过滤[58]。尤其是用于制备口罩时,口鼻呼出的水蒸气在疏水侧凝结成小液滴,逐渐变大后渗透到亲水侧平铺扩散并蒸发,而空气中的PM颗粒则被外侧的亲水层吸附,这样的口罩既可以阻隔空气中的PM颗粒,又不会造成内侧水汽集中,具有较好的佩戴舒适感。
科技的迅速发展和人民生活水平的显著提高,使得人们对于功能性纺织品的需求越来越大。单向导湿纺织品作为一种可单向导湿导湿的功能织物,不仅可以用于日常生活的导湿快干服装,在工业领域如油水分离、雾水收集、空气过滤等方面也有广泛的应用前景。现在单向导湿纺织品的制备方法较多且发展迅速,但还是有不足点。本文通过对当前单向导湿纺织品的制备方法进行综述分析发现:1)虽然对纺织品采用单面功能整理的方式可快速获得单向导湿纺织品,但采用纳米粒子单面整理的方法易使织物发硬,而采用化学气相沉积的方式则不易控制反应程度,无法量化沉积厚度;2)采用非织造布或织物与纳米纤维膜复合的方式也可较为简单地制备单向导湿纺织品,但在规模化量产方面的技术融合度还有待提高。
未来的单向导湿纺织品可以在以下几方面展开深入研究和应用:1)寻找新型水系整理剂,探究功能整理新方法,使整理剂与织物之间通过化学键链接,实现绿色生产,得到环保、持久耐用的单向导湿纺织品。2)开发复合型多功能单向导湿纺织品,探究单向导湿纺织品在水处理(如染料吸附)、医疗卫生(如载药缓释)以及其他领域的应用前景。