技術(shù)前沿

大家小時候有沒有在荷塘摘一片荷葉當(dāng)雨傘的經(jīng)歷？當(dāng)水珠在荷葉上滾來滾去時，不知你是否意識到這種水珠不沾濕荷葉的現(xiàn)象并不簡單。這種“荷葉效應(yīng)”后來被廣泛應(yīng)用到防水材料、超疏水材料、自清潔材料上面。

圖 1 荷葉表面的露珠

防水、疏水分別指什么？

為了方便討論，我們先花點(diǎn)時間來辨析一下概念: 防水、疏水，這雙胞胎分別是啥意思？

防水就是一個材料抵御水“入侵”的能力。一個材料 (這里具體指面料) 對水的抵抗能力用靜水壓頭等級度量。想象一塊織物被壓在一個高大的充滿水的管子下面，水開始滲透織物時管中水的高度 (mm 單位) 稱為靜水壓頭等級。通常把靜水壓頭等級大于等于 1000mm 的材料認(rèn)為是防水材料。

圖 2 沖鋒衣織物表面

疏水是指材料抵御被水浸濕的能力，一般可以用接觸角 theta 描述。液滴處于平衡狀態(tài)時，自“液-固”界面，經(jīng)液體內(nèi)部，到達(dá)“氣-液”界面的夾角叫接觸角。接觸角小于 90 度認(rèn)為是親水表面，接觸角大于 90 度認(rèn)為是疏水表面。

圖 3 接觸角示意圖

所以聰明的小伙伴是不是已經(jīng)想到：小孩子才做選擇，我們防水疏水全都要！如果你想得到一個防水性非常好的材料，那么你應(yīng)該使用防水的基體材料再加上疏水的涂層。

沖鋒衣的防水性從哪來？

沖鋒衣可以防水當(dāng)然是因?yàn)樗尾荒堋斑M(jìn)入”到?jīng)_鋒衣織物內(nèi)部。然而其實(shí)所有的織物都有孔，只是由于水滴的大小大于織物的孔隙而無法穿透，一個全是洞洞的東西顯然不能遮雨 (如果有小伙伴要刨根問底，水是怎么被擋在材料外面的，最根本的原因是源自電磁力。我們都知道物質(zhì)是由原子核和電子構(gòu)成，電子和電子間的排斥造成了這種“抵擋”)。所以織物越密實(shí)，顯然其防水性能會更好 (但對于沖鋒衣來說，這同樣會使得透氣性變差，因此并不是越密越好)。

圖 4 織物上的水滴

然而單靠織物的防水能力并不理想，生產(chǎn)防水織物的最常見方法是在織物上涂上一層疏水涂層。

“荷葉效應(yīng)”— 疏水性

說到疏水性，就不得不提“荷葉效應(yīng)”了。1997 年 W.Barthlott 和 C.Neinhuis 發(fā)表了“荷葉效應(yīng)”的原始文章，可以說，這篇文章開啟了表面科學(xué)針對超疏水的研究熱潮。Barthlott 和 Neinhuis 通過研究荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉的表面并不光滑，而是有一個個小乳突的粗糙表面。這種表面是使得水珠在荷葉表面上自由滾動而不沾濕荷葉的原因。而這種現(xiàn)象就被稱作“荷葉效應(yīng)”（順便提一句，其實(shí)在 Barthlott 和 Neinhuis 的原始文章中“荷葉效應(yīng)”更準(zhǔn)確的翻譯應(yīng)該叫“圣蓮效應(yīng)”，作者是取神圣的蓮花冰清玉潔不被污染的意思）。

下面我們就來解釋其中的原理。

總得來說荷葉效應(yīng)是低能疏水表面加粗糙表面的結(jié)果。

低調(diào)的表面干大事

首先，我們來說明為什么疏水的表面是表面能比較低的。對公式不怎么感興趣的同學(xué)直接看下面的結(jié)論。

接觸過表面物理化學(xué)的同學(xué)應(yīng)該知道 1805 年著名的楊氏方程，表達(dá)式如下:

其中，為接觸角，為表面能。

將其變換形式后得到如下方程:

這個方程指出，是否潤濕取決于液滴擴(kuò)大表面所需要的能量與由于覆蓋基底材料而獲得的能量之間的大小，后者能補(bǔ)償前者時可以浸潤，最終使得系統(tǒng)的能量最??；反之，當(dāng)基底材料的表面能低于液滴的表面能時一定不會使液滴鋪展。因此想得到一個疏水的表面，其表面一定是低能表面。

坑坑洼洼神助攻

第二個影響疏水性能的因素是表面粗糙度。粗糙的表面導(dǎo)致液滴與表面間接觸面積減少，液滴只能停留在乳突尖端上 (如圖 6)，空氣封在乳突中間，液滴被支撐起來。

圖 6 液滴在荷葉表面狀態(tài) (Barthlott W, Neinhuis C 1997)

要注意的是，粗糙并不是導(dǎo)致疏水的根本條件，Wenzel 模型 (一種經(jīng)典的模型，如圖 7 所示) 認(rèn)為粗糙表面的存在使得實(shí)際“固-液”接觸面積大于表觀幾何接觸面積，在幾何上增強(qiáng)了疏水性 (或親水性)。即粗糙度會使得疏水表面更疏水，使得親水表面更親水。

圖 7 Wenzel 模型

綜合上面兩條我們可以得知：

第一，如果表面的能量很低，水通過吸附獲得的能量很小，則水就不會擴(kuò)展即水會保持球狀。很少或沒有極性基團(tuán)（例如有機(jī)固體、高聚物固體）的表面的表面能很低。這是為什么沖鋒衣的防水涂層一般會選擇聚氨酯（PU）、聚醚聚氨酯（PE）和有機(jī)硅及它們的組合的原因。

第二，在粗糙表面的情況下，空氣被包裹在表面與水滴之間形成復(fù)合表面（這種復(fù)合表面模型叫 Cassie-Baxter 模型（如圖 8），是另一種經(jīng)典模型。真實(shí)世界的情況通常是 Wenzel 模型與 Cassie 模型的結(jié)合）。這種復(fù)合表面擴(kuò)大了水 / 空氣界面并減少了水 / 固體界面。這種表面可以被視為是空氣和固體合成了一個表面，這個空氣和固體的復(fù)合表面的表面能比固體自己的表面能更低，從而使得液滴擴(kuò)展吸附的能量更低而更不傾向于擴(kuò)展或浸潤。這就是“荷葉效應(yīng)”的原理，將此運(yùn)用到?jīng)_鋒衣上，你就能得到一件防水服啦。

圖 8 Cassie-Baxter 模型

疏水表面容易被破壞

但是這種疏水表面并不穩(wěn)定。比如機(jī)械磨損，或者諸如水解的化學(xué)反應(yīng)會破壞這種表面，影響其性能。這在仿生材料中是一個巨大的挑戰(zhàn)。生物由于有生物活性可以再生這種乳突結(jié)構(gòu)，然而如何制備可自愈的疏水材料是一個難點(diǎn)。因此這對沖鋒衣的耐久性和壽命是一個挑戰(zhàn)。同時，涂層可能會影響織物的撕裂強(qiáng)度。例如 PU 和 PE 的一個缺點(diǎn)就是會降低織物的強(qiáng)度。涂層影響了織物的滑動方式，壓力更加集中，使得織物更容易撕裂。不過有機(jī)硅不容易水解，且會增加它們所應(yīng)用的織物的強(qiáng)度，因此在高端產(chǎn)品中應(yīng)用較多 (當(dāng)然其成本較高)。

對于一件衣服來說，其質(zhì)量好壞顯然不能僅以防水性來判斷（如果是這樣的話大家干脆穿雨衣出門就行了）。對于沖鋒衣來說，需要兼顧防水性、透氣性、應(yīng)對復(fù)雜天氣條件的耐候性、保暖性能、防風(fēng)性能、快干性能等一系列功能性，這些功能之間可能是互相矛盾的，需要系統(tǒng)工程的視角。這可能也是會有高端沖鋒衣卡脖子論調(diào)的一個原因。

參考文獻(xiàn)：

Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces

https://baijiahao.baidu.com

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