采用PDMS/SiO2氣凝膠材料制備的泳衣超疏水性能研究

余騰飛

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300)

泳衣這一運(yùn)動裝備在長時間的不斷演化中，已經(jīng)逐漸從一種單純的運(yùn)動服飾轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能夠極大影響游泳運(yùn)動員競技成績的現(xiàn)代裝置；現(xiàn)代泳衣可以利用材料的種種特性使身體變成流線型，在一定程度上可減少水對人體的阻力[1]。因此，隨著現(xiàn)代材料科技與運(yùn)動領(lǐng)域尤其現(xiàn)代泳衣生產(chǎn)領(lǐng)域的融合，運(yùn)動員游泳成績正越來越受到泳衣的影響。根據(jù)以往研究及多項(xiàng)職業(yè)游泳競賽統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，自由泳是受技術(shù)因素影響最小的游泳項(xiàng)目，因而國際田聯(lián)針對自由泳項(xiàng)目進(jìn)行了多項(xiàng)外部著裝規(guī)定。其中有一條規(guī)定男子自由泳項(xiàng)目泳衣最多僅能覆蓋腰部到膝蓋以上部分，腰部以上及膝蓋以下部分不能穿著泳衣；女子自由泳項(xiàng)目泳衣僅允許覆蓋肩部至膝蓋部分，臂部及小腿部分同樣不允許穿著泳衣；泳衣材質(zhì)必須為紡織織物。這些規(guī)定基本上代表部分高科技性泳衣如“仿鯊魚皮泳衣”等已經(jīng)基本無緣高水平游泳競技。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料制備

在進(jìn)行材料處理時，首先需要將材料的涂層去掉，然后將具有特殊分子結(jié)構(gòu)的整理劑(氟整理劑和拒水增效劑等)添加在泳衣表面，破壞其表面結(jié)構(gòu)，最后使之進(jìn)行結(jié)合。泳衣拒水性減小只要表現(xiàn)于水流在泳衣表面滑落時不會被打濕，從而可減少相互之間的阻力[2]。

1.1.1原拒水涂層處理

在開展實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將原泳衣拒水涂層進(jìn)行處理，用于降低實(shí)驗(yàn)誤差。泳衣在水溫為30 ℃環(huán)境中，進(jìn)行洗滌晾干，再將其浸泡在乙酸(C2H4O2)中15 min，然后在溫度低于20 ℃的冷水中洗至中性；將再次洗滌后的泳衣放入水溫為90 ℃的水中(含有8%的NaOH)攪拌15 min，再用水溫大于80 ℃的熱水進(jìn)行清洗至中性。最后，在將處理過的泳衣放入C2H4O2溶液中浸泡15 min，再用水溫低于20 ℃的水洗至中性。

1.1.2拒水整理

對泳衣進(jìn)行拒水整理通常需要借助拒水增效劑和整理劑(需含氟)，將質(zhì)量濃度為80 g/L的織物整理劑FP-1和水加入容器中，再加入質(zhì)量濃度為1 g/L乙酸調(diào)節(jié)酸堿性，直至pH值為5.5左右；然后，添加質(zhì)量濃度為5 g/L的增效劑和滲透劑——質(zhì)量濃度為4 g/L氯化鎂緩慢攪拌約8 min，直至拒水整理劑混合均勻。最后，對泳衣進(jìn)行拒水整理前，先將物品放置CH3COOH溶液中進(jìn)行浸泡，自然晾干之后在放入混合溶液中進(jìn)行1 h浸泡，再進(jìn)行烘箱干燥(120 ℃)和焙烘(170 ℃)。對泳衣進(jìn)行拒水整理需要將以上程序重復(fù)3次[3]。

1.1.3補(bǔ)強(qiáng)拒水整理

補(bǔ)強(qiáng)拒水整理一般采用十七氟癸基三甲氧基硅烷(C13H13F17O3Si)等氟硅烷類低表面能物質(zhì)進(jìn)行。將經(jīng)過一系列處理的泳衣浸泡在氯硅烷含量為0.5%的乙醇(C2H6O)溶液中，進(jìn)行30 min的超聲處理后，在常溫中進(jìn)行干燥處理，最后在溫度為120 ℃的環(huán)境中，進(jìn)行1 h的烘干處理。

1.1.4納米改性溶膠

準(zhǔn)備一個含有25 mL的C2H6O的瓶子，再加入5 mL的正硅酸乙酯(TEOS)和1.056 g的氯硅烷(FAS)進(jìn)行混合；配制一個氨水(NH3·H20)和乙醇(C2H6O)的混合液(5 mL的NH3·H2和75 mL的C2H6O進(jìn)行混合)，將混合溶液逐滴加入瓶中，在常溫下進(jìn)行12 h的分解；之后在改性溶膠中放入泳衣樣布，進(jìn)行30 min的超聲處理。然后，置于常溫中進(jìn)行干燥，最后一步將其于溫度120 ℃條件下進(jìn)行1 h的烘干處理。

1.2 試樣的測試

1.2.1疏水性能

利用視頻接觸角測試儀對涂覆納米材料以后的試樣水接觸角進(jìn)行測量，將處理后的試樣用雙面膠平整鋪設(shè)于載玻片上，保證各組試樣的厚度相同；在試樣正上方用滴管滴下3 μL液滴(改性溶膠)，進(jìn)行水接觸角測量得到各組試樣的水接觸角。

1.2.2拒水級別

根據(jù)GB/T 4745—1997測試樣品泳衣的拒水級別，設(shè)定測試環(huán)境水溫為28 ℃左右，將各類樣品泳衣進(jìn)行4次試驗(yàn)，然后在將圖片跟樣品進(jìn)行對比，以此判定樣品泳衣的拒水性[4]。

1.2.3耐水洗性能

根據(jù)GB 12799—1991進(jìn)行耐水性測試，設(shè)定溫度為30 ℃左右，洗滌劑質(zhì)量濃度為2 g/L，織物和洗液比為1∶30；將樣品泳衣進(jìn)行重復(fù)洗滌約30次后，再對其拒水性能進(jìn)行測試。

1.2.4測試對比包裹物漂浮

(1)裝置測試點(diǎn)：游泳水槽是水平放置的，因此水槽內(nèi)的水流速度是恒定的。包裹物漂浮測試裝置示意圖具體如圖1所示；

圖1 包裹物漂浮測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of floating test device

(2)測試方法：將空白漂浮物、未經(jīng)處理的樣品泳衣和拒水處理后的樣品泳衣放置在流程和流速相同的環(huán)境中，將樣品泳衣與漂浮物運(yùn)動時間記錄和分析。每個漂浮物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)115組，優(yōu)選誤差在<5%的25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中[5]。

1.2.5樣品測試人員

(1)該測試運(yùn)動員均為國家二級水平以上，平均年齡在17歲左右，身高在177 cm左右，體重在65 kg左右，同時該人員均經(jīng)過至少2年的專業(yè)訓(xùn)練；

(2)測試方法：該測試距離為100 m，全程采用自由泳(受技術(shù)影響最小)，著裝隨機(jī)為連體及膝泳褲，每件只穿1次。測試時間為3 d(分別為第1天上午、第1天下午和第2天下午)，在正式測試前均有2 000 m的試前準(zhǔn)備活動;

(3)測試條件：將室內(nèi)溫度控制在30 ℃，濕度為60%適宜，水溫為28 ℃。

1.2.6統(tǒng)計(jì)方法

該試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)處理是采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS15.0進(jìn)行，將采集的數(shù)據(jù)樣本(獨(dú)立小樣測試和配對小樣測試)組間差異分析進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 拒水泳衣的疏水性能

如表1所示為接觸角與材料疏水性關(guān)系，利用納米技術(shù)完成拒水處理后水接觸角會發(fā)生變化[6]。

表1 接觸角與材料疏水性關(guān)系Tab.1 Relationship between contact angleand material hydrophobicity

由表1可知，材料水接觸角越大表明該材料的疏水性越強(qiáng)。通過處理前、后對進(jìn)口泳衣水接觸角度進(jìn)行的分析可知，在利用納米技術(shù)完成拒水處理后能夠獲得更大的水接觸角，達(dá)到了156°左右，約提升38°，表明經(jīng)過處理后的泳衣明顯具備更加優(yōu)異的疏水性。

2.2 拒水級別

泳衣在經(jīng)過拒水處理后，其抗?jié)裥阅苡辛撕艽筇岣撸瑥奈刺幚淼?級拒水級別達(dá)到了5級；拒水級別測試結(jié)果如表2所示。

表2 拒水級別測試結(jié)果Tab.2 Test results of water repellency level

2.3 耐水洗性能測試

研發(fā)出的拒水比賽泳衣未發(fā)現(xiàn)濕潤現(xiàn)象，經(jīng)過重復(fù)30次的洗滌實(shí)驗(yàn)，泳衣的拒水性能級別為5級，有較高的耐水洗性優(yōu)勢；具體結(jié)果如表3所示。

表3 耐水洗性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of washability

由表3可知，本試驗(yàn)選用的樣品泳衣具有一定拒水條件；因此，在研制具有超拒水表面的泳衣時，一般采取2種方式相結(jié)合(構(gòu)造粗糙表面和降低織物表面能)的方法，該方法可以有效增強(qiáng)減阻效果[7]。先去除原泳衣拒水涂層；在處理后的泳衣表面添加拒水增效劑和整理劑(需含氟)，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)拒水整理，該處理需要使用低表面能物質(zhì)進(jìn)行(硅烷、氟硅烷類)。經(jīng)過處理的泳衣有水流從表面滑落，不會被打濕，這表明泳衣與水流之間摩擦阻力變小。當(dāng)水流順著人體表面擴(kuò)展時，這說明液體與固體浸潤現(xiàn)象；浸潤的程度多是用于接觸角來反應(yīng)；接觸角通常是指在氣(空氣)、液(水)和固體(人體)相交點(diǎn)處，空氣到水面的切線穿過水與人體到水的交界線之間的夾角。當(dāng)水與某物品的表面接觸角大于150°時，則表示測試的物品表面為超疏水性表面；該測試中拒水處理的樣品泳衣接觸角達(dá)到了156°，比未處理樣品泳衣提高了38°，達(dá)到了超疏水的目的。

2.4 包裹物漂浮測試

表4為包裹物漂浮測試結(jié)果。

表4 包裹物漂浮測試結(jié)果Tab.4 Results of floating test

由表4可知，未經(jīng)處理樣品與空白漂浮物組樣品相比其運(yùn)動時間增加了0.421%，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；經(jīng)過拒水處理后的樣品與空白漂浮物組樣品相比，其運(yùn)動時間增加了1.623%，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。經(jīng)處理后的樣品運(yùn)動時間同樣有所增加，說明差異具有顯著性意義。

2.5 泳池測試

表5為泳池測試結(jié)果。

表5 泳池測試結(jié)果Tab.5 Swimming pool test results

由表5可知，運(yùn)動員在進(jìn)行100 m自由泳測試中，穿著拒水處理后樣品的選手其100 m自由泳使用時間比穿著未經(jīng)處理樣品選手其100 m自由泳使用時間少1.25 s，且本組試驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；穿著拒水處理后樣品的選手其100 m自由泳使用時間與最好成績選手的時間相比增加0.47 s，且差異沒有顯著性意義(P>0.05)。

影響游泳運(yùn)動員成績的不單是著裝，還有運(yùn)動員的形體和技術(shù)動作等；而運(yùn)動員的形體和技術(shù)動作與壓差阻力和形狀阻力具有較大的關(guān)系[9-10]。當(dāng)運(yùn)動員的身體發(fā)育穩(wěn)定后，想要提高游泳運(yùn)動員的游泳速度，可以從人體與水的摩擦阻力出發(fā)。泳衣對減小人體與水的摩擦阻力具有一定的作用，因此選取好的泳衣對于提高游泳速度具有重要意義；同時，可以減少穿著者的能量損耗。材料的選擇對泳衣的設(shè)計(jì)具有重要影響，材料在一定程度上可以減少人體與水的阻力，幫助運(yùn)動員降低能力損耗。

3 結(jié)語

拒水泳衣通過使用低表面能物質(zhì)(FAS)對涂層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)拒水處理后，在進(jìn)行TEOS添加納米技術(shù)處理，屆時水流與泳衣之間的摩擦阻力有明顯效果，本試驗(yàn)通過采用疏水SiO2氣凝膠材料對泳衣進(jìn)行拒水處理，可改進(jìn)泳衣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在原有仿生學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，有了進(jìn)一步的發(fā)展和改良，使其減阻性能有所提高，其具有廣闊的發(fā)展空間。