基于水基無氟方法制備單向導水織物研究

摘 要：單向導水織物在吸濕排汗服飾、土壤穩定、水資源管理、農業、環境保護等領域中廣泛應用，但是目前制備單向導水織物往往使用有機溶劑和含氟化學品，對環境、人體健康等造成危害。本文基于水基無氟方法制備單向導水織物，先對織物進行聚多巴胺涂層處理，然后將十六烷基三甲氧基硅烷水解產物通過靜電紡絲的方法噴涂在聚多巴胺修飾的織物單面，形成防水的單面。由于沒有噴涂的一面保持超親水的特性，織物就形成了從超親水到超疏水的梯度結構，從而具有單向導水的性質。此制備方法安全環保，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：水基；無氟；單向導水；織物

中圖分類號：TS190.8" " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " 文章編號：1674-2346（2024）02-0001-04

Study on the Preparation of Directional Water Transport Fabrics Basedon Waterborne Fluoride-Free Method

FU Sida1，2，3" " LU Chundan2" " TANG Quanquan2" " CAO Lixia2" " ZHANG G

ang" " LIU Yanmei2" " LIU Hongtao1

（1.School of Chemical Engineering amp; Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou， Jiangsu 221000，China;2.Zhejiang Meixinda Textile Printing and Dyeing Technology Co.，Ltd.，Huzhou， Zhejiang 313000，China;3.China-Australia Institute for Advanced Materials and Manufacturing，Jiaxing University，Jiaxing，Zhejiang 314000，China）

Abstract： Directional water transport fabrics have found extensive applications in various fields such as moisture-wicking clothing，soil stabilization，water resource management，agriculture，environmental protection，etc. However，the current manufacturing process of directional water transport fabrics often involves the use of organic solvents and fluorinated chemicals，posing hazards to the environment and human health.This paper introduces a waterborne，fluorine-free approach for producing directional water transport fabrics.The fabric is initially treatedwith a polydopamine coating，followed by the application of hexadecyltrimethoxysilane hydrolysis products using electrospinning on one side of the polydopamine-modified fabric，creating a water-resistant surface.Since the untreated side retains its superhydrophilic properties，the fabric forms a gradient structure ranging from superhydrophilic to superhydrophobic，thereby exhibiting directional water transport property.The preparation method is safe and environmentally friendly，and has wide application prospects.

Key words： waterborne;fluoride-free;directional water transport;fabric

單向導水織物是一種新型材料，它在吸濕排汗服裝、現代工程、建筑、農業和環境保護等各領域都發揮著重要作用[1-3]。單向導水織物，通常由聚合物纖維制成，一側具有透水性，另一側防水或防滲透。這種特殊結構使得水分能夠單向滲透，從而有效地控制液體的流動。單向導水織物通常具有以下特點：（1）單向導水織物的核心特性是卓越的單向透水性能[4]。這使得它們在水分控制、排水和過濾應用中非常有效。（2）單向導水織物具有較好的防水性能，可以有效地阻擋水的滲透。這使得它在一些防水工程中能夠被用于隔離不同水體或阻止地下水的滲透。（3）單向導水織物通常具有足夠的強度和穩定性，以承受土壤或水的壓力，同時防止土壤侵蝕和結構損壞[5]。（4）單向導水織物通常能夠抵御化學物質、微生物和紫外線的腐蝕，保持長期穩定性[6]。（5）多數單向導水織物制造材料是可回收的，有助于減少環境負擔[7]。總之，單向導水織物是一種新型面料，以卓越的單向透水性能和可持續發展潛力脫穎而出。在應對水資源管理、土壤保護和環境保護等挑戰方面，它為我們提供了一種強大的工具，有望在未來發揮重要作用。

目前單向導水織物的制備過程中存在兩個問題難以克服：（1）使用含氟的化學品作為防水一面的涂層材料。含氟化學品在許多工業和消費品中使用廣泛。然而，含氟化學品可以引起環境和健康方面的危害。環境危害，含氟化合物具有生物富集的性質，這意味著它們可以在環境中積聚，并在生物體內累積，從而引起生態系統的潛在問題。含氟化學品可以滲透到地下水和土壤中，并引發污染問題。例如，全氟化合物（PFAS）已被發現在地下水中，引起了嚴重的污染問題[8]。健康危害，含氟化合物與多種健康問題相關，包括癌癥、免疫系統損害、生殖問題和肝臟損傷。高濃度的含氟化合物可以導致急性中毒癥狀，如嘔吐、腹瀉、中樞神經系統抑制和代謝紊亂。含氟化合物的釋放和積聚可能對動植物造成危害，對水生生態系統和陸地生態系統產生負面影響，威脅生物多樣性[9]。（2）使用有機溶劑來制備單向導水織物。有機溶劑的使用可以引起一些潛在的危害，主要涉及環境污染和工作場所健康風險。有機溶劑的使用可能導致揮發性有機化合物（VOCs）的釋放，這些化合物在大氣中揮發后可以與其他污染物反應，形成臭氧和細顆粒物，從而導致大氣污染[10]。有機溶劑未經適當處理，它們可能被排放到水體中，導致水污染。這可能對水生生物和水體生態系統造成危害。有機溶劑通常具有揮發性，可以在工作場所的空氣中揮發，工作人員可能會吸入這些化合物。長期暴露于高濃度的有機溶劑環境中可能導致健康問題，包括頭痛、眼睛和呼吸道刺激、神經系統損傷和免疫系統問題。許多有機溶劑具有易燃性，如果不適當處理或儲存，可能導致火災和爆炸風險[11]。使用大量有機溶劑可能導致資源浪費，并對可持續性造成挑戰。廢棄的有機溶劑可能需要特殊處理或處置，這可能對環境造成額外的負擔。

綜上所述，使用水基無氟的方法來制備單向導水織物顯得非常迫切。多巴胺在微堿性水溶液中可以自發聚合形成聚多巴胺，聚多巴胺涂層具有非常好的親水性質，經常用來對材料表面進行親水修飾改性。同時，聚多巴胺涂層中具有大量的活性基團，可以與幾乎所有的物質形成化學鍵和非化學鍵，被稱為“萬能膠粘劑”。本文先對織物進行聚多巴胺涂層的修飾，使織物形成超親水的性質，同時為后續的單側超疏水涂層修飾提供平臺。將十六烷基三甲氧基硅烷水解產物通過靜電紡絲的方法噴涂在聚多巴胺修飾的織物單側，形成防水的單面。由于沒有噴涂的一面保持超親水的特性，織物就形成了從超親水到超疏水的梯度結構，從而具有單向導水的性質。

1" " 實驗原料

鹽酸多巴胺、十六烷基三甲氧基硅烷、氨水（28%）、鹽酸（37%），購買于阿拉丁試劑公司。滌綸布料購買于湖州本地面料商店。

2" " 實驗測試

使用接觸角測量儀（KSV Model CAM 101）測量接觸角。在掃描電子顯微鏡（SEM、Zeiss Supra 55VP）上觀察織物的表面形態。傅里葉變換紅外光譜（FTIR），光譜是在Burker Vertex 70 FTIR光譜儀上以衰減全反射（ATR模式）獲得。透氣性測試通過透氣性測試儀（FX 3300透氣性測試儀III，Textest AG-質量控制測試儀器，瑞士蘇黎世）根據BS 5'636（英國）標準進行檢查。

3" " 制備方法

（1）滌綸織物浸泡在4%的多巴胺溶液中（pH值8.5，用氨水調節）1分鐘，然后放置在室溫下過夜晾干。（2）配制2%的十六烷基三甲氧基硅烷水溶液，pH值調節至2（用鹽酸調節），然后室溫下攪拌1小時，形成均勻的十六烷基三甲氧基硅烷水解產物。（3）十六烷基三甲氧基硅烷水解物加入到50毫升的注射器中（針頭型號為21G，內徑0.8毫米），將注射器裝入靜電紡絲裝置中，設置的速率為10毫升/小時，電壓為20千伏的直流電，針頭距離布料的距離為5厘米。目標織物附著在一個鋁制旋轉滾筒上（長度為41厘米，直徑10.5厘米，轉速2.5轉/分鐘）。噴涂1分鐘后，織物放置入烘箱130度加熱30分鐘，單向導水織物就制備完成。

4" " 結果與討論

文獻中的聚多巴胺處理方法是將基質浸泡入多巴胺的堿性溶液中較長時間，通常為12小時以上。這樣處理的缺點是基質上聚多巴胺涂層太厚并且不均勻。此文中采用新穎的方法進行聚多巴胺改性，僅僅將待處理的織物浸泡在多巴胺水溶液中1分鐘，然后在空氣中晾置。由于織物是多孔結構，可以吸收一定量的多巴胺水溶液包圍在每根纖維表面。在水分揮發的過程中，聚多巴胺涂層已經形成在纖維表面。從圖1可以看出，制備的樣品涂層均勻，為后續處理提供了較好的平臺。

圖2為聚多巴胺處理前后的織物紫外可見光譜圖，從圖中可以看出，處理后的織物不僅在紫外區，而且在可見光區都具有較低的透射率。說明織物在聚多巴胺處理后具有紫外光和可見光屏蔽的效果，這種優異的性質可以提高改性后的織物在日光照射環境中的穩定性，為織物進一步的應用提供了很好的前景。

從紅外光譜圖3中可以發現，處理后的光譜圖在 1560厘米-1處的峰明顯增強，此處是NH2-基團伸縮振動引起的，說明聚多巴胺涂層已經修飾在織物上。NH2-基團具有優異的親水效果，也同時說明改性后的織物具有優異的超親水性質。

利用靜電紡絲的方法，對聚多巴胺處理后的織物進行單向噴涂一層十六烷基三甲氧基硅烷水解產物涂層，可以形成單向導水織物。圖4 a是沒有噴涂十六烷基三甲氧基硅烷水解產物涂層的一面，當水滴滴在表面后，織物展現出超親水性質，水滴很快在表面鋪展開。b是噴涂十六烷基三甲氧基硅烷水解產物涂層的一面，當水滴滴在表面后，水滴會透過織物，從超疏水的一面透到超親水的一面，實現了單向導水的功能。

使用靜電紡絲機對聚多巴胺處理后的織物進行單向噴涂后，觀察掃描電鏡圖。圖5 a中纖維表面光滑，是原始的樣品。b中有一些小的粗糙顆粒，是聚多巴胺涂層處理后造成的。c中纖維的粗糙度明顯提高，是由于又涂敷了一層十六烷基三甲氧基硅烷水解產物涂層。從掃描電鏡圖中可以發現，聚多巴胺涂層和十六烷基三甲氧基硅烷水解產物涂層都已經修飾在纖維表面。

為了探討十六烷基三甲氧基硅烷水解產物涂層的厚度對形成從超親水到超疏水的梯度結構的影響，我們對比了不同噴涂時間的織物潤濕性質。從表1可以看出，噴涂20秒后，噴涂側的潤濕性從超親水變成親水，不能形成單向導水梯度結構。噴涂40秒至80秒后，可以形成單向導水性質。噴涂120秒后，整個織物都被十六烷基三甲氧基硅烷水解產物滲透，形成了超疏水織物。

織物的透氣性是重要的性質之一，對單向導水處理前后的樣品進行透氣性實驗，從圖6可以發現，相比于處理前，單向導水織物處理后的透氣性只是略微有一點下降，并不影響實際的應用。

5" " 結論

單向導水織物因其廣泛的應用前景受到了較多的關注。本文克服了目前制備過程中使用有機溶劑和含氟化學品的缺點，成功實現了水基無氟方法制備單向導水織物。制備的樣品具有均勻的涂層外觀和優異的單向導水效果，同時沒有影響織物的透氣性。這種安全環保的制備方法為單向導水織物的大規模應用打下了良好的基礎。

參考文獻

[1]賀鵬霖，李林，張艷艷，等.單向滲水地膜在烤煙種植上的應用與探索[J].農業開發與裝備，2021（9）：154-155.

[2]Xu L.Design and preparation of unidirectional liquid transport surfaces with gradient wettability[J].ACS Applied Materials amp; Interfaces，2022（10）：8796-8805.

[3]Chen H，Zhang L，Zhang P，et al.Bioinspired Surfaces：A Novel Bioinspired Continuous Unidirectional Liquid Spreading Surface Structure from the Peristome Surface of Nepenthes alata （Small 4/2017）[J].Small， 2017， 13（4）.

[4]董彪，成強.警用面料的單向導水性能與單向傳遞指數測試分析[J].中國纖維，2023（8）：65-66.

[5]熊路，石磊，王聞宇，等.基于潤濕性梯度設計的單向導水/油多孔材料研究進展[J].化工進展，2022（41）：2526-2535.

[6]江燕婷，嚴慶帥，辛斌杰，等.紡織品單向導水性能測試方法分析[J].紡織學報，2021，42（5）：51-58.€？

[7]蔣佩林，黃晨，李晶，等.殼聚糖/PBT單向導水非織造材料的制備及性能[J].東華大學學報（自然科學版），2019，45（3）：339-344.€？

[8]姜忠峰，梁峰，劉艷偉，等.全氟化合物的危害和治理[J].生態經濟，2022，38（4）：5-8.

[9]羅佳璐，邵兵，劉嘉穎.全氟/多氟烷基化合物的毒理學研究進展及新型替代物健康危害[J].食品安全質量檢測學報，2022，13（18）：5983-5991.

[10]張維森. 烴類有機溶劑職業病危害的預防與控制[J]. 中國工業醫學雜志，2008，21（2）：129-131.

[11]楊光濤，香映平，朱曉玲，等.深圳市39家電子企業有機溶劑職業病危害現狀調查[J].中國職業醫學，2019，46（3）：403-406.

基金項目：中國博士后科學基金第73批面上資助（2023M733741）

第一作者簡介：符思達，男，講師，博士。研究方向：多功能超潤濕材料

通訊作者：劉洪濤，男，教授，博士。研究方向：超浸潤材料，耐磨材料，生物摩擦學及納米材料