特殊浸润性仿生织物的研究现状

东华大学化学化工与生物工程学院，上海 201620

人类社会发展至今，大自然功不可没，许多发明创造都来源于大自然的启示。自然界中许多动植物因存在特殊的结构而具有特殊浸润性，其在许多应用中至关重要。荷叶具有高的疏水性及低的黏附力，展示了很好的自清洁效果。荷叶的微表面由许多凸起和三维蜡状小管构成，这种结构使得水滴与荷叶的接触面积很小，故造成了超疏水现象[1]。一些蝴蝶的翅膀上具有类似棘轮的鳞片，这些鳞片可形成各向异性的超疏水表面，促使水滴从蝴蝶身体表面离开[2]。沙漠中的甲虫背部有图案形状的润湿性区域，可以从雾气中收集水分，并将水分从被蜡覆盖的疏水区域传输到亲水区域[3]。受这些有趣现象及特殊结构的启发，科学家在特殊浸润性材料方面进行了大量研究，取得了很大的进步。研究表明，将这些生物的独特结构用于材料设计，对于实现材料所需的润湿性和相关功能性起着至关重要的作用。

尽管特殊润湿性的实现方法是近年引人注目的主题，但自1940年以来，表面防水剂已在纺织工业得到很好的应用。有两个著名的例子，即Wenzel方程和Cassie方程都是考虑了织物的润湿性而产生的[4]。将特殊浸润性赋予织物，可增加织物的功能性，满足不同环境条件对织物的功能性要求。本文从自然界中具有特殊浸润性的几种生物出发，阐述特殊浸润性在织物中的实现方法及应用方向。

1 特殊浸润性仿生织物的制备方法

在织物中实现特殊浸润性的关键主要是改变织物表面粗糙度及表面能，其方法有很多，主要有静电纺丝法、物理法。

1.1 静电纺丝法

静电纺丝[5]是用于生产特殊浸润性仿生织物较有前途的技术之一。静电纺丝法操作容易，而且有许多可控参数，可通过调整这些参数获得所需要的表面形状。静电纺丝系统基本上由三个主要部分组成：进料系统、高压电源及收集装置。静电纺丝所用的前体可以是聚合物溶液、熔体或溶胶-凝胶等。泵以恒定速率将前体推入电场。电场力对抗前体的表面张力，使前体由液滴状转换成称为泰勒锥的圆锥状。当电场力增加到可以克服前体的表面张力时，前体形成薄射流从泰勒锥射出，最后在收集装置上形成纤维网。通过静电纺丝法，可以获得各种微米纤维或纳米纤维。

DONG等[6]利用静电纺丝法制备了一种双层织物，其中一层是由亲水性聚丙烯腈纳米纤维形成的厚层，另一层是由疏水性聚苯乙烯纳米纤维形成的薄层，后者又包括纤维层有孔及纤维层无孔两种，然后在聚苯乙烯纳米纤维层通过原位聚合聚多巴胺以改变其润湿性。结果表明，聚苯乙烯纳米纤维层中有孔的织物比无孔的织物具有更好的毛细效应。WU等[7]利用静电纺丝法将PVA/戊二醛溶液在钢丝网上形成PVA膜，再通过静电纺丝法将一层PU纤维膜覆盖在PVA膜上；然后，将复合膜置于气态HCl中，使PVA与戊二醛交联；最后，将复合膜从钢丝网上剥离，得到法线方向具有不均匀润湿性的复合膜。

1.2 物理法

物理法有浸渍法、涂层法等，是生产功能性织物的常见方法。WANG等[8]采用溶胶-凝胶法制备了TiO2-SiO2混合材料，所用方法类似于由四异丙醇钛和原硅酸四乙酯制备TiO2-SiO2混合材料的方法，不同之处在于WANG等使用了两种有机硅烷(十六烷基三甲氧基硅烷和3-三甲氧基甲硅烷基丙硫醇-1)；然后，将得到的TiO2-SiO2混合材料通过浸渍法对聚酯织物进行整理，得到超疏水聚酯织物；最后，对超疏水聚酯织物的一面照射紫外光，照射面逐渐由疏水变为亲水，故在法线方向形成湿度梯度。ZHOU等[9]报道了一种化学性能稳定的超疏水织物，采用涂层法，所用试剂为聚(偏二氟乙烯-氟代丙烯腈)(PVDF-HFP)、氟代烷基硅烷(FAS)和挥发性溶剂(如丙酮)的混合溶液。LIU等[10]对棉织物的一面进行泡沫涂层整理，使此面具有超疏水性，而未处理的另一面保持棉织物原有的亲水性。

2 特殊浸润性仿生织物的应用

目前，特殊浸润性材料已成为先进材料发展的热点。随着对具有超润湿性能的多功能先进材料的需求日益增加，特殊浸润性材料吸引了科学家和研究人员的关注，他们开发了能实际应用的具有特殊润湿性表面的织物。

2.1 自清洁

通常，超疏水表面的水接触角大于150°并具有超低滑动角，即具备了自清洁性能。

LIN等[11]研究了一种自清洁棉织物，其表面涂覆了由SiO2纳米颗粒和含氟聚合物形成的超疏水和超疏油薄膜。当水滴或油滴在该织物表面滚动时，可以带走织物表面的灰尘。LI等[12]将花状的TiO2微米和纳米颗粒涂覆在棉织物表面，再利用氟烷基硅烷改性，得到的超疏水棉织物具有超级抗润湿性能，同时具备自清洁和油水分离的能力。PANDA等[13]采用三氯十八烷基硅烷和无氟苯基三乙氧基硅烷两种硅烷作为涂覆剂，通过溶液浸渍法涂覆于棉织物表面，然后将水滴滴在被灰尘污染的涂覆织物上，考察其自清洁性能，并与未涂覆织物比较。结果表明，在涂覆织物表面，水滴很容易滚落并带走织物表面的灰尘颗粒，即具有自清洁性。LIU等[14]将碳纳米管组装到棉纤维表面，在棉织物表面形成凸起，得到具有人造荷叶表面效应的棉织物，这也是一种制备仿生疏水纺织品的途径。

2.2 油水分离

1991年波斯湾和2010年墨西哥湾发生的溢油事件对环境造成了巨大的不良影响[15]。为了减少石油泄露事故及工业含油废水对水态环境和人类的可持续发展造成的危害，研究人员提出了许多方法清理石油，其中，利用过滤材料进行清理，所收集的油可循环利用且不会造成二次污染，被认为是最有前景的方法之一。然而，许多传统过滤材料具有分离效率低、工艺复杂、设备特殊等缺点，这限制了它们的大规模生产和应用。因此，通过简单、经济、高效的方法制造油水分离功能性材料是十分必要的。具有特殊浸润性的纺织品因其在高恶劣条件下具有吸收能力强、柔韧性好、使用范围广等优点，在油水分离领域具有很大的应用前景。

ZHANG等[16]采用化学气相沉积(CVD)法在聚酯基底上沉积硅纳米丝，得到了超疏水织物。结果表明，此织物拒水，又能从油水溶液中吸收油，但是吸收的油不易从织物中回收利用。WANG等[17]在棉织物的一面接枝甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)，另一侧接枝聚二甲基硅氧烷(PDMS)，得到了一侧疏水、另一侧亲水的棉织物，其能起到过滤器的作用，可从各种简单的油水混合物中和各种水包油乳液中分离出油，且分离效率高。GORE等[18]采用静电纺丝法在棉织物的一侧覆盖一层疏水的PLA纤维膜，得到的双层织物可以有效地进行油水分离。

2.3 其他应用

基于以往的研究，人类从大自然中学到了许多知识，并设法制作出仿荷叶等特殊浸润性仿生织物。特殊浸润性仿生织物具有许多重要性能，如自清洁、油水分离等。此外，特殊浸润性仿生织物在水/雾收集、防冰方面也具有良好的应用潜力。WANG等[19]受到蜘蛛丝和沙漠甲虫的启发，结合表面粗糙度及低表面能，在棉织物表面构造出具有光诱导效应的超疏水区域，其在光照条件下形成亲水性凸起，最终得到的织物具有高效的集水能力。LEE[20]制备了具有防冰性能的非织造土工织物，与未处理织物相比，前者具有很好的除冰和防冰性，还发现基材的表面形态和表面张力对防冰性能有很大影响。

3 结论与展望

对仿生特殊润湿性进行研究，已经开发出许多具有特殊润湿性的织物，但是其大多数仅限于实验室研究，尚不适合工业规模生产。因此，需进一步研究，开发出简单且工业上兼容的方法，以获得具有足够力学性能和热稳定性的特殊浸润性仿生织物，从而在现实生活中应用。本文从自然界中具有特殊浸润性的生物出发，总结了目前制备特殊浸润性仿生织物的方法及应用。

大自然是一所学校。自然界为科学家和工程师等研发人员提供了巨大的灵感。仿生材料的研发是未来几年非常有希望的科学和技术挑战之一。将理论模拟与现代分析技术和工具相结合，做进一步探索，特殊浸润性织物的应用前景将更加广阔。