采用PDMS/SiO2气凝胶材料制备的泳衣超疏水性能研究

余腾飞

(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 710300)

泳衣这一运动装备在长时间的不断演化中，已经逐渐从一种单纯的运动服饰转变为一种能够极大影响游泳运动员竞技成绩的现代装置；现代泳衣可以利用材料的种种特性使身体变成流线型，在一定程度上可减少水对人体的阻力[1]。因此，随着现代材料科技与运动领域尤其现代泳衣生产领域的融合，运动员游泳成绩正越来越受到泳衣的影响。根据以往研究及多项职业游泳竞赛统计结果显示，自由泳是受技术因素影响最小的游泳项目，因而国际田联针对自由泳项目进行了多项外部着装规定。其中有一条规定男子自由泳项目泳衣最多仅能覆盖腰部到膝盖以上部分，腰部以上及膝盖以下部分不能穿着泳衣；女子自由泳项目泳衣仅允许覆盖肩部至膝盖部分，臂部及小腿部分同样不允许穿着泳衣；泳衣材质必须为纺织织物。这些规定基本上代表部分高科技性泳衣如“仿鲨鱼皮泳衣”等已经基本无缘高水平游泳竞技。

1 实验材料和方法

1.1 材料制备

在进行材料处理时，首先需要将材料的涂层去掉，然后将具有特殊分子结构的整理剂(氟整理剂和拒水增效剂等)添加在泳衣表面，破坏其表面结构，最后使之进行结合。泳衣拒水性减小只要表现于水流在泳衣表面滑落时不会被打湿，从而可减少相互之间的阻力[2]。

1.1.1原拒水涂层处理

在开展实验之前应将原泳衣拒水涂层进行处理，用于降低实验误差。泳衣在水温为30 ℃环境中，进行洗涤晾干，再将其浸泡在乙酸(C2H4O2)中15 min，然后在温度低于20 ℃的冷水中洗至中性；将再次洗涤后的泳衣放入水温为90 ℃的水中(含有8%的NaOH)搅拌15 min，再用水温大于80 ℃的热水进行清洗至中性。最后，在将处理过的泳衣放入C2H4O2溶液中浸泡15 min，再用水温低于20 ℃的水洗至中性。

1.1.2拒水整理

对泳衣进行拒水整理通常需要借助拒水增效剂和整理剂(需含氟)，将质量浓度为80 g/L的织物整理剂FP-1和水加入容器中，再加入质量浓度为1 g/L乙酸调节酸碱性，直至pH值为5.5左右；然后，添加质量浓度为5 g/L的增效剂和渗透剂——质量浓度为4 g/L氯化镁缓慢搅拌约8 min，直至拒水整理剂混合均匀。最后，对泳衣进行拒水整理前，先将物品放置CH3COOH溶液中进行浸泡，自然晾干之后在放入混合溶液中进行1 h浸泡，再进行烘箱干燥(120 ℃)和焙烘(170 ℃)。对泳衣进行拒水整理需要将以上程序重复3次[3]。

1.1.3补强拒水整理

补强拒水整理一般采用十七氟癸基三甲氧基硅烷(C13H13F17O3Si)等氟硅烷类低表面能物质进行。将经过一系列处理的泳衣浸泡在氯硅烷含量为0.5%的乙醇(C2H6O)溶液中，进行30 min的超声处理后，在常温中进行干燥处理，最后在温度为120 ℃的环境中，进行1 h的烘干处理。

1.1.4纳米改性溶胶

准备一个含有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)进行混合；配制一个氨水(NH3·H20)和乙醇(C2H6O)的混合液(5 mL的NH3·H2和75 mL的C2H6O进行混合)，将混合溶液逐滴加入瓶中，在常温下进行12 h的分解；之后在改性溶胶中放入泳衣样布，进行30 min的超声处理。然后，置于常温中进行干燥，最后一步将其于温度120 ℃条件下进行1 h的烘干处理。

1.2 试样的测试

1.2.1疏水性能

利用视频接触角测试仪对涂覆纳米材料以后的试样水接触角进行测量，将处理后的试样用双面胶平整铺设于载玻片上，保证各组试样的厚度相同；在试样正上方用滴管滴下3 μL液滴(改性溶胶)，进行水接触角测量得到各组试样的水接触角。

1.2.2拒水级别

根据GB/T 4745—1997测试样品泳衣的拒水级别，设定测试环境水温为28 ℃左右，将各类样品泳衣进行4次试验，然后在将图片跟样品进行对比，以此判定样品泳衣的拒水性[4]。

1.2.3耐水洗性能

根据GB 12799—1991进行耐水性测试，设定温度为30 ℃左右，洗涤剂质量浓度为2 g/L，织物和洗液比为1∶30；将样品泳衣进行重复洗涤约30次后，再对其拒水性能进行测试。

1.2.4测试对比包裹物漂浮

(1)装置测试点：游泳水槽是水平放置的，因此水槽内的水流速度是恒定的。包裹物漂浮测试装置示意图具体如图1所示；

图1 包裹物漂浮测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of floating test device

(2)测试方法：将空白漂浮物、未经处理的样品泳衣和拒水处理后的样品泳衣放置在流程和流速相同的环境中，将样品泳衣与漂浮物运动时间记录和分析。每个漂浮物进行实验115组，优选误差在<5%的25组实验数据中[5]。

1.2.5样品测试人员

(1)该测试运动员均为国家二级水平以上，平均年龄在17岁左右，身高在177 cm左右，体重在65 kg左右，同时该人员均经过至少2年的专业训练；

(2)测试方法：该测试距离为100 m，全程采用自由泳(受技术影响最小)，着装随机为连体及膝泳裤，每件只穿1次。测试时间为3 d(分别为第1天上午、第1天下午和第2天下午)，在正式测试前均有2 000 m的试前准备活动;

(3)测试条件：将室内温度控制在30 ℃，湿度为60%适宜，水温为28 ℃。

1.2.6统计方法

该试验的统计处理是采用统计软件SPSS15.0进行，将采集的数据样本(独立小样测试和配对小样测试)组间差异分析进行。

2 结果与讨论

2.1 拒水泳衣的疏水性能

如表1所示为接触角与材料疏水性关系，利用纳米技术完成拒水处理后水接触角会发生变化[6]。

表1 接触角与材料疏水性关系Tab.1 Relationship between contact angleand material hydrophobicity

由表1可知，材料水接触角越大表明该材料的疏水性越强。通过处理前、后对进口泳衣水接触角度进行的分析可知，在利用纳米技术完成拒水处理后能够获得更大的水接触角，达到了156°左右，约提升38°，表明经过处理后的泳衣明显具备更加优异的疏水性。

2.2 拒水级别

泳衣在经过拒水处理后，其抗湿性能有了很大提高，从未处理的3级拒水级别达到了5级；拒水级别测试结果如表2所示。

表2 拒水级别测试结果Tab.2 Test results of water repellency level

2.3 耐水洗性能测试

研发出的拒水比赛泳衣未发现湿润现象，经过重复30次的洗涤实验，泳衣的拒水性能级别为5级，有较高的耐水洗性优势；具体结果如表3所示。

表3 耐水洗性能测试结果Tab.3 Test results of washability

由表3可知，本试验选用的样品泳衣具有一定拒水条件；因此，在研制具有超拒水表面的泳衣时，一般采取2种方式相结合(构造粗糙表面和降低织物表面能)的方法，该方法可以有效增强减阻效果[7]。先去除原泳衣拒水涂层；在处理后的泳衣表面添加拒水增效剂和整理剂(需含氟)，进行补强拒水整理，该处理需要使用低表面能物质进行(硅烷、氟硅烷类)。经过处理的泳衣有水流从表面滑落，不会被打湿，这表明泳衣与水流之间摩擦阻力变小。当水流顺着人体表面扩展时，这说明液体与固体浸润现象；浸润的程度多是用于接触角来反应；接触角通常是指在气(空气)、液(水)和固体(人体)相交点处，空气到水面的切线穿过水与人体到水的交界线之间的夹角。当水与某物品的表面接触角大于150°时，则表示测试的物品表面为超疏水性表面；该测试中拒水处理的样品泳衣接触角达到了156°，比未处理样品泳衣提高了38°，达到了超疏水的目的。

2.4 包裹物漂浮测试

表4为包裹物漂浮测试结果。

表4 包裹物漂浮测试结果Tab.4 Results of floating test

由表4可知，未经处理样品与空白漂浮物组样品相比其运动时间增加了0.421%，且具有统计学意义(P<0.05)；经过拒水处理后的样品与空白漂浮物组样品相比，其运动时间增加了1.623%，且具有统计学意义(P<0.05)。经处理后的样品运动时间同样有所增加，说明差异具有显著性意义。

2.5 泳池测试

表5为泳池测试结果。

表5 泳池测试结果Tab.5 Swimming pool test results

由表5可知，运动员在进行100 m自由泳测试中，穿着拒水处理后样品的选手其100 m自由泳使用时间比穿着未经处理样品选手其100 m自由泳使用时间少1.25 s，且本组试验具有统计学意义(P<0.05)；穿着拒水处理后样品的选手其100 m自由泳使用时间与最好成绩选手的时间相比增加0.47 s，且差异没有显著性意义(P>0.05)。

影响游泳运动员成绩的不单是着装，还有运动员的形体和技术动作等；而运动员的形体和技术动作与压差阻力和形状阻力具有较大的关系[9-10]。当运动员的身体发育稳定后，想要提高游泳运动员的游泳速度，可以从人体与水的摩擦阻力出发。泳衣对减小人体与水的摩擦阻力具有一定的作用，因此选取好的泳衣对于提高游泳速度具有重要意义；同时，可以减少穿着者的能量损耗。材料的选择对泳衣的设计具有重要影响，材料在一定程度上可以减少人体与水的阻力，帮助运动员降低能力损耗。

3 结语

拒水泳衣通过使用低表面能物质(FAS)对涂层进行补强拒水处理后，在进行TEOS添加纳米技术处理，届时水流与泳衣之间的摩擦阻力有明显效果，本试验通过采用疏水SiO2气凝胶材料对泳衣进行拒水处理，可改进泳衣的设计结构，在原有仿生学设计的基础上，有了进一步的发展和改良，使其减阻性能有所提高，其具有广阔的发展空间。