基于接觸角法表征紡織品表面潤濕性應(yīng)用研究

冰選++++張鵬++++鄭錦維

摘要：

紡織品在日常使用中會接觸到各類液體，表面潤濕性是其表面性質(zhì)的重要特征之一，是與其實(shí)際使用要求密切相關(guān)的一項(xiàng)性能。本文重點(diǎn)詳述了紡織品表面潤濕性的現(xiàn)象和原理，接觸角試驗(yàn)方法，接觸角在紡織品表面潤濕性中的應(yīng)用及研究狀況。

關(guān)鍵詞：接觸角;表面潤濕性;躺滴法;超疏水表面;荷葉效應(yīng)

隨著生活質(zhì)量的提高和科技水平的進(jìn)步，人們對紡織品的性能也提出越來越多的要求。表面潤濕性是紡織品的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評價其具有拒水性/親水性的項(xiàng)目之一。例如醫(yī)用防護(hù)服、手術(shù)單、戶外運(yùn)動服裝、墻布、桌布、雨衣、防雪服等產(chǎn)品都對表面潤濕性有不同的要求，以確定其是否能夠滿足實(shí)際環(huán)境的應(yīng)用。

接觸角試驗(yàn)方法通過測量紡織品表面與液體之間的接觸角大小，得到可量化的接觸角值來表征紡織品的表面潤濕性，還可以通過觀察紡織品表面接觸角的變化情況了解其潤濕過程。

1 ? ?表面潤濕性

潤濕是固體表面上的一種流體被另一種流體所取代的過程，往往是指液體取代氣體的過程。表面潤濕性是液體在固體表面上附著的現(xiàn)象，是固體表面的重要性質(zhì)之一，也是自然界常見的一種界面現(xiàn)象。自然界中的荷葉、玫瑰花瓣和鱗翅目昆蟲翅膀等表面都存在特殊的微觀幾何結(jié)構(gòu)以及具有一定疏水性的化學(xué)組成，其表面與水滴的接觸角可以達(dá)到160°，水滴在這樣的表面很容易滾落，如圖1所示荷葉上的水珠，這種現(xiàn)象被稱為荷葉效應(yīng)。荷葉效應(yīng)理論已經(jīng)應(yīng)用到很多行業(yè)，而在紡織行業(yè)中，很多企業(yè)基于這種理論開發(fā)了具有荷葉效應(yīng)的織物，該類織物具有超疏水的能力。

圖1 ? ?荷葉效應(yīng)

著名的楊氏方程揭示了在理想的光滑表面上，當(dāng)液滴達(dá)到平衡時表面張力與接觸角之間的函數(shù)關(guān)系。一般當(dāng)固—液間的接觸角θ<90°時，認(rèn)為固體表面具有親水性質(zhì)，如圖2（a）所示;當(dāng)接觸角θ>90°時，認(rèn)為表面具有疏水性質(zhì)，如圖2（b）所示 [1]。

圖2 ? ?接觸角示意圖

紡織品的表面潤濕性通常包括對織物表面潤濕性和單根纖維表面潤濕性的研究。對于織物而言，它是纖維的集合體，纖維之間存在空氣，其表面潤濕是液體和纖維集合體之間的相互作用過程;而單根纖維的潤濕，則遵循固體表面的潤濕原理[2]。潤濕作用包括沾濕、鋪展、浸濕三種類型，對于織物來講，其表面潤濕性主要是沾濕和鋪展;而對于纖維以及染色工藝來講，其表面潤濕性主要是研究浸濕。

2 ? ?接觸角試驗(yàn)法

接觸角是在固—液—?dú)馊嘟唤缣?，作液—?dú)饨缑娴那芯€穿過液體與固液交界線之間的夾角，它是表面潤濕程度的度量，如圖2所示。接觸角是肉眼可以觀測到的一種界面現(xiàn)象，是液體與固體表面相互作用的直觀表現(xiàn)。將液體滴于織物表面，液體可能在織物表面形成一個具有一定接觸角的液滴并停留在織物表面，也可能鋪展開來并被織物吸收。接觸角的大小可以用來表征織物表面的潤濕性或者疏水性，接觸角越小，表明織物潤濕性越好，疏水性越差;接觸角越大，表明潤濕性越差，疏水性越好。

液滴的平衡是體系能量趨向最小化，使液滴在固體表面處于穩(wěn)定狀態(tài)，靜態(tài)接觸角是固—液—?dú)饨缑骈g表面張力平衡的結(jié)果?？椢锉砻娴臐櫇裥阅芤话悴捎渺o態(tài)接觸角表示，簡稱接觸角來衡量。常用的紡織品接觸角試驗(yàn)方法主要包括座滴法和Wilhelmy法，其中座滴法適用于織物的接觸角測量，而Wilhelmy法則適用于單根纖維接觸角的測量。

2.1 ?座滴法

座滴法是測量織物表面與液體間接觸角的一種最常用方法，也稱躺滴法，將規(guī)定體積的液滴直接滴在織物表面上，然后通過量角法、量高法、液滴形狀分析法和光反射法等方法來測量液滴在織物表面的接觸角。

（1）量角法：將一個液滴滴在織物表面，在獲得織物和液滴的清晰圖像后，在固—液—?dú)馊嘟唤缣幾饕骸獨(dú)饨缑娴那芯€，使用量角器直接量出接觸角大小的一種方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作方便快捷，缺點(diǎn)則是受試驗(yàn)人員的操作影響較大，精度較低，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)動態(tài)測量接觸角的變化情況。

（2）量高法：當(dāng)液滴的體積小于6μL時，可忽略重力作用對液滴形狀的影響，認(rèn)為液滴呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓或者標(biāo)準(zhǔn)圓的一部分[3]。將一個液滴滴在織物表面上，通過測量織物表面上液滴的高度和接觸面的寬度來計(jì)算接觸角，同時可以通過連續(xù)跟蹤測量液滴高度和接觸面的寬度來得到動態(tài)的接觸角變化情況。

（3）液滴形狀分析法：隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，其在接觸角測量中發(fā)揮了越來越重要的作用，計(jì)算機(jī)軟件可以通過使用液滴形狀分析算法來計(jì)算接觸角。常見的液滴形狀分析算法包括：多項(xiàng)式擬合法、Snake法、軸對稱液滴形狀分析法、Young-La-place方程數(shù)值綜合法和解析近似法等。液滴形狀分析法重復(fù)性好，誤差小，精確度高，已廣泛應(yīng)用于接觸角測量中[4]。

（4）光反射法：將液滴滴在織物表面后，將光源通過狹縫照射到三相交界處，通過改變光的入射方向，當(dāng)反射光剛好沿著固體表面發(fā)出時，可根據(jù)入射光與反射光的夾角計(jì)算接觸角，光反射法只能用于測定小于90°的接觸角，局限性大，并且操作繁復(fù)、難度較大。

2.2 ?Wilhelmy法

Wilhelmy法可用于測定液體的表面張力和液體在單根纖維上的接觸角，是由Wilhelmy于1863年提出的，根據(jù)其測量原理也將其稱為潤濕天平法。該方法基于Wilhelmy公式，對于浸沒在某一種液體中的物體：F=P·C·cosθ-（QL-QG）·V，其中F為潤濕力;P為潤濕周長;C為液體表面張力;θ為接觸角;QL為液體密度;QG為氣體密度。對于相當(dāng)細(xì)小的纖維來說，與總作用力相比，浮力約為總潤濕作用力的1%，可忽略不計(jì)，則F=P·C·cosθ。當(dāng)纖維與液體接觸時，潤濕力會給纖維一個拉力，或者是推力，通過測量纖維垂直與水接觸時的潤濕力，根據(jù)公式可以計(jì)算接觸角。

纖維表面并不是完全均質(zhì)且光滑的理想表面，因此其實(shí)際接觸角并不是如楊氏方程所預(yù)示的取值唯一，而是在兩個角度之間變化，這種現(xiàn)象稱為接觸角滯后現(xiàn)象。當(dāng)液體沿著纖維表面上升時，纖維的表面是由固—液界面代替固—?dú)饨缑?，該接觸角稱為前進(jìn)接觸角;當(dāng)液體沿著纖維表面下降時，纖維的表面由固—?dú)饨缑娲婀獭航缑妫Q為后退接觸角。通過采用前進(jìn)接觸角和后退接觸角的差值來表征接觸角的滯后性。

3 ? ?應(yīng)用研究

接觸角法在紡織品中的應(yīng)用包括：計(jì)算表面能、親水/拒水整理效果表征、染色、開發(fā)超疏水織物、纖維表面性質(zhì)和纖維和樹脂界面相容等方面。

3.1 ?計(jì)算表面能

表面能是固體表面特征和表面現(xiàn)象形成的主要推動力，是描述和決定固體表面性質(zhì)的重要物理量，表面能的計(jì)算與表征是許多自然現(xiàn)象和生產(chǎn)過程的理論基礎(chǔ)。至今為止尚未找到一種能夠從試驗(yàn)上直接測量固體材料表面能的試驗(yàn)方法，對于紡織品表面能的計(jì)算，應(yīng)用最廣泛的方法就是接觸角法，該方法通過測量織物與不同表面張力的液體之間所產(chǎn)生的不同接觸角去計(jì)算出紡織品的表面能[5]。用接觸角來計(jì)算固體表面能是基于楊氏方程的推導(dǎo)，由于楊氏方程只適用于化學(xué)性質(zhì)均一的理想光滑表面，因此研究學(xué)者在楊氏方程的基礎(chǔ)上，發(fā)展了很多計(jì)算表面能的方法，如Zisman法、Antonow規(guī)則法、Berthelot規(guī)則法、Good-girifalco法、Fowkes法、Owens法、幾何平均法、調(diào)和平均法和LW-AB法等[6]。

Wenzel理論認(rèn)為粗糙表面使得實(shí)際上固—液之間的接觸面要大于表觀觀察到的面積，增大固體表面粗糙度會使疏水表面更疏水，親水表面更親水，這種粗糙是指纖維表面的微納米級的肉眼不可見的粗糙。Wenzel只考慮了液滴在固體表面完全接觸的情況，Cassie-Baxter理論認(rèn)為當(dāng)固體表面具有很高的粗糙度時，液體與固體不完全接觸，部分與氣體接觸。在材料微細(xì)結(jié)構(gòu)化表面，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)尺度小于表面液滴的尺度，將有截留的空氣存在，于是表觀上的固—液接觸面將由液—固和液—?dú)夤餐M成[7]。

狄劍鋒等[8]為了比較各種紡織品表面能計(jì)算方法的結(jié)果差異，分別用Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法計(jì)算表面能，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，認(rèn)為Neumann法測量和計(jì)算最為簡單，Owens二液法最為常用。Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法在國際上被廣泛使用，但研究發(fā)現(xiàn)，它們都存在一定的局限性，這5種計(jì)算方法均可用于表面能大于20 mJ/m2的表面，但對小于20 mJ/m2的最好選用Neumann法計(jì)算[9]。

3.2 ?親水性/拒水性評價

劉嫻等[10]采用親水整理劑浸漬PP非織造布，然后以蒸餾水為試液，通過針管將水滴滴落在整理過的PP非織造布表面，測得其平衡接觸角為0°，即液體在織物表面完全潤濕，而整理前PP非織造布的接觸角為148°，通過整理前后非織造布接觸角的測量結(jié)果來表征其親水整理效果。黃鋒林等[11]研究了等離子體處理后丙綸纖維表面形態(tài)以及接觸角的變化，利用基于Wilhelmy原理的接觸角儀測量了纖維的動態(tài)接觸角，通過比較分析得出了等離子體處理后丙綸纖維的表面形態(tài)和表面接觸角的關(guān)系，結(jié)果表明等離子體處理技術(shù)能夠顯著降低纖維表面接觸角，改善纖維潤濕性能，發(fā)現(xiàn)表面粗糙是導(dǎo)致纖維表面后退角降低的主要原因。

3.3 ?染色性

丙綸纖維表面潤濕性差，使得其染色困難，限制了在服裝上的應(yīng)用，所以改善丙綸纖維的潤濕性具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。狄劍鋒等[12]為了改善滌綸纖維的染色性能，采用堿液對其進(jìn)行了表面處理，用動態(tài)接觸角儀測量表面處理后纖維的動態(tài)接觸角，用原子力顯微鏡測量了纖維表面的粗糙度，用分散染料對處理前后的纖維進(jìn)行染色，并用測色配色儀測試了樣品的染色深度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過表面處理后的纖維，表面粗糙度明顯增大，表面接觸角明顯減小，纖維上色速度明顯加快，可以減少染色時間10min以上且達(dá)到同樣的染色效果。

唐曉亮等[13]采用自行研制的常壓介質(zhì)阻擋放電連續(xù)處理裝置，在不同氣體（Ar，N2-Ar，O2-Ar）環(huán)境下分別對滌綸織物進(jìn)行表面改性處理。測量了滌綸纖維處理前后接觸角、毛細(xì)效應(yīng)和色差值等。結(jié)果表面經(jīng)過常壓低溫等離子體處理的滌綸織物，其染色性能和表面潤濕性能都得到了改善。

3.4 ?超疏水紡織品

通常將接觸角大于150°的表面稱為超疏水表面，具有超疏水表面的紡織品在表面自清潔、防雨雪、拒油、抗血液等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。超疏水透氣織物可用在軍用作戰(zhàn)服裝、戶外服裝、醫(yī)生手術(shù)服、帳篷、防雨服、防雪服等領(lǐng)域，具有巨大的市場和經(jīng)濟(jì)效益，使其成為紡織領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

王前進(jìn)等[14]以荷葉表面微納米結(jié)構(gòu)為參考模型，對棉織物進(jìn)行處理修飾，獲得了超疏水織物，水滴在該織物上表面接觸角可達(dá)160°?？椢镄纬傻奈⒓{米級粗糙度和ASO-1膜的存在是織物疏水的主要原因，微納米凸體能減少纖維與水的接觸面積，提高水在纖維表面的接觸角，使織物具有超疏水性。

制備超疏水表面主要有以下一些途徑：在纖維表面涂敷一層低表面能物質(zhì)，同時增加其表面的粗糙度;對纖維的親水基團(tuán)進(jìn)行改性，如將纖維素結(jié)構(gòu)的—OH等親水性基團(tuán)用其他疏水性基團(tuán)取代。

3.5 ?纖維表面性質(zhì)

李健等[15]研究了低溫等離子體處理對PBO纖維潤濕性的影響，通過芯吸效應(yīng)和接觸角法表征處理前后PBO纖維的潤濕性，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察處理前后纖維的表面微觀形貌，用X射線光電子能譜儀（XPS）對處理前后PBO纖維表面化學(xué)組成進(jìn)行定性分析。結(jié)果表明，改性后PBO纖維芯吸高度大幅上升，接觸角明顯降低，其表面產(chǎn)生明顯刻痕，局部有剝離現(xiàn)象，改性后PBO纖維O、N元素含量均有所提高。

4 ? ?結(jié)語

表面潤濕性是紡織品的一項(xiàng)重要指標(biāo)，采用接觸角法可以得到可量化的接觸角值來表征紡織品的表面潤濕性，可以直觀地觀察到液滴在紡織品表面的形狀和變化。同時接觸角法在紡織品的表面能計(jì)算、親水/拒水性改性評價、可染色性、超疏水表面、纖維表面性質(zhì)、界面相容性等方面都有廣泛的應(yīng)用，加強(qiáng)對紡織品接觸角試驗(yàn)方法和表面能理論的研究，有助于拓展和完善其在紡織品領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院）