紡織集水材料的制備及研究進(jìn)展

張松楠，李紅艷，劉佳明，張治斌，錢曉明

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387）

0 引 言

由于全球氣候變化、人口快速增長(zhǎng)、城鄉(xiāng)地區(qū) 發(fā)展以及日益嚴(yán)重的水污染問題，淡水資源短缺已成為廣泛關(guān)注的全球性問題。最新研究表明，世界上2/3 的人口（40 億人）每年至少有一個(gè)月生活在極度缺水的環(huán)境中，世界上有5 億人常年面臨嚴(yán)重的水資源短缺［1-3］。淡水資源短缺問題已經(jīng)引起研究者的廣泛關(guān)注。為緩解水資源短缺的難題，具有特殊浸潤(rùn)性或微納表面形貌結(jié)構(gòu)的集水材料或界面被相繼報(bào)道，但干旱和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的缺水地區(qū)更需要簡(jiǎn)單而廉價(jià)的替代品［4］。紡織品是全世界最常見和使用最廣泛的商品之一，具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單且可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的特點(diǎn)。更重要的是，紡織材料與薄膜或者平板類的材料相比，具有更高的透氣性和更大的比表面積，意味著紡織材料能夠更多地接觸到空氣中或者海洋上更多的霧和水分［5-7］。此外，由纖維或者紗線所觸發(fā)的毛細(xì)效應(yīng)可以保證水分的運(yùn)輸和供應(yīng)。目前，紡織類集水材料以其成熟的制備工藝，低廉的價(jià)格吸引了研究者的關(guān)注。

用于水收集的紡織材料及其復(fù)合材料按照集水路徑的不同可以分為2類：一類是用于海水淡化的光熱集水材料，利用太陽能進(jìn)行海水淡化，此過程涉及水的相變；另一類是霧水收集材料，利用環(huán)境中的霧汽進(jìn)行集水，此過程不涉及水的相變。這2類產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是無需消耗能量或僅需太陽光能，即可實(shí)現(xiàn)淡水的收集。利用太陽能淡化海水的紡織材料及其復(fù)合材料首先需要對(duì)材料進(jìn)行光熱處理，使材料具備光熱轉(zhuǎn)換的性能。紡織品由纖維及纖維制品構(gòu)成，纖維和纖維之間、紗線和紗線之間、紗線和纖維之間的毛細(xì)效應(yīng)會(huì)保證海水持續(xù)供應(yīng)到織物表面，再借助于織物表面光熱材料的光熱轉(zhuǎn)換性能，將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，實(shí)現(xiàn)水分的蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)淡水的收集。利用環(huán)境中的霧汽進(jìn)行集水的紡織材料及其復(fù)合材料，大多會(huì)引入仿生的設(shè)計(jì)構(gòu)思，借鑒自然界中生物的結(jié)構(gòu)［8-9］，主要靈感來自沙漠甲蟲［10-12］、蜘蛛網(wǎng)［13-15］、仙人掌［16-18］和豬籠草［19-20］等。制備具有特殊浸潤(rùn)性的紡織材料及其復(fù)合材料，通常在材料表面構(gòu)建潤(rùn)濕性梯度［21］、拉普拉斯壓力梯度［22］或者兩者相組合［23-24］，以優(yōu)化水的凝結(jié)、聚集和運(yùn)輸。實(shí)現(xiàn)干旱多霧地區(qū)的霧水收集，以滿足特定地區(qū)人類生活對(duì)淡水資源的需求。

目前，紡織材料越來越多地應(yīng)用于水收集領(lǐng)域。本文首先論述了紡織材料及其復(fù)合材料的浸潤(rùn)性模型及集水機(jī)理；其次，敘述了應(yīng)用于水收集的紡織品材料的制備方法，對(duì)比了不同紡織材料的集水效率；最后，總結(jié)出紡織集水材料的構(gòu)建要素，并展望紡織集水材料未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 浸潤(rùn)機(jī)理

1.1 浸潤(rùn)模型

200多年前，科研人員就開始了有關(guān)特殊浸潤(rùn)性的研究。英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊首先提出了浸潤(rùn)性概念，并提出了楊氏模型。在表面潤(rùn)濕性的研究過程中，研究人員提出了楊氏模型（Young 模型）、Wenzel 模型、Cassie 模型［25-29］等諸多模型，如圖1所示。

圖1 不同固體表面的浸潤(rùn)性模型［1 0］Fig.1 Wettability models for different solid surfaces

楊氏模型描述的是理想光滑表面的浸潤(rùn)性，表面接觸角可由楊氏方程表示：

式中：θ為固液-氣液的夾角；γSG、γSL、γGL分別為固氣、固液、液氣界面的張力。該模型僅適用于理想的光滑表面，但是材料表面很難做到絕對(duì)光滑?？紤]到粗糙度、非均質(zhì)性等因素的影響，Wenzel 和Cassie 進(jìn)一步完善并提出了表觀接觸角的理論模型。

化學(xué)均一的粗糙表面液滴的接觸角可用Wenzel模型表示：

式中：r為表面粗糙度，即結(jié)構(gòu)的總面積除以投影面積；θ*和θ分別為液滴在相同材料的粗糙表面和光滑表面的接觸角。其中，θ可通過楊氏方程得出，即

rcosθ＜1。

化學(xué)不均一的粗糙表面液滴的接觸角可用Cassie模型表示：

式中：fSL、fLA分別為液滴與固體表面接觸的面積分?jǐn)?shù)、液體與凹槽中含有空氣的粗糙表面接觸的面積分?jǐn)?shù)；θ1、θ2分別為液體與固體表面和空氣的接觸角。粗糙表面空氣充滿凹槽內(nèi)可以認(rèn)為是完全非浸潤(rùn)，此時(shí)，θ1=θ，θ2=180°，fSL+fLA=1，對(duì)Cassie模型的方程可以重新定義為

上述3種經(jīng)典模型分別描述了理想光滑表面浸潤(rùn)性和粗糙表面浸潤(rùn)性，被廣泛應(yīng)用于靜態(tài)液體接觸。

1.2 毛細(xì)效應(yīng)

紡織品的毛細(xì)效應(yīng)可以驅(qū)動(dòng)液滴從織物的一側(cè)運(yùn)輸?shù)搅硪粋?cè)。Laplace理論指出，固氣界面和固液界面都存在表面能，分別記為γSO和γSL。當(dāng)γSO＞γSL時(shí)，毛細(xì)管中的液體上升，其上升參數(shù)I為

當(dāng)I＞0時(shí)，固氣界面會(huì)被表面能小的固液界面替代，降低體系能量，這時(shí)毛細(xì)管中液體上升。設(shè)液面上升的液體柱高度為h，毛細(xì)管上升高度h表達(dá)式為

式中：γ為表面粗糙度；R為玻璃管半徑；θ為固液-氣液的夾角；E為液體柱的能量，包括表面能和重力勢(shì)能；ρ為液體密度；g為重力加速度。通過能量分析，可發(fā)現(xiàn)毛細(xì)效應(yīng)是一個(gè)自發(fā)的過程［30-33］。

1.3 光熱原理

光熱集水材料將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并用于水分的蒸發(fā)，此過程涉及到水的相變，可分為光能到熱能的轉(zhuǎn)換、熱蒸汽的產(chǎn)生、通過冷凝將蒸汽轉(zhuǎn)化為水等3 個(gè)主要步驟。采用特定的產(chǎn)水量（SWP）表征光熱集水效率，定義其為單位太陽輻射面積產(chǎn)生水的體積。其表達(dá)式為

式中：E為太陽輻照度，kW/m2；L為蒸發(fā)潛熱，kW·h/L；α為太陽能吸收率，量化為太陽輻照度轉(zhuǎn)化為熱量的百分比；ηt為熱效率，量化為用于蒸發(fā)的熱量百分比；GOR是獲得水的輸出比，定義為每千克蒸餾水產(chǎn)生的蒸汽量，量化為冷凝潛熱用于進(jìn)一步蒸餾的程度［34-37］。

2 紡織品集水材料及其制備技術(shù)

近年來，科研人員研發(fā)出諸多紡織材料及其復(fù)合材料，應(yīng)用于水收集領(lǐng)域。相對(duì)于其他類型的集水材料，紡織材料及其復(fù)合材料生產(chǎn)成本較低，生產(chǎn)工藝更加成熟，且紡織材料高比表面積的特點(diǎn)有利于水分的捕獲，特有的毛細(xì)效應(yīng)有利于水分的供應(yīng)和運(yùn)輸。圖2 歸納了現(xiàn)有的紡織集水材料的分類及其相關(guān)制備方法。

圖2 紡織集水材料的分類及制備方法［38，40，44，52］Fig.2 Classification and preparation method of textile water collecting materials

2.1 聚合物改性提升光熱集水性能

利用聚合物改性處理織物表面，使織物具備優(yōu)良的光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)化性能，保證織物表面的水分得以持續(xù)不斷的蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)淡水資源的收集。XIAO 等將棉織物浸泡在FeCl3溶液里形成配位，將經(jīng)鐵改性的棉織物干燥后浸泡在吡咯溶液里，制備獲得光熱轉(zhuǎn)化性能良好的聚吡咯改性棉織物，并將二維改性織物裁剪成三維錐狀結(jié)構(gòu)，見圖3（a）［38］。這種設(shè)計(jì)方法制備的三維織物不僅有利于增加光的反射次數(shù)，提高光的利用率，而且提高了空間體積的利用率。三維模型織物的水蒸發(fā)速率可以達(dá)到0.77 kg/（m2·h）。此外，該材料不僅可以用于海水淡化，還可以在沙基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)水分的獲取。類似的，LIU 等將聚苯胺納米棒涂覆在白色棉織物上制備親水光熱織物，將其懸掛在海面上，織物的2 個(gè)邊緣浸入2 個(gè)海水槽中以保證海水的供應(yīng)，見圖3（b）［39］。這種間接接觸式設(shè)計(jì)降低了熱量損耗，納米棒涂覆織物的海水蒸發(fā)速率可以達(dá)到1.94 kg/（m2·h）。此外，LI 等用織機(jī)制備了三維仿生樹型亞麻織物（TBFF），見圖3（c）［40］，然后用聚多巴胺-聚吡咯（PDA-PPy）對(duì)其進(jìn)行改性。改性后的仿生樹型亞麻織物在1 個(gè)太陽光強(qiáng)下光熱轉(zhuǎn)換率達(dá)到87.4 %，水蒸發(fā)速率達(dá)到1.37 kg/（m2·h）。將成本低的紡織材料作為基底，對(duì)其表面進(jìn)行光熱處理，使之具備優(yōu)良的光熱吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換能力。獨(dú)特的織物結(jié)構(gòu)能保證水分的持續(xù)供應(yīng)，無需額外能量即實(shí)現(xiàn)了淡水資源的獲取，可廣泛應(yīng)用于海水淡化。

圖3 聚合物改性處理織物表面Fig.3 Polymer modified fabric surface

2.2 靜電紡絲增大比表面積

靜電紡絲是制備納米材料和微細(xì)納米結(jié)構(gòu)切實(shí)可行的方法之一。利用高壓將黏性液體拉伸成纖維（稱為電紡絲），或?qū)⑾∪芤悍稚⒊晌⑿∫旱危ǚQ為電噴霧），已成為制備微觀材料的有效途徑［41-43］，也是紡織領(lǐng)域比較成熟的技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。2010年，ZHENG等研究了蜘蛛絲的定向集水功能，發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲在干燥條件和霧氣條件下的結(jié)構(gòu)有所不同。當(dāng)干燥的蜘蛛絲放置在霧汽環(huán)境中時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)闈?rùn)濕而發(fā)生改變，伴隨著微小液滴的凝結(jié)，蜘蛛絲上會(huì)出現(xiàn)周期性的紡錘體。這種結(jié)構(gòu)造成表面能梯度和拉普拉斯壓力差，兩者都可驅(qū)動(dòng)水滴的定向運(yùn)輸［23］。此后，利用靜電紡絲技術(shù)制備仿蜘蛛絲結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行霧水收集的相關(guān)研究愈發(fā)深入。GONG等利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備了一種串珠狀纖維。以聚苯乙烯（PS）作為支撐纖維，在其上分布聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）結(jié)，見圖4（a）［44］。這種纖維紡錘體結(jié)構(gòu)使紡錘體與紡錘節(jié)之間產(chǎn)生表面能梯度。當(dāng)微小的水滴在纖維上凝結(jié)時(shí)，會(huì)像天然蜘蛛絲上的吸水過程一樣，使液滴從紡錘結(jié)方向移動(dòng)到紡錘體。此外，抗旱保水植物仙人掌也顯示出優(yōu)異的收集霧和運(yùn)輸水的能力。研究表明，仙人掌的集水能力來源于仙人掌棘表面的分層溝槽結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予的拉普拉斯壓力梯度和潤(rùn)濕性梯度［45］可協(xié)同提供驅(qū)動(dòng)力，使水滴從頂端運(yùn)輸?shù)降撞浚?6］。GONG 等采用靜電紡絲技術(shù)，在人工脊柱表面靜電紡聚酰亞胺纖維，模擬了仙人掌棘的分層溝槽結(jié)構(gòu)。單個(gè)人工仿仙人掌脊柱的平均集水率約為0.3μL/min，見圖4（b）［47］。此外，GREINER 等通過仿生納米纖維毛細(xì)血管網(wǎng)與光滑表面結(jié)合的蜥蜴皮膚，采用涂層和靜電紡絲相結(jié)合的方法，制備了一種Janus霧水收集器，見圖4（c）。并利用電場(chǎng)模擬方法分析了蜥蜴皮膚狀納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，基于銅網(wǎng)的Janus霧水收集器具有優(yōu)越的集水效率907 mg/（cm2·h）和長(zhǎng)期耐久性，實(shí)現(xiàn)了微小液滴的定向運(yùn)輸和高效集水［48］。靜電紡絲技術(shù)為大面積制備集水纖維提供了一種高效、低成本的方法，該方法靈活簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和組分的雙重可控。制備的靜電紡纖維具有高比表面積，有利于液滴的捕獲。

圖4 靜電紡制備集水纖維Fig.4 Preparation of water collecting fiber by electrospinning

2.3 織造技術(shù)優(yōu)化集水效果

除表面改性外，織物結(jié)構(gòu)及織造工藝對(duì)紡織材料的集水效果亦有很大影響。SARAFPOUR 等首先將簇絨、針織、間隔等3 種不同紋理的聚酯織物化學(xué)鍍鎳，然后模擬霧環(huán)境研究其集霧效率，以探究織物紋理對(duì)霧水收集的影響。結(jié)果表明，間隔織物的霧水收集效果最好［49］。利用針織、機(jī)織等織造工藝對(duì)集水材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提高集水性能，以實(shí)現(xiàn)淡水資源的收集。LI等用普通織機(jī)織造了三維仿生樹型亞麻織物（TBFF），利用平紋組織、方平組織和浮線分別模擬樹的根部、莖部和樹葉。由于毛細(xì)效應(yīng)，水沿著連續(xù)的經(jīng)紗做定向輸送，見圖5（a）［40］。與此同時(shí)，受鳥喙啟發(fā)，LI 等利用金屬線按照針織的編織工藝設(shè)計(jì)出一款仿生拓?fù)浜辖鹁W(wǎng)，見圖5（b）［50］，這種具有V 形幾何形狀的仿生拓?fù)浜辖鹁W(wǎng)提升了霧水收集的效果。再利用電化學(xué)的方法在金屬網(wǎng)表面構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效的霧水收集，該材料的霧水收集效率可達(dá)1 050 mg/（cm2·h）。此外，YU等利用傳統(tǒng)的工藝織造親疏水滌綸，經(jīng)向?yàn)槌杷疁炀]絲，緯向采用親疏水滌綸絲交替，織造出仿沙漠甲蟲背部親疏復(fù)合滌綸織物，見圖5（c）［51］。研究表明，進(jìn)一步沉積金屬銅顆粒的滌綸紡織品，其霧水收集效率可高達(dá)1 432.7 mg/（cm2·h）。改變織造工藝和參數(shù)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)織物，利用織物結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水分持續(xù)供應(yīng)或構(gòu)建親疏復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，工藝靈活簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。

圖5 集水材料的織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Fabric structure design of water collecting material

2.4 金屬沉積強(qiáng)化液滴冷凝

由于金屬具有良好的冷凝效果，尤其是銅和鋁，所以霧水收集材料大多與金屬相結(jié)合。WANG等將棉織物進(jìn)行疏水處理，采用噴涂設(shè)備將二氧化鈦納米溶膠噴涂到已制備的超疏水棉織物上，見圖6（a）［52］。由于界面張力，生成了具備獨(dú)特光誘導(dǎo)特性的超親水凸起結(jié)構(gòu)。這些二氧化鈦凸起誘導(dǎo)了潤(rùn)濕性梯度和形狀梯度，協(xié)同加速了水的收集。另外，XU等用疏水銅網(wǎng)和親水性棉織物復(fù)合構(gòu)建Janus 體系，見圖6（b）［13］。通過進(jìn)一步改進(jìn)，將二維疏水/親水協(xié)同體系改良為三維協(xié)同體系。研究發(fā)現(xiàn)，由于邊界層效應(yīng)，三維Janus 系統(tǒng)比二維系統(tǒng)更快速、更自發(fā)、更連續(xù)。這一發(fā)現(xiàn)為霧水收集體系提供了一種新的方法。紡織品具有成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在其表面沉積金屬顆粒以增強(qiáng)液滴的冷凝效果，在疏水處理的織物基底上沉積親水性金屬，或者構(gòu)建親疏復(fù)合結(jié)構(gòu)，均有利于增強(qiáng)霧水收集的效果。

圖6 金屬沉積誘導(dǎo)織物表面集水Fig.6 Metal deposition induced water collection on fabric surface

3 總結(jié)和展望

水資源短缺是一個(gè)全球問題，預(yù)計(jì)到2025 年，世界上將有一半人口生活在水資源緊張的地區(qū)［53］。為緩解淡水資源短缺的問題，科學(xué)家相繼開發(fā)了各種新材料，如MOF［54-55］、凝膠［56-57］以及各種膜類材料［58-60］等，但這些材料均存在制備復(fù)雜、價(jià)格昂貴的難題。紡織品成本低，制備工藝成熟，并且可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這對(duì)一些偏遠(yuǎn)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的淡水供應(yīng)問題具有重要意義。

紡織類集水材料可以分為2類：一類是用于海水淡化的光熱集水材料，另一類是霧水收集材料。光熱集水材料將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)水分蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)淡水資源的收集。因此，理想的光熱集水材料應(yīng)該具備良好的光吸收率和光熱轉(zhuǎn)化性能、合理的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。良好的光吸收率有利于太陽能的吸收，良好的光熱轉(zhuǎn)化性能有利于太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，合理的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證材料表面的海水持續(xù)不斷的供應(yīng)。霧水收集材料利用霧滴沉積表面捕獲水汽，霧滴沉積形成液滴后不斷與周圍液滴融合變大，最后匯聚成水流滿足生產(chǎn)生活之需。因此，理想的霧水收集材料應(yīng)該具有親疏復(fù)合表面、比表面積大、不同級(jí)別的微納米級(jí)通道或者錐形結(jié)構(gòu)。相對(duì)親水且比表面積大的表面有助于霧滴的捕獲，相對(duì)疏水且光滑的集水表面有利于微型液滴的脫落，分級(jí)的微納米級(jí)通道或者錐形結(jié)構(gòu)則有利于液滴運(yùn)輸，降低表面水分的再蒸發(fā)速率，提高霧水收集效率。

需要注意的是，大部分材料的集水能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在相對(duì)濕度大于60%的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，而實(shí)際干旱地區(qū)的相對(duì)濕度都在20%以下。此外，紡織集水材料還存在表面材料及結(jié)構(gòu)易損壞失效、不耐久使用的問題。在今后的研究中，應(yīng)盡力解決此類問題。同時(shí)，現(xiàn)有的集水材料主要集中在一維和二維表面，未來應(yīng)更多地關(guān)注三維材料。總的來說，紡織集水材料在緩解淡水資源短缺的問題上，開辟了新的途徑，在不久的將來會(huì)有更好的發(fā)展前景。