基于接触角法表征纺织品表面润湿性应用研究

2022-04-29 17:20:01 | 浏览次数：

材料表面能的试验方法，对于纺织品表面能的计算，应用最广泛的方法就是接触角法，该方法通过测量织物与不同表面张力的液体之间所产生的不同接触角去计算出纺织品的表面能[5]。用接触角来计算固体表面能是基于杨氏方程的推导，由于杨氏方程只适用于化学性质均一的理想光滑表面，因此研究学者在杨氏方程的基础上，发展了很多计算表面能的方法，如Zisman法、Antonow规则法、Berthelot规则法、Good-girifalco法、Fowkes法、Owens法、几何平均法、调和平均法和LW-AB法等[6]。

Wenzel理论认为粗糙表面使得实际上固—液之间的接触面要大于表观观察到的面积，增大固体表面粗糙度会使疏水表面更疏水，亲水表面更亲水，这种粗糙是指纤维表面的微纳米级的肉眼不可见的粗糙。Wenzel只考虑了液滴在固体表面完全接触的情况，Cassie-Baxter理论认为当固体表面具有很高的粗糙度时，液体与固体不完全接触，部分与气体接触。在材料微细结构化表面，因为结构尺度小于表面液滴的尺度，将有截留的空气存在，于是表观上的固—液接触面将由液—固和液—气共同组成[7]。

狄剑锋等[8]为了比较各种纺织品表面能计算方法的结果差异，分别用Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法计算表面能，并对计算结果进行了比较，认为Neumann法测量和计算最为简单，Owens二液法最为常用。Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法在国际上被广泛使用，但研究发现，它们都存在一定的局限性，这5种计算方法均可用于表面能大于20 mJ/m2的表面，但对小于20 mJ/m2的最好选用Neumann法计算[9]。

3.2 亲水性/拒水性评价

刘娴等[10]采用亲水整理剂浸渍PP非织造布，然后以蒸馏水为试液，通过针管将水滴滴落在整理过的PP非织造布表面，测得其平衡接触角为0°，即液体在织物表面完全润湿，而整理前PP非织造布的接触角为148°，通过整理前后非织造布接触角的测量结果来表征其亲水整理效果。黄锋林等[11]研究了等离子体处理后丙纶纤维表面形态以及接触角的变化，利用基于Wilhelmy原理的接触角仪测量了纤维的动态接触角，通过比较分析得出了等离子体处理后丙纶纤维的表面形态和表面接触角的关系，结果表明等离子体处理技术能够显著降低纤维表面接触角，改善纤维润湿性能，发现表面粗糙是导致纤维表面后退角降低的主要原因。

3.3 染色性

丙纶纤维表面润湿性差，使得其染色困难，限制了在服装上的应用，所以改善丙纶纤维的润湿性具有很强的应用价值和现实意义。狄剑锋等[12]为了改善涤纶纤维的染色性能，采用碱液对其进行了表面处理，用动态接触角仪测量表面处理后纤维的动态接触角，用原子力显微镜测量了纤维表面的粗糙度，用分散染料对处理前后的纤维进行染色，并用测色配色仪测试了样品的染色深度。试验结果显示，经过表面处理后的纤维，表面粗糙度明显增大，表面接触角明显减小，纤维上色速度明显加快，可以减少染色时间10min以上且达到同样的染色效果。

唐晓亮等[13]采用自行研制的常压介质阻挡放电连续处理装置，在不同气体（Ar，N2-Ar，O2-Ar）环境下分别对涤纶织物进行表面改性处理。测量了涤纶纤维处理前后接触角、毛细效应和色差值等。结果表面经过常压低温等离子体处理的涤纶织物，其染色性能和表面润湿性能都得到了改善。

3.4 超疏水纺织品

通常将接触角大于150°的表面称为超疏水表面，具有超疏水表面的纺织品在表面自清洁、防雨雪、拒油、抗血液等方面具有广阔的应用前景。超疏水透气织物可用在军用作战服装、户外服装、医生手术服、帐篷、防雨服、防雪服等领域，具有巨大的市场和经济效益，使其成为纺织领域研究的热点。

王前进等[14]以荷叶表面微纳米结构为参考模型，对棉织物进行处理修饰，获得了超疏水织物，水滴在该织物上表面接触角可达160°。织物形成的微纳米级粗糙度和ASO-1膜的存在是织物疏水的主要原因，微纳米凸体能减少纤维与水的接触面积，提高水在纤维表面的接触角，使织物具有超疏水性。

制备超疏水表面主要有以下一些途径：在纤维表面涂敷一层低表面能物质，同时增加其表面的粗糙度;对纤维的亲水基团进行改性，如将纤维素结构的—OH等亲水性基团用其他疏水性基团取代。

3.5 纤维表面性质

李健等[15]研究了低温等离子体处理对PBO纤维润湿性的影响，通过芯吸效应和接触角法表征处理前后PBO纤维的润湿性，采用扫描电子显微镜（SEM）观察处理前后纤维的表面微观形貌，用X射线光电子能谱仪（XPS）对处理前后PBO纤维表面化学组成进行定性分析。结果表明，改性后PBO纤维芯吸高度大幅上升，接触角明显降低，其表面产生明显刻痕，局部有剥离现象，改性后PBO纤维O、N元素含量均有所提高。

4 结语

表面润湿性是纺织品的一项重要指标，采用接触角法可以得到可量化的接触角值来表征纺织品的表面润湿性，可以直观地观察到液滴在纺织品表面的形状和变化。同时接触角法在纺织品的表面能计算、亲水/拒水性改性评价、可染色性、超疏水表面、纤维表面性质、界面相容性等方面都有广泛的应用，加强对纺织品接触角试验方法和表面能理论的研究，有助于拓展和完善其在纺织品领域中的应用。

参考文献：

[1]徐壁，蔡再生.纺织品超拒水整理机制和新技术[J].染整技术，2008，30（11）：1-4.

[2]凌群民，李永锋，谭磊，刘呈刚.对织物润湿性能的研究[J].纺织科学研究，2005，（1）：44-47.

[3]狄剑锋.低温等离子处理对丙纶纤维湿润性能的影响[J].五邑大学学报（自然科学版），2002，16（4）：1-4.

[4]刘永明，施建宇，鹿芹芹，等.基于杨氏方程的固体表面能计算研究进展[J].材料导报，2013，27（11）：123-129.

[5]徐广标，杨立荣.3种天然纤维表面自由能计算与评价[J].东华大学学报（自然科学版），2013，39（3）：280-282，337.

[6]罗晓斌，朱定一，石丽敏.基于接触角法计算固体表面张力的研究进展[J].科学技术与工程，2007，7（19）：4997-5004.

[7]王雪梅.超疏水表面润湿性能研究[J].广东化工，2013，40（11）：73-74，78.

[8]狄剑锋.织物表面能的计算方法及其比较[J].纺织导报，2005，（9）：77-79.

[9]狄剑锋.织物表面能计算公式的局限性[J].纺织学报，2005，26（5）：43-45.

[10]刘娴，吴明华.聚丙烯非织造布亲水整理工艺研究[J].浙江理工大学学报，2009，26（2）：160-164.

[11]黄锋林，魏取福，徐文正.等离子体处理对丙纶纤维表面接触角的影响[J].纺织学报，2006，27（2）：65-67.