近 30年来, 德国科学家通过扫描电镜和原子力显微镜对荷叶等两万种植物的叶面微观结构进行观察, 揭示了荷叶拒水自洁的原理, 并申请了专利。荷叶效应能够在理论上突破常规的拒水织物研究思路, 具有广阔的应用前景和商业价 值。
本文就荷叶效应的原理作了较为详尽的介绍, 并探讨其在拒水透湿织物上的应用。

荷叶效应的原理
荷叶叶面具有极强的疏水性, 洒在叶面上的水会自动聚集成水珠, 水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面, 使叶面始终保持干净,这就是著名的 / 荷叶自洁效应 0。
荷叶的表面具有双微观结构: 一方面是由细胞组成的乳瘤形成的表面微观结构; 另一方面是由表面蜡晶体形成的毛茸纳米结构。乳瘤的直径为 5~ 15Lm, 高度为 1~ 20Lm。荷叶效应的秘密主要在于它的微观结构和纳米结构, 而不在于它的化学成分。在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰地看到, 荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的 / 小山包 0, 它 上面长满 绒毛, 在 / 山包 0顶又长出一个馒头状的 / 碉堡 0凸顶 ( 如图 1所示 )。在 / 山包 0间的凹陷部分充满着空气, 这样就在紧贴 叶面上 形成 一层 极薄 ( 只有 纳米 级厚 ) 的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后, 隔着一层极薄的空气, 只能同叶面上 / 山包 0的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状,水球在滚动中吸附灰尘, 并滚出叶面, 这就是 / 荷叶效应 0能自洁叶面的奥妙所在。

用润湿理论分析荷叶效应
( 一 ) 接触角的定义
当一滴液体滴在某一固 体表面上时, 有可能会出现如下情况。
在这种情况下, 液体完全润湿固体, 如图 2( a )所示。
( 2)液体有可能成水滴状。在这种情况下, 由固体表面和液体边缘切线形成一 个夹角 H, 称为接触角。
当 0b< H< 90b时, 液体部分湿润固体, 如图 2
( b)所示;当 90b< H< 180b时, 液体不润湿固体, 如图 2
( c)所示。接触角越 大, 拒水自洁 的能力就越强。在自然界中, 接触角等于 0b和 180b的情况都是不存在的。
(二 )粗糙度对润湿的影响
如果将粗糙度 C定义为固体与液体接触面之间的真实面积与几何面积的比, 那么:C= cosHC/ cosH ( C\ 1 HX 90b) ( 1)式中: C)) ) 粗糙度;HC) )) 液体在粗糙表面上的表观接触角;H)) ) 液体在理想光滑平面上的真实接触角。从公式 ( 1 )得 知: 当 H> P /2 时, 因为 C\ 1,所以 HC> H; 当 H< P / 2时, 因为 C\ 1, 所以 HC<H。
这说明, 当 H> 90b时, 粗糙度可使接触角 HC增大, 即粗糙度可提高其拒水拒油的能力; 当 H<90b时, 粗糙度可使接触角 HC变小, 使拒水拒油的能力强者更强, 弱者更弱。当然, 粗糙 是有要求的。粗糙必须是随机的, 且波幅小于 1Lm。以上结论说明, 只有具备拒水和粗糙这两个条件, 才能使接触角增大。荷叶表面的蜡质晶体首先是拒水的, 其次其表面的双微观结构是粗糙的。虽然表面乳瘤的直径为 5 ~ 15Lm, 高度为 1 ~ 20Lm, 超过了 1Lm, 但是荷叶表面具有双微观结构, 在乳瘤的表面有一层毛茸纳米结构, 毛茸的直径远小于1Lm, 可以达 到纳米 水平。所 以, 荷叶 的粗糙 表面, 使其拒水的能力显著增强。

荷叶效应在拒水织物上的应用
织物的防水性和透湿性可以从织物结构和加工方 式 上 取 得一 致。水 汽 分 子 的 直 径 一 般 为4 @ 10- 4Lm, 水滴的直径通 常为 10 - 2Lm, 只 要织物中孔隙的直径控制在水汽分子可通过而水滴不能通过的范围内, 便可起到防水透湿的作用[ 3]。
( 一 ) 防水透湿织物表面须具备的条件
( 1 ) 表面材料必须拒水, 即水在其表面的接触角必须大于 90b。
( 2 ) 表面必须是粗糙的, 虽然织物表面本身是非常粗糙的, 但这种粗糙结构是以纤维为最小单位, 远大于纳米结构的要求。拒水自洁织物表面的粗糙应是纤维表面的粗糙, 该粗糙应达到纳米级水平。
( 二 ) 达到防水透湿功能的途径
要使织物具有防水透湿 的功能, 可 从以下两方面入手: 一方面是使织物界面的表面张力减小;另一方面是使固液气三相边界处接触角增大。
( 1 ) 减小织物界面表面张力方法: 增加织造紧度; 采用收缩整理, 使纱线充分膨润。
( 2 ) 增大固液气三相交界处接触角的方法:通过拒水整理降低织物界面的表面能, 减弱芯吸作用 (拒水剂模拟了荷叶上蜡质层作用 ); 利用组织的浮长线模拟荷叶表面的乳头状突起, 使织物表面具有细小的凹凸。
( 三 ) 国内外仿荷叶效应的防水透湿织物荷叶效应 ( Lotus- effect) 之谜揭开以来, 已被广泛使用。
美国的设计师们把荷叶效应这一机理用于织物设计, 设计了马克罗富超级防水布, 该布采用超微卷曲纤维、高密织物组织, 使织物表面分布成不规则形态。从而在纱线纤维空间成功地吸附了空气, 形成稳定的空气层。实践已证明, 马克罗富超级防水布在排水和透气性两方面都优于常规的防水布。
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