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浅谈拒水拒油纳米技术处理服装的功能检测

Discussion on the Testing of Water-repellent and Oil-repellent Nano-functionalApparel

杨志敏，何玉兰，叶毓辉，董晶泊

（深圳市计量质量检测研究院，广东 深圳  518139）

摘要：简要介绍拒水拒油纳米处理服装，及通过接触角、沾水等级、拒油等级对其性能的检测。

关键词：纳米；拒水；拒油；接触角

Abstract：This paper briefly introduces the nano-functional apparel ，and the test method of the water-repellent and oil-repellent.

Key words: nano；water-repellent;oil-repellent;contact angle

拒油原理和拒水原理极为相似，都是改变纤维表面性能，使其临界表面张力降低，水和油与其产生较大的接触角，达到拒水拒油的目的，而又不影响织物的透气性。拒水拒油纳米服装就是利用纳米技术处理过的面料制成的功能性服装。目前常用有两种方法：一种是利用涂层或浸渍，对纤维或面料进行表面处理，最终在织物表面形成一种功能性的涂层；另一类是利用化纤改性技术，将纳米材料作为添加剂加入到纺丝液中，复合纺丝，制备功能面料^[1]。

目前市场上纳米服装局面混乱，鱼目混珠的“纳米”产品一哄而上，有些只是不透气涂层织物，引来众多的非议。如何鉴定纳米结构，评估和检测服装的拒水拒油功能，从而判定是否为拒水拒油纳米处理服装是目前面临的问题。本实验通过扫描电镜(SEM)鉴定织物表面的纳米结构，并通过测量液体在织物表面的接触角，沾水等级，拒油等级来检测纳米处理服装的拒水拒油性能，简要介绍拒水拒油纳米处理服装的检测。

1纳米结构的鉴定

确定是否具有纳米结构单元是判断该服装是否为纳米技术处理服装的前提。目前纳米结构的表征方法有很多，如扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、扫描隧道电镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、X射线小角散射法（SAXS）等等^[2]，但涉及到服装一类最终产品上，取样、制样方法一直是难题。结合试验条件，本试验采用扫描电子显微镜测定织物表面纳米结构单元^[3]。

仪器：扫描电子显微镜（分辨率2 nm），哈氏切片器，镀膜仪（金属膜）。

在服装上的有效部位随机剪取5块5 mm×5 mm的试样，用镊子夹取试样固定在贴有导电胶布样品台上，将载有样品的试样台移至镀膜仪，镀膜为金属导电膜，膜的厚度宜在5～20 nm的范围内。然后送入扫描电镜样品室，抽真空直至可以进行电镜测试。

在使用扫描电镜测试时，每个试样随机选择四个区域进行观测，放大倍数以有利于观测纳米结构为宜。结构单元的短径≤100 nm则为纳米结构单元，结构的短径＞100 nm则为非纳米结构单元。测试所有试样，并计算纳米结构单元总数和非纳米结构单元总数（如图1所示）。

图1  纤维表面形貌

从图1中可以看出，纤维表面附有较多纳米颗粒。部分纳米颗粒因发生团聚，颗粒直径明显大于100 nm。整个区域以直径≤100nm的纳米颗粒为主，完全符合纳米技术处理服装的要求。

2表面接触角测定

当一滴液体滴在织物表面上时，有可能完全润湿织物，在表面形成一层水膜，有可能形成水滴状，液滴边缘与固体表面形成一个夹角θ，这个角就称为接触角。

当0°＜θ＜90°时，液体部分润湿织物，并在极短的时间内，液滴向四周扩散并渗入织物中，90°＜θ＜180°时，液体不能润湿织物表面而形成液珠，倾斜时液滴滚落。如图2所示。



                                图2  接触角θ

要达到拒水的目的，就要使接触角θ越大越好。根据著名的Young方程：γ_S=γ_SL +γ_Lcosθ，液体在固体表面形成的接触角和界面张力之间的关系可知，由于液体表面张力不变，要达到拒水的目的，就必须减小固体表面张力或使固液表面张力变大^[4-5]。

由于在纳米尺寸低凹的表面可以吸附气体分子，并且使其稳定附着存在，所以在宏观织物表面上形成了一层稳定的气体薄膜，使得油或水无法与织物的表面直接接触，纤维表面张力减小，水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值，实现纤维织物拒水拒油功能^[6]。

    水的表面张力为72.6 mJ/m²，而一般油类的表面张力为20～40 mJ/m²,润湿能力远大于水,所以拒油的物质一定拒水^[4]，故这里只测量油滴的接触角。取5个样品，在同一个样品上不同位置测量5次，取平均值。然后使用标准洗涤剂按5A程序洗涤5个循环，再测试洗后织物表面接触角。

仪器：JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪，微量注射器，玻璃载片，A形全自动洗衣机。

试剂：食用油，标准洗涤剂WOB。

图3 油滴在织物表面形态

    调整好仪器之后，通过垂直固定的微量注射器往织物表面上滴2～3 μL食用油，油滴未渗入织物中，在织物表面形成近似圆形液滴，见图3。冻结图像之后，计算每个油滴的接触角^[7]，结果见表1。

表1 油滴表面接触角

试样编号	接触角/o
	洗前	洗后
1#	144.8	138.2
2#	141.6	145.1
3#	149.7	142.2
4#	153.4	137.4
5#	145.2	148.8
平均值	146.9	142.3

从表1可以看出，洗前油滴在织物表面的平均接触角为146.9 o，远大于90 o；洗后油滴在织物表面的平均接触角为142.3 o，不仅说明该服装洗后仍使油滴在其表面有较大的接触角，具有良好的拒油效果，亦说明该服装具有一定的耐洗性能。

3拒水级别测试

在日常检测中，对织物的拒水级别测试,一般用淋水性能测试方法。按照GB/T4745—1997《纺织织物表面抗湿性测定沾水压试验》中要求的取样、操作程序、评定进行，织物的经向与水流方向平行，分别测试洗前、洗后试样的拒水级别，结果见表2。

表2 拒水等级

试样编号	沾水等级/级
	洗前	洗后
1#	5	5
2#	5	5
3#	5	5
4#	5	5
5#	5	5
平均值	5	5

  由表2可知，洗前、洗后试样均未发生润湿，也未沾有小水珠，沾水等级均为5级，拒水效果良好，与接触角测试效果一致。

4拒油等级测试

拒油等级测试采用GB/T19977—2005《纺织品 拒油性 抗碳氢化合物试验》标准中方法。首先是用最低编号的实验液体，以0.05 mL液体小心滴于织物上，如果在30 s内无渗透和润湿现象发生，则紧接着用较高编号的实验液体滴于织物上。实验连续进行，直至实验液体在30 s内润湿液滴下方和周围的织物为止。织物的拒油等级以30 s内不能润湿织物的最高编号的实验液体表示。

表3 拒油等级

试样编号	拒油等级/级
	洗前	洗后
1#	7	7
2#	7	6
3#	7	6
4#	7	7
5#	7	7
平均值	7	6.5

    从表3的试验结果来看，洗前试样拒油等级均达到7级，均匀性较好，达到纳米技术处理服装的优等品要求。洗后试样局部拒油等级产生少许变化，但拒油等级最低仍能达到6级，拒油效果良好。

    沾水等级和拒油等级测试是目前比较成熟的测试方法，很多检测机构都具备相关的检测手段。沾水测试相对简单，但浅色织物的润湿痕迹难发觉，且容易受评级主观判断影响；拒油抗碳氢化合物测试相对较繁琐，需要按照标准试液顺序逐个测试，B、C类液滴较难区分；而表面接触角是通过微观观察织物表面的拒水拒油效果，主要应用在理论研究上，没有作为检验液体在织物表面拒水拒油性能的判定。从上面的3个试验结果来看，表面接触角完全可以判断是否具有拒水拒油的效果。拒油的物质一定拒水，我们可以选用正十二烷或正葵烷测量其在织物表面的接触角大小，判定服装的拒水拒油功能优异。

5 结语

纳米技术处理服装因其自身的特性具有优异的拒水拒油功能，不仅可以通过沾水等级、拒油等级来判定服装的拒水拒油效果，表面接触角亦可以判断服装的拒水拒油效果，只要接触角大于90°就具有该功能，并随着接触角的增大，拒水拒油效果越好。

参考文献：

[1]管映亭,金志浩,董政娥.纳米材料及其在纺织等领域中的应用[J].纺织学报，2004,25(3):116-118.

[2]肖燕，李从举.BaO-TiO₂纳米纤维的制备及其表征[J].合成纤维工业，32(3):8-10.

[3] GB/T22925—2009 纳米技术处理服装.

[4]狄剑锋.织物拒水拒油整理及其性能检测[J].上海纺织科技，2003,31（4）：52-54.

[5]杜文琴.荷叶效应在拒水自洁织物上的应用[J].黎明化工,1995,(3):24-25.

[6]黄冠红，江云利.拒水拒油纳米整理在精毛纺后整理中的应用[J].染整技术，2009，（4）：27-29.

[7]杜文琴，巫莹柱.接触角的量高法和量角法的比较[J].纺织学报，2007,28(7):29-32.