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纤维材料的抗污及自清洁

来源: /  作者:   时间: 2017-12-25 15:32

纤维材料在使用过程中被沾污的原因有以下几方面:

1. 由于静电效应而吸附的干微粒、尘埃等;

2. 通过接触而沾污固体污、油性污和水性污;

3. 在洗涤时再沾污的固体污和油性污的污胶粒。

污垢主要是依靠机械力、分子间作用力和静电引力黏附在纤维材料表面。织物上的污垢主要分布在纤维之间或纱线之间、纤维表面的凹陷处及缝隙和细毛孔中。

按照污物在纤维表面存在的形状分类

1. 颗粒状污垢

2. 覆盖膜状污垢

3. 无定形污垢

4. 溶解状态的污垢

按照污物化学性质分类

1. 亲水性油污

2. 亲油性油污

3. 混合油污

纤维材料表面的防污原理

防污是指纤维材料抗各类油污润湿的能力,它与纤维材料尤其是织物的表面几何结构有关,即纤维的特性、纤维集合体的结构、表面状态等直接影响到纤维材料的防油污功能。从微观的角度上讲,纤维表面的性质,除有一些依赖于纤维材料表面的特殊性质和环境条件之外,都取决于平衡热力学或表面张力,而它们常常用表面接触角来进行表述。

接触角的定义

液体在纤维表面不能铺展时,则液体以一定形状停留于其表面,在液、固、气三相交界处,显示一定的角度θ,称为接触角,用它来表示液体对纤维的润湿性能。

当一滴液体在某一纤维集合体表面上时,有可能会出现如下情况:液体完全铺展在其表面,形成一层液体膜,此情况下θ→0,则液体完全润湿;液体部分润湿纤维,在此情况下0<θ<90°;液体有可能成水滴状,此时90°<θ<180°,液体难以润湿纤维,显示出明显的疏水性。由此可知,接触角越大,纤维材料对该液体的抗污能力越强。

一.webp.jpg

事实上,表面绝对光滑的物质是不存在的,经后加工处理、改性的合成纤维及其织物的表面也不同程度地存在着一定的粗糙度。当θ>90°时,粗糙度增加可使接触角增大,即粗糙度可提高其拒水拒油的能力,当θ<90°时,粗糙度可使接触角变小,使亲水能力增强。

当纤维材料表面的表面张力低于污物的临界表面张力时,则污物就难以在其表面润湿。所以只要能使纤维的表面张力降低,就能一定程度地防止污物的沾污。

纤维的自清洁原理

最早出现的自清洁纺织品,是通过各类拒水拒油整理剂对纺织品进行功能后整理,改变纤维的表面性能,使纤维的表面张力低于水、油的表面张力,使得水滴以及油污无法在织物表面铺展且可以轻易抖落,而且水滴在滑落的过程中还可带走织物表面原有的灰尘,从而达到纺织品自清洁的目的。目前使用较多的整理剂为含氟类拒水拒油整理剂。

荷叶拒水自洁的原理称为“荷叶效应”,其秘密主要在于荷叶的表面存在着复杂的多重纳米和微米级的超微结构。一方面是由细胞组成的乳头形式的表面微观结构;另一方面是由表面蜡晶体形成的毛茸纳米结构。这些无数微小的乳头状突起,直径约为5-15μm,高度约为5-10μm,乳头凸起部分的间隙约为10-15μm,并在表面覆盖有直径为1nm的蜡晶。在这些微小的凹凸之间,储存着大量的空气,这样,当水滴落到荷叶上面时,由于在乳头状凸起、空气层及蜡晶的共同作用下,使得雨滴不能渗透,只能自由滚动。

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液滴之所以在平行于沟槽方向比垂直于沟槽方向更容易滑动,是因为液滴沿垂直于沟槽方向滑动时,接触线会产生更大的阻力所致。因此,固体表面的浸润性由其化学组成和微观几何结构决定,表面越粗糙,其疏水性就越好。

纤维材料表面的自清洁包括以下三方面的内容:

1. 物理自清洁:指借助物理作用使表面达到自清洁效果。由于材料表面含有很高的粗糙度,可产生巨大的比表面能,雨水、油污、粉尘等污染物落到表面时,可借助重力、风力及雨水的作用自由滚落。

2. 生物自清洁:主要通过抗菌作用达到自清洁效果,使纤维表面没有细菌得以附着、繁殖和生存的环境,抑制微生物的新陈代谢。

3. 化学自清洁:主要指利用某些纳米粒子具有的高表面活性,在阳光尤其是紫外线照射时,自行分解出自由移动的电子和空穴,使水氧化,生成负离子和氢氧自由基。分解有机物或微生物,起到杀菌作用,光催化材料是其主要代表。二氧化钛光触媒不仅具有该特性,还具有“超亲水性”和抗菌性,有利于润湿后除去附着物,自清洁功效明显。

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