《Nature》子刊：突破！不含全氟化碳（PFC）的疏油纺织品诞生

WaterOff

2022-08-10 09:22:02

不小心被油渍弄脏衣服的事情，想必大家都遇到过，让人苦恼又无奈。为此，防油织物被人们开发出来，这种织物易于清洁，减少了保养费用，保持织物的自然外观并改善透气性和耐化学性，是一种理想的衣物原料。

通常，大家是利用长链全氟化合物（PFC-）作为低表面能织物整理剂提高纺织品的防油性/防水性和耐久性。但是，基于PFC的饰面会严重影响健康和环境，降解副产物极为持久，其中一些需要数百年才能分解。在一些最偏远的地方，包括在哈巴雪山的雪中（海拔5,053m）和北极熊的肝脏中都发现了其副产物的存在。为了应对这些环境问题，纺织品制造商已开始使用短链PFC（6长或4长的全氟化碳链）。但短链PFC的副产物不仅仍具有毒性，而且拒油性功能也较差，因而被服装工厂逐步淘汰。所有先前对织物整理剂的研究都表明，如果没有全氟化，就不能实现拒油性。因此，针对无氟织物的开发，是一种巨大的挑战。

近日，哥伦比亚大学Kevin Golovin课题组开发了使用不含PFC的表面化学材料制造防油纺织品整理剂的设计参数。通过在给定编织的每根纤维上添加次级的，较小的长度尺度的纹理，当纹理大小，间距和表面化学性质得到适当控制时，可以实现强大的拒油性。除了合成汗水外，它还对菜籽油，橄榄油和蓖麻油具有疏油性。对于表面张力低至23.9 mN m^-1的液体，纺织品仍保持不润湿。相关研究以“Rational design of perfluorocarbon-free oleophobic textiles”发表在Nature Sustainability上。

疏油织物的制备：

织物用氧等离子体处理，经过异丙醇洗涤，压缩空气干燥后，放入四乙氧基硅烷（TEOS）和乙醇溶液，室温下搅拌。加入水和HCl，并升温搅拌一定时间，冷却至室温老化。将样品进行等离子体处理后，浸入硅烷醇溶液，烤箱中高温固化后，在室温下于1,3-二氯四甲基二硅氧烷蒸气中处理。最后，用异丙醇洗涤以除去样品中未反应的部分，压缩空气干燥后，得到疏油织物。

疏油织物的制备原理及性能：

织物经过等离子蚀刻，表面呈现出亲水性。TEOS水解形成的SiO₂含有大量的羟基，可以在织物上形成反应层，固化后，构筑合适粗糙度的微纳结构（Dfibre*≥π时，织物具有疏油性）。

图1 未润湿的纤维，颗粒和装饰颗粒的纤维的润湿性

浸入硅烷醇溶液后，织物表面含有大量的硅烷醇基团，可以和1,3-二氯四甲基二硅氧烷的硅氧烷发生反应，从而修饰表面的低表面能。在合适的粗糙度和低表面能的协同作用下，织物获得了疏油性。研究结果发现，粒子与纤维共价键合，通过磨蚀，洗涤或反复磨损都不能去除表面化学物质或颗粒，具有稳定的疏油性。基于烷基和基于PDMS的表面化学都可以生物衍生，可生物降解并可以回收利用，因此在机械磨损后重新涂饰可能仍然是可行的，提高技术服装行业的可持续性。