《Nature》子刊：突破！不含全氟化碳（PFC）的疏油紡織品誕生

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2022-08-10 09:22:02

不小心被油漬弄臟衣服的事情，想必大家都遇到過，讓人苦惱又無奈。為此，防油織物被人們開發出來，這種織物易于清潔，減少了保養費用，保持織物的自然外觀并改善透氣性和耐化學性，是一種理想的衣物原料。

通常，大家是利用長鏈全氟化合物（PFC-）作為低表面能織物整理劑提高紡織品的防油性/防水性和耐久性。但是，基于PFC的飾面會嚴重影響健康和環境，降解副產物極為持久，其中一些需要數百年才能分解。在一些最偏遠的地方，包括在哈巴雪山的雪中（海拔5,053m）和北極熊的肝臟中都發現了其副產物的存在。為了應對這些環境問題，紡織品制造商已開始使用短鏈PFC（6長或4長的全氟化碳鏈）。但短鏈PFC的副產物不僅仍具有毒性，而且拒油性功能也較差，因而被服裝工廠逐步淘汰。所有先前對織物整理劑的研究都表明，如果沒有全氟化，就不能實現拒油性。因此，針對無氟織物的開發，是一種巨大的挑戰。

近日，哥倫比亞大學Kevin Golovin課題組開發了使用不含PFC的表面化學材料制造防油紡織品整理劑的設計參數。通過在給定編織的每根纖維上添加次級的，較小的長度尺度的紋理，當紋理大小，間距和表面化學性質得到適當控制時，可以實現強大的拒油性。除了合成汗水外，它還對菜籽油，橄欖油和蓖麻油具有疏油性。對于表面張力低至23.9 mN m^-1的液體，紡織品仍保持不潤濕。相關研究以“Rational design of perfluorocarbon-free oleophobic textiles”發表在Nature Sustainability上。

疏油織物的制備：

織物用氧等離子體處理，經過異丙醇洗滌，壓縮空氣干燥后，放入四乙氧基硅烷（TEOS）和乙醇溶液，室溫下攪拌。加入水和HCl，并升溫攪拌一定時間，冷卻至室溫老化。將樣品進行等離子體處理后，浸入硅烷醇溶液，烤箱中高溫固化后，在室溫下于1,3-二氯四甲基二硅氧烷蒸氣中處理。最后，用異丙醇洗滌以除去樣品中未反應的部分，壓縮空氣干燥后，得到疏油織物。

疏油織物的制備原理及性能：

織物經過等離子蝕刻，表面呈現出親水性。TEOS水解形成的SiO₂含有大量的羥基，可以在織物上形成反應層，固化后，構筑合適粗糙度的微納結構（Dfibre*≥π時，織物具有疏油性）。

圖1 未潤濕的纖維，顆粒和裝飾顆粒的纖維的潤濕性

浸入硅烷醇溶液后，織物表面含有大量的硅烷醇基團，可以和1,3-二氯四甲基二硅氧烷的硅氧烷發生反應，從而修飾表面的低表面能。在合適的粗糙度和低表面能的協同作用下，織物獲得了疏油性。研究結果發現，粒子與纖維共價鍵合，通過磨蝕，洗滌或反復磨損都不能去除表面化學物質或顆粒，具有穩定的疏油性。基于烷基和基于PDMS的表面化學都可以生物衍生，可生物降解并可以回收利用，因此在機械磨損后重新涂飾可能仍然是可行的，提高技術服裝行業的可持續性。