福州大学赖跃坤教授团队：纤维工程的创新进展：从绿色疏水的设计到多功能应用

通讯作者：赖跃坤*，黄剑莹*，李巍*，陈忠*

单位：福州大学，福州大学，福建理工大学，新加坡南洋理工大学

近年来，多功能织物被广泛研究，其中防水织物因其成本低廉、实用性强、易拓展等优点被大量用于多功能织物上。然而，疏水改性材料的污染问题、疏水表面的稳定性差、疏水织物功能化等问题限制着疏水功能织物的可持续发展。因此，有必要对疏水织物的相关研究进展进行总结，以启发疏水界面的设计和疏水织物的功能化应用。

基于此，福州大学赖跃坤教授、黄剑莹教授，福建理工大学李巍副教授，联合新加坡南洋理工大学陈忠教授在期刊Industrial Chemistry & Materials上发表题为“Progress on fiber engineering for fabric innovation in ecological hydrophobic design and multifunctional applications”的综述文章，文章围绕疏水织物的绿色制备和功能化应用主题展开，主要介绍了界面润湿性机理、用于疏水织物制备的天然材料及其衍生物和高效稳定的疏水表面构建策略，之后归纳了疏水织物的多功能应用。最后，文章讨论了绿色疏水织物研究中的挑战和机遇，并对未来织物的发展进行了展望。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。

图1. 图文摘要

1 受生物的液滴控制行为启发的润湿性机理

自然界中生物对液滴操纵的行为比比皆是，如“出淤泥而不染”的荷叶，鱼在污染水中“皆若空游无所依”，猪笼草的捕猎本领以及仙人掌在沙漠中独特的生存法则。受这些生物行为启发，十九世纪许多著名的科学家提出界面润湿机理，即构建疏水表面两个重要的手段，降低表面自由能和提高表面粗糙度，为疏水表面的设计提供理论指导。基于这些设计策略，疏水织物被广泛研究。

图2 生物的润湿行为和表面润湿机理

2 疏水织物的天然原料

疏水织物的绿色可持续发展至关重要，天然材料因其成本低廉和生物相容被重点考虑。其中以天然蜡为主的材料能有效减低织物表面自由能，能够直接应用于疏水织物的制备。植酸、木质素、纤维素、壳聚糖等这类天然材料提取物通常情况下是亲水，但当它们在纳米尺度下却表现出独特的疏水增益效果。它们更多被制成纳米颗粒并疏水改性，以达到降低表面自由能和提高粗糙度的目的。此外，它们丰富的特性也被用于疏水阻燃、疏水抗菌等功能织物的制备。

图3 用于疏水织物制备的天然原料

疏水织物的设计总是围绕着降低表面能和提高表面粗糙度进行的，常见的策略如：低表面能材料与纳米微粒的结合；通过物理化学手段获得粗糙的织物表面；在织物表面枝接化学长链；通过非织造手段制备疏水纤维。

图4 疏水织物的常见制备手段

4 稳定疏水界面的构建策略

疏水涂层的稳定性也是设计疏水织物需要重点考虑的因素。以下介绍几种创新性的设计思路：1.可形变的疏水表面，表面再液滴的冲击下发生形变，孔隙变小以获得更高的静水压。2.“盔甲”保护的疏水表面，通过硬质耐磨材料保护脆弱的疏水材料从而形成更稳定的表面。3.“以柔克刚”的疏水表面，通过模仿蚯蚓的表面设计出褶皱柔韧的表面，使得表面可以在外力摩擦下发生变形，进而提高表面的寿命。4.自修复涂层，通过涂层的自我修复来提高防水涂层的寿命。这些创新性思路有助于启发我们设计出更稳定的疏水织物。

图5 稳定的疏水表面设计策略

5 疏水织物的应用

通过改变疏水织物润湿性梯度或特殊的结构设计，可以将它用于高效液滴运输的高排汗衣物。此外，疏水织物在油水分离、雾气收集、防冰除冰等方面同样具有很大的应用前景。

图6 疏水织物的应用

6 “疏水+”“疏水++”设计模式

常见的“疏水＋”织物如：疏水+阻燃、抗菌、导电、光催化等，多种性能的结合可以增加织物的适用场景。在“疏水+”的基础上，“疏水++”织物也被广泛设计。如：疏水+导电+运动监测、纳米发电机、超级电容器，其中织物疏水的特性可以保护导体免受液体的干扰。如疏水+抗菌+生物医学，其中织物的疏水能够实现自清洁，进而提高织物的抗菌效果。再如疏水+电磁屏蔽+信号检测；疏水+光催化+水体蒸发；疏水+阻燃+火灾报警等。

图7 疏水织物的功能化应用

7 总结与展望

本文概述了生态友好型疏水纺织品的开发和功能化进展。首先，描述了用于制造超疏水纺织品的天然材料及其衍生物，包括纤维素、木质素、壳聚糖等。其次，介绍了高效、稳定的疏水纺织品制备方法，包括常见的制备手段和一些具有启发性的设计。最后重点介绍了疏水织物的功能化应用。虽然当前织物已经快速发展，但是疏水织物的可持续发展和功能化的实现依旧需要更广泛的研究。未来多功能织物的制备应该考虑以下几个问题：

（1）目前功能织物的制备大多集中在实验室小规模化的制备，因此应该考虑实现功能织物制备过程的便捷化和工业化应用。

（2）当前的织物设计和制造正朝着绿色和可持续的方向发展。然而，这种绿色是不全面的，制造过程并不完全是绿色的，或者可能需要更高的成本来获得绿色织物。未来的设计应该朝着全过程绿色、低成本的方向发展。

（3）随着信息技术、物联网、人工智能的快速发展，各种智能纺织品的功能日益丰富，同时在能量采集、资源回收等领域也有应用。研究人员还应关注织物功能的集成化、智能化，以及跨领域间的合作。

Progress on fiber engineering for fabric innovation in ecological hydrophobic design and multifunctional applications

赖跃坤教授简介：福州大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，福建省“闽江学者”特聘教授和福建省“百人计划”，致力于超浸润膜材料及环境保护的开发与应用。主持国家重点研发计划项目课题、国家基金委国际合作项目、面上项目、福建省杰青和企业等项目。以第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、Matter、Adv. Funct. Mater.、Environ. Sci. Technol.和Chem. Eng. J.等高水平期刊发表SCI论文200余篇，他引2万余次，H-index为88，2018-2023连续6年入选科睿唯安全球高被引科学家；获授权发明专利38件（国际专利11件），获侯德榜化工科学技术青年科学奖、中国产学研合作创新奖和教育部高等学校自然科学二等奖；担任国际化工专业期刊Chem. Eng. J.副主编等学术兼职。