福州大学赖跃坤教授团队综述：纤维工程的创新进展 - 从绿色疏水的设计到多功能应用

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。

图文摘要

• 系统介绍了界面润湿性机理、可用于疏水织物制备的天然材料和具有启发性的疏水织物制备策略。

• 评述了疏水织物的功能化方向以及在人体监测、能源收集、生物医学等领域的深远意义。

• 总结了疏水功能织物的研究现状，并展望了疏水织物面临的挑战和未来发展方向。

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1. 生物的润湿行为和表面润湿机理

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2. 用于疏水织物制备的天然原料

疏水织物的制备方法

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3. 疏水织物的常见制备手段

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4. 稳定的疏水表面设计策略

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5. 疏水织物的应用

“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6. 疏水织物的功能化应用

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。