听说冲锋衣上热搜了？玩转荷叶教你认识冲锋衣为啥防水

  这两天国产冲锋衣被卡脖子的话题冲上热搜，不知道大家在使用冲锋衣的时候，有没想到冲锋衣和荷叶之间还有一段不小的渊源呢？

  大家小时候有没有在荷塘摘一片荷叶当雨伞的经历？当水珠在荷叶上滚来滚去时，不知你是否意识到这种水珠不沾湿荷叶的现象并不简单。这种“荷叶效应”后来被大范围的应用到防水材料、超疏水材料、自清洁材料上面。

  为了方便讨论，我们先花点时间来辨析一下概念:防水、疏水，这双胞胎分别是啥意思？

  防水就是一个材料抵御水“入侵”的能力。一个材料 (这里具体指面料) 对水的抵抗能力用静水压头等级度量。想象一块织物被压在一个高大的充满水的管子下面，水开始渗透织物时管中水的高度 (mm 单位) 称为静水压头等级。通常把静水压头等级不小于 1000mm 的材料认为是防水材料。

  疏水是指材料抵御被水浸湿的能力，通常能用接触角 theta描述。液滴处于平衡状态时，自“液-固”界面，经液体内部，到达“气-液”界面的夹角叫接触角。接触角小于 90 度认为是亲水表面，接触角大于 90 度认为是疏水表面。

  所以聪明的小伙伴是不是已经想到：小孩子才做选择，我们防水疏水全都要！如果你想得到一个防水性非常好的材料，那么你应该使用防水的基体材料再加上疏水的涂层。

  冲锋衣可以防水当然是因为水滴不能“进入”到冲锋衣织物内部。然而其实所有的织物都有孔，只是由于水滴的大小大于织物的孔隙而无法穿透，一个全是洞洞的东西显然不能遮雨 (如果有小伙伴要刨根问底，水是怎么被挡在材料外面的，最根本的原因是源自电磁力。我们都知道物质是由原子核和电子构成，电子和电子间的排斥造成了这种“抵挡”)。所以织物越密实，显然其防水性能会更好(但对于冲锋衣来说，这同样会使得透气性变差，因此并不是越密越好)。

  然而单靠织物的防水能力并不理想，生产防水织物的最常见方法是在织物上涂上一层疏水涂层。

  说到疏水性，就必须提“荷叶效应”了。1997 年W.Barthlott和C.Neinhuis发表了“荷叶效应”的原始文章，可以说，这篇文章开启了表面科学针对超疏水的研究热潮。Barthlott 和 Neinhuis 通过研究荷叶表面的微观结构，发现荷叶的表面并不光滑，而是有一个个小乳突的粗糙表面。这种表面是使得水珠在荷叶表面上自由滚动而不沾湿荷叶的原因。而这种现象就被称作“荷叶效应”（顺便提一句，其实在 Barthlott 和 Neinhuis 的原始文章中“荷叶效应”更准确的翻译应该叫“圣莲效应”，作者是取神圣的莲花冰清玉洁不被污染的意思）。

  首先，我们来说明为什么疏水的表面是表面能比较低的。对公式不怎么感兴趣的同学直接看下面的结论。

  接触过表面物理化学的同学必须要知道 1805 年著名的杨氏方程，表达式如下:

  这个方程指出，是否润湿取决于液滴扩大表面所需要的能量与由于覆盖基底材料而获得的能量之间的大小，后者能补偿前者时可以浸润，最终使得系统的能量最小；反之，当基底材料的表面能低于液滴的表面能时一定不会使液滴铺展。因此想得到一个疏水的表面，其表面一定是低能表面。

  第二个影响疏水性能的因素是表面粗糙度。粗糙的表面导致液滴与表面间接触面积减少，液滴只能停留在乳突尖端上 (如图 6)，空气封在乳突中间，液滴被支撑起来。

  要注意的是，粗糙并不是导致疏水的根本条件，Wenzel 模型 (一种经典的模型，如图 7 所示) 认为粗糙表面的存在使得实际“固-液”接触面积大于表观几何接触面积，在几何上增强了疏水性 (或亲水性)。即粗糙度会使得疏水表面更疏水，使得亲水表面更亲水。

  综合上面两条我们大家可以得知：第一，如果表面的能量很低，水通过吸附获得的能量很小，则水就不会扩展即水会保持球状。很少或没有极性基团（例如有机固体、高聚物固体）的表面的表面能很低。这是怎么回事冲锋衣的防水涂层一般会选择聚氨酯（PU）、聚醚聚氨酯（PE）和有机硅及它们的组合的原因。

  第二，在粗糙表面的情况下，空气被包裹在表面与水滴之间形成复合表面（这种复合表面模型叫 Cassie-Baxter 模型（如图 8），是另一种经典模型。真实世界的情况通常是 Wenzel 模型与 Cassie 模型的结合）。这种复合表面扩大了水 / 空气界面并减少了水 / 固体界面。这种表面可以被视为是空气和固体合成了一个表面，这个空气和固体的复合表面的表面能比固体自己的表面能更低，从而使得液滴扩展吸附的能量更低而更不倾向于扩展或浸润。这就是“荷叶效应”的原理，将此运用到冲锋衣上，你就能得到一件防水服啦。

  但是这种疏水表面并不稳定。比如机械磨损，或者诸如水解的化学反应会破坏这种表面，影响其性能。这在仿生材料中是一个巨大的挑战。生物由于有生物活性可以再生这种乳突结构，然而如何制备可自愈的疏水材料是一个难点。因此这对冲锋衣的耐久性和寿命是一个挑战。同时，涂层可能会影响织物的撕裂强度。例如 PU 和 PE 的一个缺点在于会降低织物的强度。涂层影响了织物的滑动方式，压力更加集中，使得织物更容易撕裂。不过有机硅不容易水解，且会增加它们所应用的织物的强度因此在高端产品中应用较多 (当然其成本比较高)。

  对于一件衣服来说，其质量优劣显然不能仅以防水性来判断（如果是这样的话大家干脆穿雨衣出门就行了）。对于冲锋衣来说，需要兼顾防水性、透气性、应对复杂天气条件的耐候性、保暖性能、防风性能、快干性能等一系列功能性，这些功能之间可能是互相矛盾的，需要系统工程的视角。这可能也是会有高端冲锋衣卡脖子论调的一个原因。

  本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：opzk、蓝多多

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