基于超滑表面設計的復合棉織物性能研究

孟繁誠 陳威 劉永春 陳瑩

（北京服裝學院，北京，100029）

超滑材料是近年來新興的一種仿生表面材料，通過運用不同的方法構建粗糙結構，再注入不同類型的油狀液體使其具有超滑性質。超滑材料有著疏水材料良好的表面疏液、自修復、自清潔、防附著等功能，且有著比疏水材料更好的循環(huán)利用能力，因此表現出較大的優(yōu)勢和潛在應用價值［1］。

聚吡咯（PPy）具有良好的導電性以及環(huán)境穩(wěn)定性，且PPy復合材料具有疏水性［2］。HERMELIN E等人使用一步電化學方法制備出附有PPy涂層的疏水鋅電極，制備出的PPy層顯示出了十分優(yōu)越的自清潔防腐性能［3］。MECERREYES D等人利用化學合成法制備了PPy材料，使用氟共摻雜劑制成具有疏水氟化表面的織物，還將PPy選擇性沉積到紡織品中，構造出其疏水表面結構，有效提高了PPy材料的疏水性［4］。PPy復合織物可以通過原位聚合法在織物表面生成PPy，通過選用適當溶劑、模板等聚合條件將PPy設計聚合成各種微納結構［5-6］，是理想的制備超滑表面粗糙結構的材料。CHARPENTIER V J T等人在不銹鋼基材上覆蓋微孔PPy涂層后將低表面能潤滑劑氟化油和離子液體注入涂層中，與普通不銹鋼相比，在碳酸鈣水垢環(huán)境中，碳酸鈣沉積降低較明顯［7］。KIM P K等人在鋁表面用沉積法制備出的PPy超滑表面，冰黏附強度比傳統材料至少降低一個數量級［8］。

相比于疏水表面，潤滑油的毛細流動特性可以自我填充、修復劃痕空隙，使得超滑表面具有更好的疏水性和穩(wěn)定性能，而且還有比超疏水材料更好的防覆冰能力，但目前對超滑表面的研究仍處于試驗階段，對其粗糙表面還需進一步設計。本研究采用不同模板和低表面能摻雜劑一步法制備疏水PPy復合棉織物，再用浸潤法在表面灌注低表面能潤滑油；通過表面性能測試，比較疏水及超滑表面的性能差異，研究吡咯聚合工藝對超滑表面性能的影響。

1 試驗

1.1 PPy復合棉織物的制備

N-甲基吡咯及碘摻雜法（以下簡稱碘摻雜法）。首先，稱量2 g棉織物做為基材，浸泡于添加了4 mL碘的80 mL、1.5 mol/L的FeCl3水溶液中并不斷攪拌。其次，配置混合8 mL吡咯和8 mL N-甲基吡咯的無水乙醇混合溶液，將其注入上述Fe-Cl3水溶液中，在室溫下連續(xù)攪拌反應1 h，反應結束后取出織物，依次用去離子水、皂液及無水乙醇清洗，80℃烘干。最后，稱重，貼標簽裝袋。

甲基橙（MO）軟模板法（以下簡稱MO軟模板法）。首先，稱量2 g棉織物。以1∶200的浴比配置MO（0.005 mol/L）和FeCl3（0.5 mol/L）混合溶液400 mL。在燒杯中盛入400 mL去離子水，依次加入0.654 8 g的MO粉末和32.442 g的無水FeCl3，用玻璃棒攪拌至溶解并形成FeCl3—MO絡合物。其次，放入稱取好的織物，并置于0℃至5℃的冰水浴中，用電動攪拌機不斷攪拌，使織物被絡合物充分浸潤附著，此時緩慢滴加26.836 g的吡咯，攪拌2 h后取出并依次用去離子水、皂液及無水乙醇清洗，80℃烘干。最后，稱重，貼標簽裝袋。

超滑處理。將上述兩種方法制備的烘干樣品分別浸泡在全氟奈烷中12 h，自然干燥后稱重，貼標簽裝袋。

1.2 PPy復合棉織物的性能測試及表征

使用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察各織物微觀形貌。使用Orintex Clorado 3600D型測色系統測試PPy復合棉織物的K/S值，以表征織物表面PPy的沉積情況。K/S值越大，表面顏色越深；K/S值越小，表面顏色越淺。使用RTS-9型雙電測四探針測試儀測試各織物方阻，每片織物上取5個點測量，取平均值。使用CSCDIC-200S型接觸角測量儀測試處理后織物的接觸角，每片織物測量5個點數據，取平均值。將水和牛奶滴在傾斜25°的織物表面，控制液滴在織物上滑動具有相同的軌道長度（4 cm），使用攝像機進行錄像，對液滴在織物上不同滾動位置進行截圖并記錄所用時間，觀察并記錄液滴在織物表面的殘留現象，并用液滴滑落所用時間對抗黏連性進行表征。由于選取小體積液滴時對比更加明顯，故對比試驗選取2.5 μL水滴和1.7 μL牛奶。

2 結果與討論

2.1 掃描電鏡

圖1為各織物的電鏡照片。

圖1 棉織物處理前后電鏡照片

由圖1（b）和圖1（c）可以看出，經過吡咯聚合處理后吡咯在棉纖維表面形成PPy薄膜，且對比圖1（a）可知，聚合后棉纖維的天然卷曲消失。原棉織物的纖維表面存在天然卷曲且粗糙不平，在聚合過程中由于氧化劑FeCl3等試劑的影響，纖維吸濕溶脹，天然卷曲消失，與此同時，吡咯在纖維表面聚合為PPy。碘摻雜法所形成的PPy顆粒較小且所成膜比較均勻，MO軟模板法所形成的PPy顆粒較大且成膜不均勻。不同PPy的外觀形貌及結構會導致不同的物理化學性能。由圖1（d）和圖1（e）可見，經過超滑處理后棉纖維表面微觀形貌沒有明顯變化。

2.2 PPy復合棉織物的性能

原棉織物不導電。經測試可知，經碘摻雜法制備的棉織物增重率23.39%，K/S值42.509，接觸角137.30°，不導電；經MO軟模板法制備的棉織物增重率22.97%，K/S值52.671，接觸角134.72°，方阻（144.68±77）Ω/□。可以看出，兩種方法制備的PPy復合棉織物具有類似的增重率和疏水性能。PPy本身為黑色，但因兩種方法所用摻雜劑不同，造成K/S值有所區(qū)別，其中MO軟模板法制備的PPy的K/S值更高，顏色更深。

2.3 PPy復合棉織物超滑處理后的性能

表1為超滑處理后復合棉織物的浸潤性及導電性測試數據。由表1可以看出，將碘摻雜法和MO軟模板法制備的PPy復合棉織物進行超滑處理后，由于注入了全氟奈烷潤滑油，雖然接觸角會有些許降低，碘摻雜法的樣品降低了3.81°，MO軟模板法的樣品降低了9.46°，但織物的浸潤現象降低，總體疏水效果加強。全氟奈烷潤滑油的加入使得MO軟模板法樣品的方阻得到顯著下降，碘摻雜法樣品的導電性亦有顯著提高。因此，超滑處理可明顯降低復合織物表面方阻，使織物導電性明顯提高。

從表1可以看出，碘摻雜法所制備的樣品接觸角較大，因此選用碘摻雜法制備的棉織物做抗黏連性試驗。以液滴滾動到織物下方所用時間作為抗黏連性能的對比表征參數，具體結果見圖2。

表1 棉織物超滑處理后的浸潤性和導電性

圖2 碘摻雜法經超滑處理前后抗黏連性測試圖片

由圖2可以看出，在25°斜角臺上，以碘摻雜法制備的PPy復合棉織物在超滑處理前后抗黏連效果有明顯不同。水滴抗黏連試驗中，超滑處理前水滴滾落所用時間為0.19 s，超滑處理后所用時間為0.16 s；牛奶滴抗黏連試驗中，超滑處理前牛奶滴在織物表面滾動一小段距離不再滾動，超滑處理后牛奶滴滾落所用時間為0.27 s，且織物表面會殘留些許奶漬。因此，可以認為碘摻雜法制備的PPy復合棉織物對水具有良好的抗黏連性能，但對于牛奶漬等黏度大的液體的抗黏連效果較差；同時，經過超滑處理后，碘摻雜法制備的PPy復合棉織物抗黏連性要比超滑處理前有顯著提高。

3 結論

本研究基于超滑表面的仿生設計原理，采用PPy在棉織物上形成粗糙表面，再經全氟奈烷浸泡形成超滑表面，根據試驗結果得出以下結論。

（1）碘摻雜法所形成的PPy顆粒較小且所成膜比較均勻，MO模板法所形成的PPy顆粒較大且成膜不勻；兩種方法制備的PPy復合棉織物具有類似的增重率和疏水性能，接觸角均達到134°以上；MO軟模板法制備的PPy復合棉織物具有良好的導電性，方阻為（144.68±77）Ω/□，可用于潮濕環(huán)境中的柔性傳感器、電容器電極材料等領域。

（2）超滑處理對織物纖維表面微觀形貌沒有明顯影響，超滑處理后織物接觸角會有所降低，但液體在織物上的擴散和浸潤現象減少，疏水效果得到加強。全氟奈烷潤滑油的加入使得MO模板法樣品的方阻降至（15.36±1）Ω/□，故超滑處理會使織物表面方阻明顯降低，使織物導電性明顯提高。

（3）經過超滑處理后，碘摻雜法制備的PPy復合棉織物抗黏連性較超滑處理前有顯著提高。

總之，PPy復合棉織物的超滑處理可以提高織物的抗黏連性能，且織物導電性也有明顯提高。基于這些特性優(yōu)勢，超滑表面設計的織物有望應用于導電傳感、自清潔、抗腐蝕、抗吸附、抗結垢、防冰凍等領域。