杜趙群 陳韋韋

摘 要：為解決部分地區(qū)淡水資源供應(yīng)不足的問(wèn)題，受自然界集水生物啟發(fā)，研究了一款具有定向水運(yùn)輸功能的Janus集水帆，并對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了表征；采用集霧裝置對(duì)所制備的Janus織物進(jìn)行集霧和相關(guān)性能穩(wěn)定性測(cè)試，探討了Janus織物制備參數(shù)中的具有疏水功能的氟碳化合物共聚物處理時(shí)間、高錳酸鉀氧化時(shí)間、親水整理液質(zhì)量濃度和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)集水效果的影響。結(jié)果表明：采用漂浮法所制備的Janus 織物耐摩擦和耐水洗性能良好，具有單向?qū)裥?，能夠使采集到的霧滴加速?gòu)目椢锸杷畟?cè)向親水側(cè)轉(zhuǎn)移，從而使暴露于霧源的疏水側(cè)保持新鮮干燥，并收集到更多霧滴。當(dāng)氟碳化合物共聚物處理時(shí)間為20min，高錳酸鉀氧化時(shí)間為2 h，聚醚改性硅油（親水作用）質(zhì)量濃度為80 g/L，親水整理液中 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，Janus織物2 h內(nèi)集水量最大，為1240 g/m2。

關(guān)鍵詞：浸潤(rùn)性；棉織物；Janus；納米二氧化硅；霧收集

中圖分類號(hào)：TQ352.4；TQ638；TS102 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2097-2911-（2024）01-0001-11

Structural Fabrication and Characterization of Janus-fabric Sail With Directional Water Conveyance

DU Zhaoqun*， CHEN Weiwei

（Shanghai Frontiers Science Center of Advanced Textiles， College of Textiles，Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract：In order to solve the problem of insufficient freshwater supply in some regions， and inspired by nat- ural water harvesting organisms， this paper studies a Janus water harvesting sail with directional water trans- portation function， and characterizes its structure and performance. A mist collection device is used to conduct mist collection and related performance stability tests on the prepared Janus fabric. The effects of the treatment time of fluorocarbon copolymer with hydrophobic function， potassium permanganate oxidation time， hydro- philic finishing solution mass concentration， and SiO2 mass fraction on the water collection effect in the Janus fabric are explored. The results show that the Janus fabric prepared by the floating method performs well in abrasions and water washing resistance tests， and has unidirectional moisture conductivity. It can accelerate the transfer of collected droplets from the hydrophobic side to the hydrophilic side of the fabric， thereby keeping the hydrophobic side exposed to the fog source fresh and dry， and collecting more droplets. When the treat- ment time of fluorocarbon copolymer is 20 minutes， the oxidation time of potassium permanganate is 2 hours， the mass concentration of polyether modified silicone oil （hydrophilicity） is 80 g/L， and the mass fraction of SiO2 in the hydrophilicity finishing solution is 0.8%， the Janus fabric has the maximum water collection within 2 hours， which is 1240 g/m2.

Keywords：infiltration; cotton fabric; Janus; nanometer SiO2; fog collection

隨著紡織產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)，具有特殊功能的紡織產(chǎn)品大量出現(xiàn)在人們視線中，相應(yīng)紡織品的應(yīng)用范圍正逐漸擴(kuò)大[1]。特殊浸潤(rùn)性紡織面料的開(kāi)發(fā)，也越來(lái)越受研究人員和各個(gè)紡織企業(yè)研發(fā)青睞[2-3]。過(guò)去幾十年里，水資源短缺一直是最嚴(yán)重的全球性危機(jī)之一，再加上全世界淡水資源分布不均，已嚴(yán)重威脅水資源極其匱乏的地區(qū)的生物乃至人類的生存，如何確保持續(xù)的水供應(yīng)成為一大難題[4-5]。而霧中集水已被證明是解決這一問(wèn)題的可行方案[6]。霧是懸浮在空氣中的微米級(jí)水滴，也因此被視為在沙漠、海岸和山脈等干旱地區(qū)獲取淡水的潛在資源[7]。許多干旱地區(qū)雖然十分缺乏現(xiàn)成的液態(tài)水，但是由于特殊的地理環(huán)境常出現(xiàn)大霧天氣，只要在垂直于盛行風(fēng)的方向布置一張大網(wǎng)，就可以捕捉到風(fēng)中的霧滴。很早以前，就有一些公司安裝許多巨大的霧收集器，然而這些聚合物網(wǎng)的材料和結(jié)構(gòu)尚未得到充分優(yōu)化，并未完全達(dá)到預(yù)期集水效果[8]。于是人們開(kāi)始探討如何提升捕霧裝置集水效率。自然界中的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化和自然選擇，其結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)達(dá)到近乎完美的程度。受自然界集水生物的啟發(fā)[9]，研究人員紛紛構(gòu)建出一維或二維的仿生集水材料，如類蜘蛛絲纖維[10-13]、仙人掌刺狀椎體[14-17]以及納米布沙漠甲蟲(chóng)表面[18-21]等。此外，荷葉的自清潔功能[22]、豬籠草的定向輸送功能[23]、蝴蝶翅膀的定向?qū)δ躘24]啟發(fā)研究人員開(kāi)發(fā)出了一種具有定向水運(yùn)輸作用的材料，即Janus材料。這種具有兩種相反潤(rùn)濕性的結(jié)構(gòu)材料，引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。跟仿沙漠甲蟲(chóng)制備的復(fù)合型潤(rùn)濕性圖案織物不同，其潤(rùn)濕性差異體現(xiàn)在織物厚度方向上。研究人員發(fā)現(xiàn)，將其運(yùn)用到液體的定向運(yùn)輸上時(shí)，出現(xiàn)水滴從疏水側(cè)自發(fā)向親水側(cè)轉(zhuǎn)移，且織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異越大，水的定向運(yùn)輸效果越明顯，當(dāng)收集到的水滴能自發(fā)從暴露于霧源的一側(cè)向織物另一側(cè)轉(zhuǎn)移，就能維持該側(cè)的干燥狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)霧的不間斷收集。總之，具有定向水傳輸?shù)目椢飸?yīng)用在霧中集水中在人們看來(lái)是一種可行的辦法。這也使得Janus膜在集霧領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。曹等人[25]報(bào)告了一種由疏水性銅網(wǎng)和超親水棉吸收劑構(gòu)建的二元合作Janus霧收集器，收集的水可以定向輸送和保存，使新鮮疏水表面再生，降低了水的再蒸發(fā)率。吳等人[26]采用兩步靜電紡絲法，以聚丙烯腈為起始材料制備定向芯吸纖維膜。他們發(fā)現(xiàn)定向芯吸膜比具有均勻潤(rùn)濕性和相同纖維結(jié)構(gòu)的膜具有更大的集水能力。多孔結(jié)構(gòu)和孔徑也有助于集水。疏水層和超親水層之間孔徑的變化可導(dǎo)致1.7倍的集水率差異。梁等人[27]通過(guò)引入聚酯織物作為中間支撐層并通過(guò)靜電紡絲在其兩側(cè)沉積親水和疏水膜制造了三層Janus織物。討論了親水層厚度對(duì)水定向輸送的影響。趙等人[28]提供了一種制造具有優(yōu)異單向透水性能的一體化Janus織物的新方法。他們將聚乙烯醇/海藻酸鈉溶液通過(guò)靜電紡絲直接沉積在用CaCl2溶液預(yù)處理的聚酯織物上，并與織物中的Ca2+原位螯合。原位形成的聚乙烯醇/海藻酸鈉凝膠涂層不僅將滌綸織物表面由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，而且保留了滌綸織物原有的多孔結(jié)構(gòu)。黃等人[29]通過(guò)一步靜電紡集水在親水棉織物上沉積不同厚度的聚苯乙烯層，制備了雙層親水/疏水Janus織物，并系統(tǒng)研究了PS厚度和霧出口到織物表面的距離對(duì)集水率的影響。

這些研究表明，捕霧帆集水效率與帆表面潤(rùn)濕性以及表面的微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。且已知Janus織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異越大，潤(rùn)濕性梯度越明顯，其水定向運(yùn)輸能力越突出。材料表面的特殊微觀結(jié)構(gòu)因影響物體表面潤(rùn)濕性進(jìn)而會(huì)影響集霧效率，即疏水表面經(jīng)過(guò)粗糙處理后，材料表面會(huì)表現(xiàn)出更加疏水性能；同樣親水表面經(jīng)粗糙處理后，材料表面也會(huì)表現(xiàn)出更加親水性能。本文采用多種方式先后對(duì)物體表面粗糙進(jìn)行修飾處理，引入低表面能物質(zhì)對(duì)棉織物進(jìn)行疏水處理后，使用含 SiO2納米顆粒的親水硅油對(duì)棉織物進(jìn)行二次改性，最終獲得在織物厚度上產(chǎn)生潤(rùn)濕性差異的Janus織物，用于霧收集。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料和試劑

棉織物（105 g/m2）；聚醚改性硅油（分析純，山東化工廠）；高錳酸鉀滴定溶液（0.02 M，析標(biāo)科技有限公司）；氟碳化合物共聚物（200 mL/L，紅蜘蛛納米新材料有限公司）；二氧化硅納米顆粒（99.99%，直徑為20nm，中冶新材料科技有限公司）。

1.2 試驗(yàn)儀器

恒溫水浴鍋（上海力辰邦西儀器科技有限公司）；電子天平（紹興艾析科技有限公司）；烘箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；掃描電子顯微鏡（國(guó)儀量子（合肥）技術(shù)有限公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（輔光精密儀器（上海）有限公司）；馬丁代爾耐磨儀（上海計(jì)量研究院）；超聲波清洗機(jī)（深圳市鈺潔清洗設(shè)備制造中心）；掛燙機(jī)（捷挺）。

1.3 漂浮法制備Janus 織物

1.3.1 親水整理液的配制

將聚醚改性硅油按一定比例溶解在水中，然后在磁力攪拌器的作用下使親水性硅油充分溶于水中；再加入直徑為20nm的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 SiO2納米顆粒；并再次進(jìn)行磁力攪拌，使納米顆粒均勻分散。

1.3.2 Janus織物的制備

在室溫下，將棉織物完全浸入氟碳化合物共聚物溶液中一定時(shí)間，然后經(jīng)自然晾干后得到疏水棉織物；再將織物浮在0.01 mol/L高錳酸鉀溶液中，并在恒溫水浴鍋中60℃條件下處理一定時(shí)間。

將處理后棉織物氧化的一側(cè)浮在親水整理液表面，10 min 后，在烘箱溫度為160℃下烘3 min，然后取出得到Janus織物。

1.4 Janus 織物的表征

1.4.1 外觀分析

觀察棉織物改性前后形態(tài)、結(jié)構(gòu)變化。

1.4.2 紅外光譜測(cè)試

采用FTIR對(duì)改性后的棉織物進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件：25±2℃ ， 空氣相對(duì)濕度60±3%。

1.4.3 掃描電鏡測(cè)試

在室溫下，采用離子濺射儀進(jìn)行鍍膜處理，以5 kV的加速電壓對(duì)樣品表面的微觀形貌進(jìn)行表征。

1.4.4 接觸角測(cè)試

在室溫下，測(cè)量幾種織物的親水區(qū)域和疏水區(qū)域接觸角。將制備好的樣品放在平面上，利用注射針緩慢擠出水滴。隨機(jī)在織物表面取五個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算平均值，最終得到所測(cè)樣品的水接觸角值。

1.4.5 耐摩擦性測(cè)試

將織物剪裁成38×38 mm ，然后將其放進(jìn)摩擦頭上，選用9 KPa 重錘。選擇加計(jì)數(shù)方式，次數(shù)為10000次，轉(zhuǎn)速為47.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)束對(duì)樣品進(jìn)行集霧測(cè)試。

1.4.6 耐水洗測(cè)試

將織物剪裁成10×10 cm，放進(jìn)超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行洗滌。測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件為：時(shí)間為10min， 溫度為20℃ ， 超聲強(qiáng)度適中，將適量清洗劑放進(jìn)清洗槽后把織物放進(jìn)其中開(kāi)始洗滌。洗滌結(jié)束，將樣品烘干，進(jìn)行集霧測(cè)試。

1.5 集霧測(cè)試

為探究 Janus織物的集水性能，搭建了簡(jiǎn)易集霧裝置用于定量表征集水效率。將Janus織物垂直懸掛，距離6 cm處放置可升降掛燙機(jī)并固定其高度，使霧源正對(duì) Janus 織物正中間位置。在其正下方分別放置一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的集水槽以收集捕獲到的水滴。以霧氣噴出兩小時(shí)后集水槽中收集到的水量為判定依據(jù)，為避免誤差，每種織物各測(cè)試4次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 表征測(cè)試

2.1.1 外觀分析

普通棉織物經(jīng)氟碳化合物共聚物處理一定時(shí)間后可浮在水溶液中不被浸濕，可實(shí)現(xiàn)單側(cè)改性。圖1為不同潤(rùn)濕性的織物外觀圖。（a）中可以看到棉織物經(jīng)疏水處理后外觀無(wú)明顯變化，為白色；經(jīng)氧化2 h 后接觸高錳酸鉀溶液一側(cè)由白色變?yōu)樽攸S色，且經(jīng)水洗后顏色無(wú)明顯變化，可初步判斷棉織物被高錳酸鉀氧化，且表面生成了一層錳氧化物。將處理后棉織物氧化一側(cè)進(jìn)行親水整理，其外觀也無(wú)明顯變化。Ja- nus 織物的兩側(cè)如（b）、（c）兩幅圖，（b）為 Janus 織物親水側(cè)，為棕黃色，（c）為Janus織物疏水側(cè)，為白色，不過(guò)由于疏水涂層很薄可以隱約看到其親水側(cè)。

2.1.2 FTIR分析

圖2為原棉織物、疏水改性棉織物、疏水/氧化改性棉織物、疏水/氧化/親水整理改性棉織物的FTIR譜圖。四條曲線均出現(xiàn)了O-H伸縮振動(dòng)峰。由于氟碳鍵伸縮振動(dòng)頻率位于1350.00-1000.00 cm-1區(qū)間，被纖維吸收峰遮蓋，所以在疏水改性棉織物的曲線中觀察不到明顯的C-F峰；由于錳氧鍵紅外特征峰主要位于紅外光譜低頻波段（<1000.00 cm-1），從紅外光譜圖中也無(wú)法直接觀察到。與原棉織物相比，疏水棉織物以及疏水后經(jīng)高錳酸鉀氧化得到Janus織物的譜圖均沒(méi)有明顯變化。和其他三條曲線相比，經(jīng)疏水/氧化/親水整理改性棉織物的曲線發(fā)生顯著改變。在2868.00 cm-1處的 C-H 伸縮振動(dòng)峰得到加強(qiáng)，以及在801.20 cm-1處出現(xiàn)了硅氧鍵的伸縮振動(dòng)振動(dòng)峰，說(shuō)明在纖維表面成功附著了含 SiO2的親水涂層。

2.1.3 SEM分析

圖3中（a）為普通棉織物纖維表面 SEM 圖，纖維之間有明顯邊界；（b）為經(jīng)疏水改性的棉織物，觀察到纖維表面變得更加粗糙，表層被附上一層薄膜，正是這層薄膜賦予織物疏水性質(zhì)；（c）為疏水棉織物經(jīng) KMnO4氧化得到 Janus 織物親水側(cè)，可以清晰看到許多微小顆粒；（d）為 Janus 織物進(jìn)一步經(jīng)含 SiO2的親水整理液處理后得到 Janus 復(fù)合織物親水側(cè)，纖維表面覆蓋有大量的微納米級(jí)顆粒，提高了纖維表面粗糙度。

2.1.4 接觸角分析

Janus織物依靠織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異實(shí)現(xiàn)定向水運(yùn)輸，通過(guò)測(cè)量織物表面水接觸角判定其浸潤(rùn)性。當(dāng)兩側(cè)接觸角值相差越大，兩側(cè)潤(rùn)濕性差異越明顯，Janus 織物輸水能力越強(qiáng)。圖4（a）為全親水干燥織物（普通棉織物）接觸角，由于棉織物本身具有親水性，很快被水滴潤(rùn)濕，但是由于纖維表面毛羽油脂的存在等，水接觸角為38°;（b）為全疏水織物水接觸角，其值為135° ， 說(shuō)明經(jīng)疏水處理后棉織物被賦予良好的疏水性質(zhì)；（c）為制得的Janus織物疏水側(cè)瞬時(shí)水接觸角，為133° ， 其值與（b）相近，說(shuō)明此時(shí)高錳酸鉀氧化作用未影響到該層，成功保留了織物疏水側(cè)，但由于織物的定向水運(yùn)輸作用，該值隨著時(shí)間增加逐漸減?。唬╠）為Janus織物親水側(cè)接觸角，為57° ， 說(shuō)明經(jīng)氧化和親水整理液處理后，織物又恢復(fù)了其親水性質(zhì)，從而制得兩側(cè)具有相反潤(rùn)濕性的Janus織物。

2.2 集霧測(cè)試

2.2.1 全親水、全疏水和 Janus織物的集水性能對(duì)比分析

為探究Janus織物集水能力，對(duì)制備的Janus 織物和其他織物分別進(jìn)行2 h 集霧測(cè)試。其中 Janus織物制備參數(shù)為疏水20min、氧化2h、親水整理液中親水硅油濃度：80 g/L、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。由圖5可知，集水效果由高到低為：Janus 織物>全疏水織物>全親水織物。對(duì)于全親水織物（普通棉織物），當(dāng)水滴附在織物表面上，由于親水表面特征，它們立即擴(kuò)散到織物中潤(rùn)濕織物；隨著時(shí)間的推移，固液接觸位置擴(kuò)散并最終覆蓋整個(gè)表面，這時(shí)由于重力的作用下，織物內(nèi)部的液體向下移動(dòng)，最終在織物底部聚集，并落到下方槽中，集水效率才緩慢上升，但是隨著織物被完全潤(rùn)濕，霧氣在織物表面成核概率明顯下降，即顯示出飽和狀態(tài)，集水效率又開(kāi)始減慢。全疏水織物表現(xiàn)出不同的集水性能。當(dāng)微小水滴接觸疏水表面時(shí)，不會(huì)擴(kuò)散到纖維基質(zhì)中，相反，一般會(huì)直接停留在織物表面。若未滾落，連續(xù)沉積的液滴與先前沉積的液滴聚結(jié)變大，隨著時(shí)間的推移，液滴變得越來(lái)越大，最終在重力作用下下落。但是隨著表面液滴越來(lái)越多，水滴收集效率也明顯減慢，霧滴在織物表面成核概率下降，織物表面液滴也達(dá)到了飽和狀態(tài)。對(duì)于 Ja- nus 織物，當(dāng)疏水面暴露于霧源時(shí)，一旦接觸到膜表面，和全疏水層一樣，會(huì)直接停留在織物表面成核，并等待聚結(jié)。隨著水滴不斷變大，它要么也直接受重力作用而下落，或者在潤(rùn)濕梯度作用下發(fā)生橫向運(yùn)輸?shù)竭_(dá)織物背面。這允許疏水層保持干燥防止織物達(dá)到飽和，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，這種效果越明顯，有助于捕獲更多液滴。因此跟其他類型織物相比，Janus織物具有更高的集霧效率。

2.2.2 Janus織物制備參數(shù)對(duì)其霧水收集效果的影響

為找到 Janus織物最佳制備參數(shù)，探究了疏水處理時(shí)間、高錳酸鉀氧化時(shí)間、親水整理液中聚醚改性硅油質(zhì)量濃度、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì) Janus 織物集霧效果的影響。

2.2.2.1 疏水處理時(shí)間對(duì)Janus織物霧水收集效果的影響

對(duì)氟碳化合物共聚物處理時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min，經(jīng) KMnO4氧化2 h，聚醚改性硅油質(zhì)量濃度為80 g/L，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的親水整理液處理得到的Janus織物進(jìn)行2h集霧測(cè)試，并比較集水量，如圖6所示。由圖可知，集水效果由高到低順序依次為：疏水處理20 min>疏水處理30min>疏水處理10min 。疏水處理時(shí)間反映的是織物表面疏水涂層厚度，處理時(shí)間過(guò)短，織物表面涂層過(guò)薄，疏水改性較弱，此時(shí)只有當(dāng)親水側(cè)親水性很強(qiáng)，才能得到Janus織物，因而集水量沒(méi)有增大。且因涂層附著較淺易脫落使性能穩(wěn)定性受損；處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，織物表面涂層過(guò)厚，疏水效果好，得到Janus織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異明顯，但Janus織物具有定向液體運(yùn)輸功能的前提是位于表面的液體受到的耐靜水壓力大于疏水力，疏水層越厚受到的疏水力越大，越難克服，因此提高Janus織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異的關(guān)鍵，是保留Janus織物疏水層的前提下，盡量增大親水側(cè)親水性。此外涂層越厚纖維間孔隙很可能被覆蓋，液體無(wú)法進(jìn)入到達(dá)親水層，破壞了織物微孔結(jié)構(gòu)。因此當(dāng)疏水時(shí)間為20min，所獲得的Ja- nus 織物定向液體運(yùn)輸能力最好，集水量最大。

2.2.2.2 KMnO4氧化時(shí)間對(duì)織物霧水收集效果的影響

對(duì)疏水處理時(shí)間為20min、氧化時(shí)間分別為0 h、1 h、1.5 h和2 h、親水整理的硅油濃度為80 g/L、納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%處理后的Janus織物進(jìn)行2h集霧測(cè)試比較集水量，集水結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，集水效果由高到低順序依次為：氧化2 h的Janus復(fù)合織物>氧化1.5 h的Janus 復(fù)合織物>氧化1h的Janus復(fù)合織物>未氧化Ja- nus 織物。高錳酸鉀為強(qiáng)氧化劑，能在一定溫度條件下將纖維素分子中的羥基氧化，自身被還原成二氧化錳納米顆粒附著在纖維素表面，破壞了棉織物表面疏水涂層的同時(shí)，由于其自身表面含有70%羥基，具有親水性，使織物恢復(fù)親水性質(zhì)，形成Janus織物的親水側(cè)。若疏水棉織物未經(jīng)氧化直接用親水整理液處理，織物因表面覆蓋了一層親水層，同樣可以適當(dāng)減小織物表面接觸角，圖8從左到右分別為普通棉織物、未氧化直接進(jìn)行親水整理的Janus織物和先氧化再進(jìn)行親水整理的Janus織物表面水滴潤(rùn)濕情況，其中普通棉織物作為對(duì)照，觀察到先氧化再親水整理能明顯改善Janus織物親水側(cè)親水效果。進(jìn)一步進(jìn)行 SEM測(cè)試結(jié)果如圖9，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高錳酸鉀氧化過(guò)的Janus織物，其表面粗糙度更大，分布均勻的親水性MnO2納米顆粒是減小親水側(cè)接觸角，使其更親水的關(guān)鍵原因。由于增大了Janus織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異，所以提高了Janus織物定向輸水能力，從而加快捕霧效率，所以相同條件下集水量更大。若氧化時(shí)間太短，疏水層未被完全氧化，親水改性不夠，所以集水量同樣有待提高。當(dāng)氧化時(shí)間到達(dá)一定值時(shí)，織物表面液體所受到的耐靜水壓力遠(yuǎn)程毛細(xì)管力大于疏水力，使疏水側(cè)液體迅速轉(zhuǎn)移到親水側(cè)，以維持疏水側(cè)干燥界面。此時(shí)若繼續(xù)增加氧化時(shí)間，KMnO4會(huì)從織物一側(cè)將其完全氧化，破壞Janus織物的疏水層，織物定向輸水能力消失，集水量反而下降，因此氧化時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。說(shuō)明高錳酸鉀氧化織物這一步對(duì)于增大 Janus 織物兩側(cè)潤(rùn)濕性差異是必不可少的，但氧化時(shí)間不能太長(zhǎng)，最佳時(shí)間為2h。

2.2.2.3 聚醚改性硅油質(zhì)量濃度對(duì)織物霧水收集效果的影響

對(duì)聚醚改性硅油質(zhì)量濃度分別為0 g/L、60 g/L、80 g/L、100 g/L，SiO2納米顆粒濃度為0.8%的親水整理液對(duì)氧化2h的織物進(jìn)行處理得到的 Janus織物進(jìn)行2 h集霧測(cè)試并比較三者集水量高低，集水結(jié)果如圖10所示，其集水效果由高到低順序依次為：80 g/L >60 g/L >100 g/L >0 g/ L 。隨著整理液濃度的增大，織物集水量先增大后減小。是由于整理到織物上的聚醚改性硅油分子上含有大量親水基團(tuán)，使得織物親水性增大，還作為黏著劑協(xié)助親水二氧化硅附著在織物上，增大織物粗糙度。但當(dāng)整理液質(zhì)量濃度過(guò)大，超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)將纖維表面原本分布均勻的MnO2納米顆粒覆蓋，使粗糙度下降；其次會(huì)造成纖維內(nèi)部孔隙堵塞，改變織物表面微孔結(jié)構(gòu)，使其比表面積變小，從而削弱了Janus織物定向輸水能力。因此當(dāng)親水性硅油濃度為80 g/L時(shí)， Janus織物定向液體運(yùn)輸能力最強(qiáng)，集水量最大。

2.2.2.4 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物霧水收集效果的影響

對(duì) SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.6%、0.8%，聚醚改性硅油質(zhì)量濃度為80 g/L的親水整理液對(duì)疏水處理20 min，氧化2h的織物進(jìn)行處理得到的 Janus復(fù)合織物進(jìn)行集霧測(cè)試并比較集水量，集水結(jié)果如圖11所示。集水效果由高到低順序依次為：0.8%>0.6%>0.4%。

親水性 SiO2納米顆粒不僅能提高織物表面粗糙度，提升 Janus 織物親水性，而且增大織物表面比表面積，使霧滴與織物接觸位點(diǎn)增多，有利于捕獲更多液滴。圖12是 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的 Janus 復(fù)合織物微觀形貌圖。可以觀察到，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)織物表面更粗糙，納米顆粒分布更均勻，因此相比其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)親水硅油中 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，Janus 織物霧收集更快，集水量最大。

2.2.3 Janus織物的集霧性能穩(wěn)定性測(cè)試

特殊潤(rùn)濕性紡織品在生產(chǎn)，運(yùn)輸，以及使用過(guò)程中難免會(huì)受外界干擾，進(jìn)而影響其集水性能穩(wěn)定性。因此其承受一些物理或化學(xué)條件的影響的能力好壞直接關(guān)系到其實(shí)用性和集水能力穩(wěn)定性。本文采用對(duì)織物表面進(jìn)行改性的方法來(lái)制備Janus織物，表面附著物質(zhì)的穩(wěn)定性很大程度上決定了集霧性能，因此進(jìn)行耐摩擦性能測(cè)試，來(lái)探究表面附著物在經(jīng)過(guò)摩擦以后能否保持其加速液滴定向移動(dòng)的功能。此外，因?yàn)橹苽涞?Janus 織物用途是收集霧中的液滴，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處在濕度較大的環(huán)境中，而且使用過(guò)程中難免遭受機(jī)械扭住等作用，所以測(cè)試其耐水洗穩(wěn)定性。

2.2.3.1 耐摩擦性能測(cè)試

對(duì)不同類型織物進(jìn)行摩擦處理以后，再進(jìn)行集霧測(cè)試，觀察所制備的 Janus 織物性能穩(wěn)定性。圖13中 Janus 織物α表示對(duì) Janus 織物親水層進(jìn)行摩擦，Janus 織物δ表示對(duì) Janus 織物疏水層進(jìn)行摩擦。結(jié)果表明經(jīng)摩擦后，全親水織物集水量上升，是因?yàn)槟Σ梁罂椢锍霈F(xiàn)起毛起球現(xiàn)象，表面毛羽增加，增大了織物比表面積，從而增大了霧與織物碰撞概率，從而使集水量升高；全疏水織物集水量下降是因?yàn)槟Σ吝^(guò)程中疏水涂層發(fā)生脫落，恢復(fù)織物親水性質(zhì)，霧滴與織物接觸后進(jìn)入織物內(nèi)部，從而降低了集水量；對(duì)于Ja-nus 織物，當(dāng)對(duì)其親水側(cè)進(jìn)行摩擦后，其表面顆粒有些許脫落，但表面因毛羽增多，因此和全親水織物類似變得更加粗糙，從而變得更親水，增強(qiáng)了Janus織物定向輸水能力，集水量升高；當(dāng)對(duì)其疏水側(cè)進(jìn)行摩擦后，和全疏水涂層類似，因涂層脫落最終使集水量下降。總體上所制備的Janus 織物具有較好的耐摩擦性。

2.2.3.2 耐水洗性能測(cè)試

同理，織物水洗前后集水量變化結(jié)果如圖14所示。由圖可以看出，經(jīng)過(guò)洗滌之后，全親水織物集水量上升，是因?yàn)榻?jīng)洗滌以后織物發(fā)生一定程度變形，紗線間孔隙增大，霧穿過(guò)這些孔隙時(shí)，一部分會(huì)懸掛在纖維與空氣接觸界面而沒(méi)有進(jìn)入織物內(nèi)部去，所以短時(shí)間內(nèi)使集霧量上升，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著織物表面液體量達(dá)到飽和而消失。全疏水織物和Janus織物收集到的水量均出現(xiàn)了不同程度的下降。對(duì)于全疏水織物，是因?yàn)橄礈爝^(guò)程中織物表面涂層發(fā)生脫落，使其疏水性削弱，集霧時(shí)，部分液滴向織物內(nèi)部滲透，而沒(méi)有直接落到集水槽中，所以集水量有所下降。對(duì)于Janus織物，是因?yàn)橄礈爝^(guò)程中織物疏水側(cè)涂層受到損害的同時(shí)，親水側(cè)表面納米顆粒等附著物也發(fā)生脫落，降低織物表面粗糙度，從而削弱Janus織物定向液體運(yùn)輸能力，集水量下降。但總的來(lái)說(shuō)所制備的Janus織物的集霧能力仍然高于其它類型織物。

3 結(jié)論

受自然界集水生物啟發(fā)，采用仿生方法，以氟碳化合物共聚物作為納米疏水涂層，含 SiO2納米顆粒的聚醚改性硅油作為親水涂層，其間采用高錳酸鉀溶液氧化，利用簡(jiǎn)單的漂浮法制備了一款具有定向水運(yùn)輸能力的Janus織物基集水帆，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，所制備的Janus織物親水側(cè)呈棕色，疏水側(cè)呈白色；與原棉織物相比，Janus 織物的紅外光譜圖在801.20 cm-1處出現(xiàn)硅氧鍵的伸縮振動(dòng)峰，表明成功附著含 SiO2的涂層；與原棉織物相比，Janus織物表面覆蓋了大量的微納米級(jí)顆粒，表面粗糙度明顯增大；經(jīng)整理后，最終得到的Janus織物的親水側(cè)接觸角為57° ， 疏水側(cè)接觸角為133° ， 說(shuō)明簡(jiǎn)易漂浮整理法能夠獲得兩側(cè)具有相反潤(rùn)濕性的 Janus織物。采用霧集水裝置，測(cè)試并比較Janus 織物和普通織物的捕霧效率，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)獲得了集水效率最高的一款捕霧帆，霧水收集量可達(dá)到1240 g/m2。與以往采用靜電紡絲法制備Janus織物的工藝相比更簡(jiǎn)單，成本更低，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，所提出的織物基集水帆可用于緩解沙漠等缺水地區(qū)水資源短缺的問(wèn)題。

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