纳米金刚石对凯夫拉织物的改性：提升表面活性并去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）

《Macromolecular Materials and Engineering》：Nanodiamond Modification of Kevlar Fabric to Enhance Surface Activity and Eliminate PFAS

表面改性策略提升凯夫拉纤维疏防水性。通过聚丙烯酸（PAA）功能化处理增强纳米金刚石（ND）与纤维的界面结合，结合n-十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）形成稳定疏水层。实验表明PAA-ND-Silane系统水接触角达125°，耐50次洗涤和10000次摩擦循环，空气渗透率降低50%而不影响纤维柔韧性，提供环保的非PFAS疏水改性方案。

　　在现代纺织工业中，高性能纤维如Kevlar因其卓越的机械强度和热稳定性被广泛应用于防护领域。Kevlar纤维主要由聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）构成，其结构中的苯环和酰胺键赋予了它优异的化学耐受性、高拉伸强度以及固有的阻燃性。这些特性使得Kevlar在消防、军事、航空航天、汽车制造和建筑等行业中占据重要地位。然而，尽管Kevlar在物理性能上表现出色，其表面的低反应性却限制了进一步的功能性改性，尤其是在提高防水性能方面。防水能力对于防护织物而言至关重要，尤其是在高温环境下，如消防作业中，水的吸收可能导致蒸汽形成，从而增加人员受伤的风险。因此，如何在不损害Kevlar原有性能的前提下，提升其表面防水能力，成为当前研究的一个重要方向。

为了克服这一挑战，研究团队提出了一种基于聚丙烯酸（PAA）的表面功能化策略，以实现Kevlar织物的持久防水性能。PAA作为一种具有广泛化学兼容性的耦合剂，能够与多种纳米材料形成稳定的结合，其中纳米金刚石（ND）尤为关键。纳米金刚石有两种常见形式：爆破纳米金刚石（DND）和羟基化纳米金刚石（ND-OH）。DND表面富含多种官能团，如羟基、羧基和酰胺基，这些基团可以与Kevlar纤维表面的酰胺基形成氢键或共价键，从而增强其与纤维的结合力。相比之下，ND-OH主要含有羟基，因此在未进行表面活化处理的情况下，其与Kevlar的结合能力较弱。通过使用PAA作为中间层，可以显著提高ND在Kevlar纤维表面的附着力，从而实现更均匀的纳米结构覆盖。

在该研究中，PAA被通过浸渍和固化的方式成功接枝到Kevlar织物表面。实验结果显示，当PAA浓度为3 g/L时，能够实现最佳的吸水性和液体渗透率。随后，将DND和ND-OH纳米颗粒与PAA结合，进一步提升了纤维表面的粗糙度，这为实现防水性能提供了物理基础。研究指出，纳米结构的引入有助于形成一种称为Cassie-Baxter的湿润模式，这种模式通过在纤维表面形成微小的空气囊，使得水滴难以与纤维表面发生直接接触，从而增强了防水效果。此外，通过后续的硅烷化处理，特别是使用十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS），能够进一步强化纤维表面的疏水性。最终的PAA-DND-DTMS复合处理显著提高了Kevlar织物的水接触角，达到了125°左右，接近传统全氟烷基物质（PFAS）处理的效果，但具有更环保的优势。

研究团队还对处理后的织物进行了多方面的性能评估，包括防水性、耐磨性以及透气性。防水性测试通过观察水滴在织物表面的润湿行为进行，结果显示，经过PAA和ND处理的织物在60分钟内仍能保持水滴不被吸收，而仅使用DTMS处理的织物则在30分钟内即完全吸收水分。这表明PAA和ND的协同作用显著提升了防水性能。此外，经过3次洗涤循环后，PAA-DND-DTMS处理的织物仍然保持了较高的水接触角，而其他处理方式的织物则表现出不同程度的性能下降。这说明PAA的引入不仅增强了ND在纤维表面的附着力，还显著提高了防水涂层的耐久性。

耐磨性测试通过Martindale磨耗试验机进行，结果显示，PAA-DND-DTMS处理的织物在10,000次磨耗循环后仍能保持良好的表面完整性，而未进行PAA处理的织物则表现出更多的纤维断裂和表面损伤。这一结果进一步证明了PAA在提升纳米材料与纤维结合力方面的关键作用，以及ND在增强织物机械性能方面的潜力。此外，虽然防水处理显著降低了织物的透气性（减少约50%），但该处理并未影响织物的柔软度，表明其在保持舒适性的同时实现了性能的提升。

在实际应用中，这种基于PAA和ND的表面改性技术具有重要的意义。首先，它提供了一种无需使用PFAS的环保解决方案，避免了传统防水处理带来的健康和环境风险。其次，该方法具有良好的可扩展性，适合大规模工业应用，能够满足现代防护服装对多功能性和高性能的需求。此外，研究还表明，这种改性策略不仅适用于Kevlar纤维，还可能扩展到其他高性能纤维，为开发更广泛的应用场景提供了可能性。

该研究的创新之处在于结合了化学改性和物理结构调控，通过PAA的接枝引入反应性位点，再利用ND的纳米结构增强表面粗糙度，最终通过硅烷化处理实现疏水性能的提升。这种多步骤的表面改性策略不仅提升了Kevlar织物的防水性能，还保持了其原有的机械强度和柔韧性，为开发高性能、环保型防护织物提供了新的思路。研究结果表明，PAA在纳米材料与纤维之间的桥梁作用至关重要，它不仅促进了ND的附着，还为后续的硅烷化处理创造了有利条件。

此外，研究还探讨了不同处理方式对织物性能的影响。例如，仅使用PAA处理的织物虽然提高了表面的反应性，但并未显著改善防水性能；而仅使用ND处理的织物则表现出一定的防水效果，但其附着力较弱，容易在洗涤过程中脱落。相比之下，PAA-DND-DTMS复合处理的织物在防水性和耐久性方面均表现出色，且在洗涤和磨耗测试中保持了较高的性能稳定性。这些结果表明，PAA的引入是实现高效、持久防水处理的关键因素。

从材料科学的角度来看，该研究展示了如何通过表面功能化技术，将纳米材料的优势与传统纤维的性能相结合，以满足特定应用场景的需求。纳米金刚石因其独特的物理化学性质，如高硬度、低摩擦系数和良好的热稳定性，被认为是一种理想的纳米添加剂。然而，由于其表面缺乏活性官能团，直接应用在Kevlar纤维上难以实现稳定的结合。通过PAA的接枝，不仅增加了纤维表面的反应性，还为ND的附着提供了化学桥梁，从而实现了纳米材料与纤维之间的高效结合。

在实际工业应用中，这种改性技术具有广阔的应用前景。例如，在消防防护服中，防水性能的提升可以有效减少高温环境下水分转化为蒸汽的风险，提高作业人员的安全性。在军事和户外防护装备中，防水、耐磨和透气性的平衡对于提升穿着舒适度和功能表现至关重要。此外，该技术还可用于开发其他类型的防护织物，如防风、防污或抗紫外线材料，进一步拓展Kevlar纤维的应用范围。

值得注意的是，该研究还关注了改性过程对织物透气性的影响。虽然防水处理显著降低了空气渗透率，但这种影响在可接受范围内，不会严重影响织物的透气性和舒适性。这一平衡使得改性后的Kevlar织物在保持其优异机械性能的同时，也能满足防护服装对舒适性和功能性的双重需求。因此，这种表面功能化策略不仅符合当前环保趋势，还能够满足高性能防护材料的市场需求。

综上所述，该研究通过PAA的接枝和ND的引入，成功开发了一种新型的表面改性方法，能够显著提升Kevlar织物的防水性能，同时保持其原有的机械强度和柔韧性。这一方法为实现环保、高效的防护织物表面处理提供了新的思路，也为未来开发更多功能性的高性能纺织材料奠定了基础。随着对材料性能要求的不断提高，这种结合化学改性和物理结构调控的策略有望在多个领域得到应用，推动防护纺织品技术的进步。