综述：无氟超疏水纺织品的最新进展：制备、应用与前景

本综述系统探讨了无氟超疏水纺织品的绿色替代路径，聚焦有机硅、聚氨酯及聚丙烯酸酯等低表面能材料与微纳粗糙结构的协同机制，涵盖浸渍、喷涂、气相沉积等制备技术，并展望其在自清洁、油水分离及智能响应等领域的应用潜力与产业化挑战。

　　

引言

随着材料科学与纳米技术的飞速发展，传统纺织品正被赋予前所未有的功能化特性。然而，当功能性织物受潮时，往往面临热调节失效、细菌滋生、颜色迁移、纤维结构变形以及透气性与舒适性下降等问题，严重制约其实际应用。因此，赋予纺织品持久的超疏水性（Superhydrophobicity）已成为维持其长期性能的关键。当前研究热点集中于将超疏水特性与其他功能（如抗菌、阻燃、紫外线防护及智能传感）相结合，推动了一系列高性能多功能超疏水纺织品的开发。

值得注意的是，作为与人体皮肤最常接触的材料之一，经疏水处理的纺织品必须具备无毒性和生物相容性。此外，纺织品作为年产量巨大的日常必需品，其防水剂的消耗量极为可观。全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其卓越的疏水性曾被广泛使用，但其对生态系统和生物体的持久毒性引发了全球监管机构的关注。2023年2月，欧洲化学品管理局（ECHA）提出了对包括PFAS化合物在内的超过12,000种物质实施严格限制的议案。从生态与安全角度出发，开发无氟环保型防水剂以替代传统含氟产品已成为必然趋势。

尽管无氟超疏水体系避免了PFAS相关的环境与健康风险，但其性能仍存在短板：对低表面张力油类（如癸烷、辛烷）的排斥性较弱，机械相容性（如织物柔韧性降低）、耐久性（耐洗涤与耐磨性）、抗低表面张力液体渗透能力以及多功能集成兼容性均逊于含氟体系。因此，开发新一代无氟防水剂，克服上述局限，赋予纺织品卓越的超疏水性能及其他功能高效集成，具有重要的理论与实用价值。

超疏水性的基础理论

超疏水表面通常定义为静态水接触角（WCA）大于150°的表面。除了高接触角，低滑动或滚动角（通常小于10°）是评估动态去湿性能的关键指标，这对于自清洁等应用至关重要。值得注意的是，在超疏水表面上，液滴倾向于通过滚动而非滑动的方式脱离。因此，水滚动角（WRA）比滑动角更能准确描述液滴行为。

超疏水性的理论基础主要源于两个经典模型：Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。Wenzel模型描述了液体完全渗透表面微观结构的润湿状态，而Cassie-Baxter模型则解释了液体与固体表面之间存在气垫的非均相润湿状态。后者更常见于超疏水表面，因其显著降低了液固接触面积，从而实现了高接触角和低滚动角。

超疏水织物表面的构建策略

构建超疏水织物表面需要低表面能材料与粗糙结构的协同作用。根据技术途径与应用场景，这些策略可分为两类：一是利用织物固有粗糙度进行无氟低表面能剂表面改性，该技术成熟且工艺兼容性强，已成为主流工业解决方案；二是引入人工微纳粗糙结构并结合表面化学修饰，通过物理或化学方法在织物表面构建多层次微观形貌。

低表面能材料主要包括有机硅类、聚氨酯类及聚丙烯酸酯类化合物。这些材料通过分子设计（如引入长烷基链或硅氧烷基团）可有效降低表面能。粗糙结构则可通过纳米粒子（如SiO₂、TiO₂）、原位生长（如ZnO纳米棒）、静电纺丝等技术实现。

无氟超疏水纺织品的制备方法

近年来，无氟超疏水纺织品的环保高效制备方法取得显著进展。常见策略包括表面涂层、原位生长和静电纺丝。其中，表面涂层是最广泛应用的方法，通过外源功能材料负载实现表面改性，主要包括浸渍、喷涂、旋涂、刮涂、气相沉积和逐层自组装（LbL）等技术。

浸渍法工艺简单、成本低廉，适用于大规模生产，但可能影响织物透气性。喷涂法可实现局部精准修饰，但涂层均匀性控制具有一定挑战。气相沉积（如CVD）能形成纳米级均匀薄膜，但设备要求较高。逐层自组装技术可通过分子间相互作用（如静电吸引、氢键）精确控制涂层厚度与组成，为多功能集成提供了理想平台。

自清洁性能

超疏水纺织品因其自清洁特性在功能织物领域备受关注。当应用于个人防护装备时，这些材料通过表面微纳结构与低表面能特性的协同效应，有效抵御极端天气和环境污染物。因此，自清洁纺织品在日常服装、户外装备及医疗防护中展现出显著实用价值。

自清洁机制主要依赖于表面微纳结构捕获的空气层以及水滴滚动带来的污染物移除效应。研究表明，通过优化表面拓扑结构（如分形几何、多级微米-纳米复合结构）可进一步增强自清洁效率。例如，具有仿生莲叶结构的织物表现出卓越的抗污染性能，即使在高污染环境中也能保持清洁。

油水分离应用

超疏水纺织品在油水分离领域具有独特优势，特别是在处理工业含油废水或海洋漏油事件中。这类材料通常表现出超疏水兼超亲油特性，可选择性地允许油类透过而阻挡水分，从而实现高效分离。

分离机制基于表面能差异与多孔介质毛细效应的协同作用。通过调控织物孔径分布与表面化学组成，可优化分离效率与通量。例如，采用聚氨酯修饰的棉织物可实现超过99%的分离效率，且经过多次循环后仍保持稳定性能。

智能响应功能

智能超疏水纺织品能对外部刺激（如温度、pH、光、电场）产生可控润湿性变化，为可穿戴电子、自适应防护等领域开辟了新途径。例如，温敏型聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）修饰的织物可在低温下呈亲水性，在高温下转变为疏水性，实现"智能开关"效应。

光响应型材料（如偶氮苯、螺吡喃）在特定波长光照下发生分子构型变化，从而可逆调节表面能。这类智能系统为开发环境自适应纺织品提供了创新思路，特别是在医疗监测、运动生理学等领域的应用前景广阔。

结论与展望

无氟超疏水纺织品领域已取得显著进展，通过微纳结构与表面化学修饰的协同设计，在机械耐久性、化学稳定性和抗污染性方面实现了重要提升。然而，该技术仍面临若干挑战：首先，现有无氟体系的超疏水性能（特别是对低表面张力液体的排斥性）仍落后于含氟材料；其次，多功能集成（如抗菌-超疏水协同）的工艺兼容性有待优化；第三，大规模生产的成本效益与环境足迹需要进一步改善。

未来研究应聚焦于以下方向：开发新型生物基低表面能材料（如纤维素衍生物、壳聚糖），探索仿生多级结构的精准制造技术（如3D打印、激光刻蚀），以及建立标准化性能评价体系（包括耐久性、毒理学和生命周期评估）。通过跨学科合作与产学研融合，无氟超疏水纺织品有望在环境修复、医疗防护和智能可穿戴等领域实现突破性应用。