荷叶防水原理的衣服(荷叶防水原理实际应用)

荷叶效应|面料防水拒水有一说一之荷叶拒水秘密在织物上的应用

由于荷叶效应具有广阔的应用前景，并具有很高的商业价值，所以关键技术和原理都申请了专利，并严格保密。本文就荷叶效应的的部分内容，进行比较深入的研究，并探讨其在拒水织物上的应用。

一、荷叶的表面特征

人们一直认为，越光滑的表面越干净，因此追求光滑一直是研制拒水自洁表面的出发点。 但通过观察荷叶表面才知道，这种观点是错误的。在高倍显微镜下，荷叶的表面如下图所示：

荷叶的表面具有双微观结构，一方面是由细胞组成的乳瘤形成的表面微观结构；另一方面是由表面蜡晶体形成的毛茸纳米结构。 乳瘤的直径为5～15μm， 高度为1～20μm。

荷叶效应的秘密主要在于它的微观结构和纳米结构，而不在于它的化学成分。 所有植物表 面都有一层表皮，表皮将植物与周围环境隔开。所有植物的表皮主要成分都是埋置于多元酯母体内的可溶性油脂，因此，植物的表皮都具有一定的拒水性。 经过对2万种植物表面进行分析后发现，具有光滑表面的植物都没有拒水自洁的功能，而具有粗糙表面的植物，都有一定的拒水作用。 在所有的植物中，荷叶的拒水自洁作用最强，水在其表面的接触角达到160.4°。除了荷叶外，芋头叶和大头菜叶的拒水自洁作用也很强，水在其上的接触角分别达到160.3和159.7°。

二、荷叶怎么做到拒水

当一滴液体滴在某一固体表面上时，有可能会出现如下情况：

（1） 液体完全铺展在固体表面，形成一层水膜，在这种情况下，液体完全润湿固体。 （2） 液体有可能成水滴状。 在这种情况下，由固体表面和液体边缘切线形成一个夹角 θ。

荷叶的接触角θ达到160.4°，液体不润湿，如上图（c)所示。

当0°＜θ＜90°时，如上图（ b） 所示，液体部分湿润固体； 当 90°＜θ＜180°，如上图（ c）所示，液体不润湿固体。θ越大，拒水自洁的能力就越强。在自然界中， 接触角等于0°和180°的情况都是不存在的。

三、什么因素影响荷叶拒水

3.1 粗糙度对润湿的影响

首先，完全光滑的物质是很少的。如果将粗糙度 γ定义为固体与液体接触面之间的真实面积与几何面积的比，那么：

γ＝cosθγ／cosθ （ γ≥1 θ≠90°）

γ——粗糙度；

θγ——液体在粗糙表面上的表观接触角；

θ——液体在理想光滑平面上的真实接触角。

从公式我们就可以看出，当 θ＞90°时，粗糙度可使接触角 θγ增大， 也就是粗糙度可提高其拒水拒油的能力。当 θ＜90°时，粗糙度可使接触角 θγ变小，使拒水拒油的能力强者更强，弱者更弱。

以上结论说明，只有具备拒水和粗糙这两个条件， 才能使接触角增大。 荷叶表面的蜡质晶体首先是拒水的，其次其表面的双微观结构是粗糙的。虽然表面乳瘤 的直径为5～15μm，高度为1～20μm，超过了1μm， 但是荷叶表面具有双微观结构，在乳瘤的表面有一层毛茸纳米结构，毛茸的直径远小于1μm，可以达到纳米水平。 所以，荷叶的粗糙表面，使其拒水的能力显著增强（即为强者更强）。

3.2 异质表面对润湿的影响

当液体在某种光滑无孔材料的表面接触角大于90°时，微孔或微坑（ 内有空气） 的表面可以使接触角增大，这也是荷叶拒水的原理。水滴在荷叶上时，仅接触乳瘤的顶部，假设乳瘤的顶部面积占全部面积达20％。水在其表面的表观接触角为160.4°，根据公式，水在荷叶上的真实接触角是135.2°。 如果乳瘤的顶部面积占全部面积达10％，那么水在荷叶上的真实接触角114．8°。

故乳瘤的顶部面积占比越大，那么水在荷叶上的真实接触角反而会越小，那么它的拒水能力就会变弱。

四、荷叶效应的应用

根据以上讨论的结果，拒水自洁表面必须具有如下的条件：

（1）表面材料必须拒水，即水在其表面的接触角必须大于90°。

（2）表面必须是粗糙的，而且粗糙必须是纳米水平或接近纳米水平。

下面整理了水在各种常用纤维表面上的接触角如表所示 。

从表中可看出，不同的测定者的数据是有差异的。 但从总体上看，没有一种纤维的接触角大于90°。 所以说，常用纺织纤维都不具有拒水能力。 当然，更不具有拒油的能力。

通过研究荷叶效应的拒水自洁原理可知，具有高度拒水自洁的织物必须具备如下条件： （1） 首先应使纤维表面具有基本的拒水性能（ 即水在其表面的接触角大于90°） 。对于这一步，可以通过纳米技术、等离子处理技术和涂层浸轧技术达到。

（2） 要使织物具有粗糙的表面。虽然织物表面本身是非常粗糙的，但这种粗糙结构是以纤维为最小单位，远大于纳米结构的要求。 拒水自洁织物表面的粗糙应是纤维表面的粗糙，该粗糙应达到纳米级水平。

温馨提示：通过以上关于荷叶效应|面料防水拒水有一说一之荷叶拒水秘密在织物上的应用内容介绍后，相信大家有新的了解，更希望可以对你有所帮助。