涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物贾梦龙编译)

Posted 2023-06-01

篇首语：知识是从刻苦劳动中得来的，任何成就都是刻苦劳动的结果。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物贾梦龙编译)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物贾梦龙编译)

用于个人水分管理的“皮肤状”织物

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz0013

第一作者：L.LAO/D.SHOU Y. S.WU AND J. T.FAN

研究亮点：

开发了一种新型的皮肤状织物，它既具有定向的水传输性，又具有拒水性。

成果简介

个人湿度管理对热舒适性和性能至关重要。可促进皮肤排汗的水分管理织物在市场上有售( one , two)，但这种织物对外界液态水不排斥。另一方面，商用透气织物虽然防水，但其透湿率仅能达到460 g/m two每小时( three , four)这远远低于中等运动量（约1000克/米）的普通人的出汗率 two每小时）( five ).

液体定向流动现象广泛存在于自然界的昆虫和植物上，包括甲虫的背部( six , seven)，蜘蛛丝( eight)仙人掌枝( nine)其中，单向集水是由非均匀几何形状和梯度润湿性驱动的。最近，有报道称多孔材料（如织物）允许瞬时定向液体输送。这种材料是通过对织物厚度上的润湿性或冻干性进行不同处理，或者将具有不同润湿性或冻干性的多层材料组合成不对称结构( ten , eleven). 在这两种情况下，液体倾向于从憎干（例如疏水性或憎油性）侧输送到材料的亲干侧（例如，亲水性或亲油性）侧，在亲干侧饱和之前，但在相反方向受阻。与调节润湿性不同，我们小组最近开发了一种完全由亲水材料制成的流体二极管织物( twelve). 无化学成分的织物通过优化多层织物组件的孔径，在不同的流动方向上产生不对称的突破压力，实现了单向液体输送。

尽管上述报道的定向液体输送（或液体二极管）织物可以促进液体（如汗液）从一侧（例如靠近皮肤的内侧）输送到另一侧（例如，外表面）蒸发，一旦外层/表面饱和，液体传输速度就会减慢，织物就会变得厚重和粘乎乎乎的。此外，它们不能排斥外部液体污染物。在这里，我们提出了一个概念上新颖的设计策略，模仿人体皮肤的汗液调节大师。人体皮肤是一种理想的液体定向流动材料，因为它能排出液体汗液，保护身体免受外部液体污染(图1A ) ( thirteen , fourteen). 在这项研究中，我们开发了一种“皮肤状”的定向液体输送织物，它允许连续的单向流动，并排斥外部液体。这是通过在主要疏水织物上的空间分布多孔通道中赋予梯度润湿性来实现的。以亲水性棉织物为原料，用1H ,1H ,2H ,2H -全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTES）涂层二氧化钛（TiO two)纳米颗粒赋予超疏水整理( fifteen). 然后通过图案掩模进行选择性等离子体处理，在这种疏水性织物上形成多孔梯度润湿性通道(图1B)，起局部汗腺的作用。当这些通道用于单向液体流动时，织物主要的超疏水特性使其将输送的液体或外部液体从表面排出。这种仿皮织物在功能性服装等领域有着巨大的应用潜力( sixteen , seventeen)，油水分离( eighteen , nineteen)，伤口敷料( twenty , twenty-one)，岩土工程( twenty-two , twenty-three)柔性微流体( twenty-four , twenty-five)和燃料电池膜( twenty-six ).

要点1：织物的润湿性、微观结构和化学性能

我们首先检查了织物在超疏水整理和连续的选择性等离子体处理前后的润湿行为。如所示图2A超疏水整理织物的接触角CA为152°，纯棉织物为0°（超亲水性；图S1）。全氟硅烷涂层tio2的表面纳米结构增强了疏水性 two纳米颗粒( fifteen). 当织物经等离子体蚀刻机处理后，暴露的斑点和未暴露的非斑点区域之间的CA有显著的差异。织物正面和背面未暴露区域的ca值仅略有下降，仍保持较高值。这是由于磁带遮罩的覆盖，它阻止了O two等离子体进入织物内部，赋予织物亲水性( twenty-seven). 相反，随着等离子体处理时间的增加，织物正面和背面暴露斑点区域的CAs值明显降低。例如，1分钟处理使织物顶部斑点区域的CA下降到135°，2分钟后进一步下降到114°，3分钟后下降到97°，5分钟后下降到44°。织物背面斑点区域的CA变化很有趣，1分钟后下降到141°，但不再可测（N/A，记录为0°）2分钟或更长时间。这是因为水滴从后部斑点区域快速传输到顶部斑点区域(图2A，插入图像，以及图S1）；因此，记录的CA值为零。当10-μl水滴置于等离子体（300w，3min）处理的超疏水织物的两侧时，可以在图S2中找到一系列动态CA图像。当水滴到等离子体暴露的顶点区域时，液滴稳定地停留在表面3s以上，平均CA为97°（图S2A）。然而，当水滴快速地从另一侧（图2）滴到另一侧时（图2 b）；对于两侧的其他非斑点区域，圆形水滴仍然保留在那里（图S2、C和D）。在电影S1（A和B）中可以进一步观察到水的定向输送的动态过程，其中20μl的水滴分别从移液管滴到织物的顶部和后部。

要点2：织物的定向导水及拒水性能

为了确定织物的双向流动性和拒水性，将织物以45°的倾斜角度放置，用针头连接连续的水源，以10μl/min的流速从织物的顶部或背面滴下水。图3 在这些实验中拍摄到的一系列照片（影片 S2、A 和 B）。当水从织物的顶部滴落时，它首先粘附在斑点区域，例如，第一个在5.0s处滴水。在连续供水期间，水滴生长，最后一滴水滴在280.8s后，它足够大（+46 μl）从织物上滚落。在整个过程中，没有观察到水的渗透。在相反的方向，当第一滴接触后点区域时，它自发地从针针的针头在10.0s后运到另一侧，在积聚到248.5s的类似体积后，大液滴再次从顶部表面滚落。通过此测试，我们可以估计每个通道的最大流量为 46/248.5 = 0.185 μl/s。在我们的一个测试样本中，通道的空间距离为 1 厘米，因此最大水运速为 0.185 × 0.001 g × 3600/0.0001 m 2/小时 = 6660 g/m 每两小时，这远远超过了一个普通人在剧烈运动下的最大出汗率，是最好的商用戈尔-特克斯面料的15倍左右( three ).

除水外，我们还使用人工汗液[根据国际标准化组织（ISO）3160-2制备，含NaCl（20 g/L），NH four用氢氧化钠（NaOH）将pH调至4.7，用氢氧化钠（NaOH）将pH值调至4.7，以10μl/min的流速测试织物的定向输送性能。织物最初是水平放置的。如所示图4A当汗珠不牢固地滴在织物的表面时，汗珠并没有牢固地滴在织物的表面。然后我们将织物顺时针旋转成倾斜的角度，同时继续供应汗珠，发现不断增长的水滴以47°的角度滚下（电影S4A）。对于织物的后点，我们将汗珠向上注入，以测试其在重力作用下的传输行为。如所示图4（B和C），当第一个液滴接触到后点区域时，它也能自发地向上表面输送到体积的一半（电影S4、B和C），说明输送能力来自毛细力，但该力不足以克服重力。连续供应表现出相似的行为，一半的体积被输送到顶部表面，另一半则悬挂在背面区域。旋转织物以增加倾斜角有助于将生长的液滴完全输送到上表面，最终以63°的角度落下（电影S4B）。与水滴（45°）相比，汗液滴最终滚落的倾斜角更大（45°），这可能是由于人工汗液中含有大量的离子而具有较高的表面张力( thirty-two , thirty-three ).

要点3：织物的透气性、机械性能和耐磨性

此外，我们还测试了超疏水整理和选择性等离子体处理前后棉织物的透气性、机械性能和耐久性等性能。我们发现，超疏水整理和等离子体处理对35°C下的水蒸气透过率（WVTR）（图S9A）和透气性（图S9B）没有不利影响，但由于纳米颗粒的加入（图S10），它们增加了拉伸强度和模量，这与我们先前的研究一致( thirty-four). 当织物在不同的循环下磨损时，主要的非斑点区域的CA在较短的循环后略有下降，例如10000次循环后约139°(P>0.05），随着25000次循环的延长，进一步降低到~116°(P <0.05）（图S11A）。不管怎样，TiO two纳米颗粒在磨损前的含量与织物相似（图S11A），表明织物上纳米颗粒涂层的坚固性( fifteen). 扫描电镜显示，随着磨损周期的增加，纯棉织物和等离子体处理的超疏水织物的纤维断裂增加（图S11B），这应该是润湿性降低的原因，因为表面暴露了更多的亲水性棉纤维横截面。总的来说，处理后的织物在10000次循环中表现出良好的耐磨性。此外，我们还测试了经处理的织物在室温下老化5周后的运输性能的耐久性，发现水仍然能够从后斑点区域向顶部斑点区域输送，并以相反的方向排斥（图S12）。

小结

综上所述，我们开发了一种新型的皮肤状织物，它既具有定向的水传输性，又具有拒水性。我们通过超疏水整理和选择性等离子体处理相结合，在疏水织物的厚度上形成具有梯度润湿性的空间分布多孔斑点通道。虽然这些通道用于液体的定向输送，但主要未经处理的表面积仍然具有超疏水性，因此排斥外部液体污染物。用Gibbs钉扎准则解释了定向流动的机理。超疏水整理和等离子体处理对织物的透气性、机械性能和耐磨性（高达10000次）无不良影响。该工艺适用于各种织物。无论是疏水预处理还是选择性等离子体处理都是简单有效的；因此，在商业应用中是非常可行的。这种新型仿皮织物可以直接应用于开发智能化、高性能的服装，特别是运动服装，为行业和消费者带来巨大的价值。这项技术还可以扩展到开发织物或膜，用于需要定向液体输送的其他应用，如液体分离和净化、燃料电池和柔性微流控装置。此外，用于超疏水整理的含氟化合物可能会被生物安全化学物质取代，例如聚二甲基硅氧烷共聚物，在未来的生物医学材料开发中。

参考文献：

M. Manshahia, A. Das, High active sportswear—A critical review.Indian J. Fibre Text. Res.39, 441–449 (2014).

R. Paul,High Performance Technical Textiles(John Wiley & Sons, ed. 1, 2019).

D. J. Gohlke, J. C. Tanner, Gore-Tex waterproof breathable laminates.J. Coated Fabrics6, 28–38 (1976).

A. Mukhopadhyay, V. K. Midha, A review on designing the waterproof breathable fabrics part II: Construction and suitability of breathable fabrics for different uses.J. Ind. Text.38, 17–41 (2008).

J. Fan, Y. S. Chen, Measurement of clothing thermal insulation and moisture vapour resistance using a novel perspiring fabric thermal manikin.Meas. Sci. Technol.13, 1115–1123 (2002).

A. R. Parker, C. R. Lawrence, Water capture by a desert beetle.Nature414, 33–34 (2001).

L. Zhai, M. C. Berg, F. Ç. Cebeci, Y. Kim, J. M. Milwid, M. F. Rubner, R. E. Cohen, Patterned superhydrophobic surfaces: Toward a synthetic mimic of the Namib Desert beetle.Nano Lett.6, 1213–1217 (2006).

Y. Zheng, H. Bai, Z. Huang, X. Tian, F.-Q. Nie, Y. Zhao, J. Zhai, L. Jiang, Directional water collection on wetted spider silk.Nature463, 640–643 (2010).

J. Ju, H. Bai, Y. Zheng, T. Zhao, R. Fang, L. Jiang, A multi-structural and multi-functional integrated fog collection system in cactus.Nat. Commun.3, 1247 (2012).

Y. Zhao, H. Wang, H. Zhou, T. Lin, Directional fluid transport in thin porous materials and its functional applications.Small13, (2017).

J. Li, Y. Song, H. Zheng, S. Feng, W. Xu, Z. Wang, Designing biomimetic liquid diodes.Soft Matter15, 1902–1915 (2019).

D. Shou, J. Fan, An all hydrophilic fluid diode for unidirectional flow in porous systems.Adv. Funct. Mater.28, 1800269 (2018).

E. A. Arens, H. Zhang, The skin’s role in human thermoregulation and comfort, inThermal and Moisture Transport in Fibrous Materials, N. Pan, P. Gibson, Eds. (Woodhead Publishing Limited, 2006), pp. 560–602.

E. Proksch, J. M. Brandner, J. M. Jensen, The skin: An indispensable barrier.Exp. Dermatol.17, 1063–1072 (2008).

Y. Lu, S. Sathasivam, J. Song, C. R. Crick, C. J. Carmalt, I. P. Parkin, Robust self-cleaning surfaces that function when exposed to either air or oil.Science347, 1132–1135 (2015).

D. Miao, Z. Huang, X. Wang, J. Yu, B. Ding, Continuous, spontaneous, and directional water transport in the trilayered fibrous membranes for functional moisture wicking textiles.Small14, 1801527 (2018).

X. Wang, Z. Huang, D. Miao, J. Zhao, J. Yu, B. Ding, Biomimetic fibrous murray membranes with ultrafast water transport and evaporation for smart moisture-wicking fabrics.ACS Nano13, 1060–1070 (2019).

H. Zhou, H. Wang, H. Niu, T. Lin, Superphobicity/philicity Janus fabrics with switchable, spontaneous, directional transport ability to water and oil fluids.Sci. Rep.3, 2964 (2013).

M. Ge, C. Cao, J. Huang, X. Zhang, Y. Tang, X. Zhou, K. Zhang, Z. Chen, Y. Lai, Rational design of materials interface at nanoscale towards intelligent oil–water separation.Nanoscale Horiz.3, 235–260 (2018).

D. Liang, Z. Lu, H. Yang, J. T. Gao, R. Chen, Novel asymmetric wettable AgNPs/chitosan wound dressing: In vitro and in vivo evaluation.ACS Appl. Mater. Interfaces8, 3958–3968 (2016).

L. Shi, X. Liu, W. Wang, L. Jiang, S. Wang, A self-pumping dressing for draining excessive biofluid around wounds.Adv. Mater.31, 1804187 (2019).

S. M. Montgomery, K. L. Adams, L. Rebenfeld, Directional inplane permeabilities of geotextiles.Geotext. Geomembr.7, 275–292 (1988).

A. Miszkowska, S. Lenart, E. Koda, Changes of permeability of nonwoven geotextiles due to clogging and cyclic water flow in laboratory conditions.Water9, 660 (2017).

J. Feng, J. P. Rothstein, One-way wicking in open micro-channels controlled by channel topography.J. Colloid Interface Sci.404, 169–178 (2013).

E. Fu, S. A. Ramsey, P. Kauffman, B. Lutz, P. Yager, Transport in two-dimensional paper networks.Microfluid. Nanofluidics10, 29–35 (2011).

B. Xiao, J. Fan, F. Ding, A fractal analytical model for the permeabilities of fibrous gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cells.Electrochim. Acta134, 222–231 (2014).

A. Tourovskaia, T. Barber, B. T. Wickes, D. Hirdes, B. Grin, D. G. Castner, K. E. Healy, A. Folch, Micropatterns of chemisorbed cell adhesion-repellent films using oxygen plasma etching and elastomeric masks.Langmuir19, 4754–4764 (2003).

H. Wang, J. Ding, L. Dai, X. Wang, T. Lin, Directional water-transfer through fabrics induced by asymmetric wettability.J. Mater. Chem.20, 7938–7940 (2010).

C. X. Wang, Y. Ren, Y. P. Qiu, Penetration depth of atmospheric pressure plasma surface modification into multiple layers of polyester fabrics.Surf. Coat. Technol.202, 77–83 (2007).

J. Wu, Z. Mao, L. Han, J. Xi, Y. Zhao, C. Gao, Directional migration of vascular smooth muscle cells guided by synergetic surface gradient and chemical pattern of poly( ethylene glycol) brushes.J. Bioact. Compat. Polym.28, 605–620 (2013).

C. X. Wang, Y. Liu, H. L. Xu, Y. Ren, Y. P. Qiu, Influence of atmospheric pressure plasma treatment time on penetration depth of surface modification into fabric.Appl. Surf. Sci.254, 2499–2505 (2008).

H. Ohshima, H. Matsubara, Surface tension of electrolyte solutions.Colloid Polym. Sci.282, 1044–1048 (2004).

W. L. Hsin, Y.-J. Sheng, S.-Y. Lin, H.-K. Tsao, Surface tension increment due to solute addition.Phys. Rev. E69, 031605 (2004).

L. Lao, L. Fu, G. Qi, E. P. Giannelis, J. Fan, Superhydrophilic wrinkle-free cotton fabrics via plasma and nanofluid treatment.ACS Appl. Mater. Interfaces9, 38109–38116 (2017).

M. Y. Cao, K. Li, Z. Dong, C. Yu, S. Yang, C. Song, K. Liu, L. Jiang, Superhydrophobic “Pump”: Continuous and spontaneous antigravity water delivery.Adv. Funct. Mater.25, 4114–4119 (2015).

K. P. Tang, J. T. Fan, J. F. Zhang, M. K. Sarkar, C. W. Kan, Effect of softeners and crosslinking conditions on the performance of easy-care cotton fabrics with different weave constructions.Fiber Polym.14, 822–831 (2013).

F. Benito-Lopez, S. Coyle, R. Byrne, V. F. Curto, D. Diamond, “Sweat-on-a-Chip”: Analysing sweat in real time with disposable micro-devices, in2010 IEEE SENSORS(IEEE, 2010), pp. 160–163.

G. Xiao, J. He, X. Chen, Y. Qiao, F. Wang, Q. Xia, L. Yu, Z. Lu, A wearable, cotton thread/paper-based microfluidic device coupled with smartphone for sweat glucose sensing.Cellulose26, 4553–4562 (2019).

J. Huang, X. Qian, Comparison of test methods for measuring water vapor permeability of fabrics.Text. Res. J.78, 342–352 (2008).

M. Kim, Y. S. Wu, E. C. Kan, J. Fan, Breathable and flexible piezoelectricZnO@PVDFfibrous nanogenerator for wearable applications.Polymers10, 745 (2018).

J. A. Fernando, D. D. L. Chung, Pore structure and permeability of an alumina fiber filter membrane for hot gas filtration.J. Porous Mater.9, 211–219 (2002).

涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物 贾梦龙编译)

涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物 贾梦龙编译)

涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物贾梦龙编译)

涂层整理二氧化钛(用于个人水分管理的“皮肤状”织物贾梦龙编译)