特氟龍處理對麵料表麵能及接觸角的影響機理 一、引言 在現代紡織工業中，麵料的功能化處理已成為提升產品附加值和應用範圍的重要手段。其中，特氟龍（Teflon）處理作為一種廣泛應用的表麵改性技術，在...
特氟龍處理對麵料表麵能及接觸角的影響機理
一、引言
在現代紡織工業中，麵料的功能化處理已成為提升產品附加值和應用範圍的重要手段。其中，特氟龍（Teflon）處理作為一種廣泛應用的表麵改性技術，在防水、防油、防汙以及易清潔等性能方麵表現出卓越效果。該技術通過降低織物表麵能並顯著增大水滴與織物之間的接觸角，從而實現優異的拒液性能。本文將係統探討特氟龍處理對麵料表麵能及接觸角的影響機理，結合國內外研究成果，分析其化學作用機製、工藝參數、性能表現，並輔以具體產品數據與實驗結果對比，深入揭示這一功能性整理的核心原理。
二、特氟龍的基本特性與組成
2.1 特氟龍的定義與化學結構
特氟龍是美國杜邦公司（DuPont）注冊的商標名，專指聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）及其衍生物。其化學式為 (C₂F₄)ₙ，是一種全氟化的高分子聚合物，具有高度對稱的碳-氟鍵結構。由於氟原子電負性強、原子半徑適中，使得C-F鍵極為穩定，鍵能高達485 kJ/mol，遠高於C-H鍵（約413 kJ/mol），賦予PTFE極高的熱穩定性、化學惰性和低表麵能。
| 參數 | 數值/描述 |
|---|---|
| 化學名稱 | 聚四氟乙烯（PTFE） |
| 分子式 | (C₂F₄)ₙ |
| 密度 | 2.1–2.3 g/cm³ |
| 熔點 | 327°C |
| 熱分解溫度 | >400°C |
| 表麵能 | 18–25 mN/m（文獻值：Zisman, 1964） |
| 摩擦係數 | 0.04–0.10（低之一） |
注：表麵能數據來源於Zisman的經典潤濕理論研究，被廣泛引用作為低能表麵的標準參考。
2.2 特氟龍在紡織領域的應用形式
盡管純PTFE熔點高、難加工，不適合直接塗覆於纖維表麵，但其改性產物如含氟丙烯酸酯共聚物、氟矽烷類化合物等已被廣泛用於織物整理劑中。這類產品通常以乳液或溶液形式施加於麵料，經烘幹和焙烘後在纖維表麵形成一層致密的含氟薄膜。
常見的商業產品包括：
| 品牌 | 產品型號 | 主要成分 | 適用纖維類型 | 施加工藝 |
|---|---|---|---|---|
| DuPont™ | Teflon® EcoElite™ | 生物基氟化聚合物 | 棉、滌綸、混紡 | 浸軋→烘幹→焙烘（150–170°C, 60–90s） |
| 旭硝子（AGC） | Asahiguard® AG-E055 | 全氟烷基丙烯酸酯共聚物 | 合成纖維 | 噴霧或浸漬 |
| 科凱（KCI） | Nuva® N | 氟代聚醚類化合物 | 尼龍、滌綸 | 連續軋染 |
| 比利時魯道夫（Rudolf Chemie） | Bionic Finish® Eco | 支鏈氟化物替代品 | 多種天然/合成纖維 | 浸軋法 |
這些整理劑中的活性組分能夠在高溫下交聯固化，牢固附著於纖維表麵，形成具有微納米粗糙結構的疏水層。
三、表麵能與接觸角的基本概念
3.1 表麵能的定義與測量方法
表麵能（Surface Energy），又稱界麵自由能，是指單位麵積上分子從體相遷移到表麵所需克服的能量，單位為mN/m（毫牛/米）。對於固體材料而言，表麵能越低，越不易被液體潤濕。
根據Owens-Wendt理論，固體表麵能可分解為色散分量（γ^d） 和極性分量（γ^p）：
$$
gamma_L(1 + costheta) = 2(sqrt{gamma_S^d cdot gamma_L^d} + sqrt{gamma_S^p cdot gamma_L^p})
$$
其中：
- $gamma_L$：液體表麵張力；
- $theta$：接觸角；
- 下標S表示固體，L表示液體。
常用測試液體包括去離子水（γ_L = 72.8 mN/m）、乙二醇（48 mN/m）、二碘甲烷（50.8 mN/m）等。
3.2 接觸角的物理意義
接觸角（Contact Angle, θ）是衡量液體在固體表麵潤濕性的關鍵指標。當θ < 90°時，視為親液；θ > 90°為疏液；θ > 150°則進入超疏水範疇。
| 接觸角範圍 | 潤濕狀態 | 實際表現 |
|---|---|---|
| 0°–30° | 完全潤濕 | 液體迅速鋪展 |
| 30°–90° | 部分潤濕 | 形成小水珠但易擴散 |
| 90°–120° | 疏水 | 明顯球形水珠，滾動角較小 |
| 120°–150° | 強疏水 | 水珠極易滾落 |
| >150° | 超疏水 | “荷葉效應”，自清潔 |
研究表明，未經處理的棉織物水接觸角約為0°–30°，而經過優質特氟龍處理後可達140°以上（Wang et al., 2018，《Textile Research Journal》）。
四、特氟龍處理影響表麵能的機理
4.1 化學組成改變：引入低表麵能基團
特氟龍處理的本質是在纖維表麵引入大量-CF₃和-CF₂-官能團。這些全氟烷基具有極強的電子屏蔽效應和空間位阻，導致分子間作用力（尤其是偶極-偶極相互作用和氫鍵）顯著減弱。
根據Fowkes理論，表麵能主要由色散力和極性力構成。含氟聚合物的極性分量接近於零，色散分量也較低，因此總表麵能大幅下降。
例如：
- 棉纖維原始表麵能約為45–55 mN/m；
- 經Asahiguard®處理後降至20–25 mN/m；
- 若結合微結構設計（如仿生構造），可進一步降至15 mN/m以下（Liu et al., 2020，《ACS Applied Materials & Interfaces》）。
4.2 分子排列與取向效應
在焙烘過程中，含氟整理劑中的長鏈全氟烷基傾向於向外遷移，使-CF₃端基朝向空氣一側排列，形成“刷狀”結構。這種定向排列極大增強了表麵的非極性特征。
X射線光電子能譜（XPS）分析顯示，經特氟龍處理的滌綸表麵F/C原子比可達0.8以上，表明氟元素富集於外層（Zhang et al., 2017，《Journal of Colloid and Interface Science》）。
4.3 表麵形貌的協同作用
雖然特氟龍本身不直接構建宏觀粗糙結構，但在塗層固化過程中可能因溶劑揮發產生微孔或裂紋，配合原有織物結構（如紗線交織空隙、纖維表麵溝槽），共同形成多級微納結構，增強 Cassie-Baxter 狀態下的氣墊效應。
| 處理方式 | 表麵粗糙度 Ra (μm) | 水接觸角（°） | 滾動角（°） |
|---|---|---|---|
| 未處理棉布 | 1.2 | ~25 | — |
| 單純特氟龍整理 | 1.5 | 135–142 | 15–25 |
| 特氟龍+納米SiO₂複合處理 | 3.8 | 152–160 | 5–8 |
數據來源：Chen et al. (2019), 《Carbohydrate Polymers》
可見，單一化學修飾雖能顯著提升接觸角，但若結合物理結構調控，可逼近超疏水極限。
五、特氟龍處理對接觸角的具體影響
5.1 不同液體的接觸角變化
特氟龍不僅提高對水的接觸角，還能有效抵抗低表麵張力液體如油類、酒精等的滲透。這是因其同時降低了極性和非極性成分的表麵能響應。
下表列出典型織物經Teflon® EcoElite™處理前後對多種液體的接觸角對比：
| 液體種類 | 表麵張力 (mN/m) | 未處理棉布接觸角 | 處理後棉布接觸角 |
|---|---|---|---|
| 去離子水 | 72.8 | 0°（完全潤濕） | 140° |
| 乙醇 | 22.3 | 0° | 98° |
| 正十六烷 | 27.5 | 0° | 105° |
| 橄欖油 | ~32 | 0° | 118° |
| 咖啡 | ~38 | 0° | 125° |
數據整合自DuPont技術白皮書（2021）及Sun et al. (2020)《Industrial & Engineering Chemistry Research》
可以看出，即使麵對表麵張力低於30 mN/m的液體，處理後的織物仍能維持>90°的接觸角，體現出良好的防油性能。
5.2 動態接觸角行為：前進角與後退角
靜態接觸角僅反映平衡狀態下的潤濕性，而動態接觸角更能體現實際使用中的抗沾汙能力。前進角（θ_a）代表液體擴展趨勢，後退角（θ_r）反映回縮難度，二者之差稱為接觸角滯後（hysteresis）。
理想疏水表麵應具備高前進角和高後退角，且滯後值小（<10°），利於汙染物隨水珠滾落。
| 樣品 | 前進角（°） | 後退角（°） | 滯後值（°） |
|---|---|---|---|
| 原樣滌綸 | 75 | 40 | 35 |
| 特氟龍整理滌綸 | 148 | 132 | 16 |
| 特氟龍+等離子預處理 | 156 | 148 | 8 |
來源：Li et al. (2021), 《Applied Surface Science》
等離子體預處理可增加纖維表麵活性基團，促進含氟聚合物錨定，減少缺陷，從而降低滯後，提升自清潔效率。
六、影響特氟龍處理效果的關鍵因素
6.1 整理劑濃度與施加方式
濃度過低無法形成連續膜層；過高則可能導致手感變硬、透氣性下降。一般推薦用量為織物重量的1–3%（o.w.f）。
| 濃度（%, o.w.f） | 水接觸角（°） | 手感評分（1–5） | 耐洗性（次） |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 110 | 4.5 | 5 |
| 1.0 | 132 | 4.0 | 10 |
| 2.0 | 141 | 3.2 | 15 |
| 3.0 | 143 | 2.5 | 18 |
| 5.0 | 144 | 1.8 | 20（但開裂風險↑） |
注：耐洗性指AATCC Test Method 135標準洗滌循環次數後接觸角保持率>120°
6.2 焙烘溫度與時長
充分交聯是保證耐久性的關鍵。不同體係所需條件略有差異：
| 整理劑類型 | 推薦焙烘溫度（℃） | 時間（s） | 交聯機製 |
|---|---|---|---|
| 氟代丙烯酸酯 | 150–160 | 90–120 | 自交聯或與樹脂共交聯 |
| 氟矽烷類 | 130–140 | 60–90 | 縮合反應形成Si-O-Si網絡 |
| 水性環保型（如EcoElite™） | 170–180 | 45–60 | 熱引發自由基聚合 |
溫度不足會導致殘留單體，影響環保性；過高則引起黃變或強力損失。
6.3 纖維種類與前處理質量
不同纖維對整理劑的吸附能力差異顯著：
| 纖維類型 | 表麵官能團 | 含氟整理劑結合力 | 典型接觸角提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 棉 | -OH豐富 | 中等（需陽離子改性增強） | Δθ ≈ +110° |
| 滌綸 | 酯基為主 | 較強（疏水相容性好） | Δθ ≈ +120° |
| 尼龍 | -NH₂, -COOH | 強（可形成氫鍵） | Δθ ≈ +115° |
| 羊毛 | 角蛋白複雜結構 | 易損傷，需溫和工藝 | Δθ ≈ +100° |
此外，退漿、精練、漂白等前處理必須徹底清除油脂、果膠等雜質，否則會阻礙整理劑均勻分布。
七、耐久性與環境適應性評估
7.1 洗滌與摩擦耐受性
功能性整理的大挑戰在於耐久性。國際通用測試標準包括AATCC 61（加速洗滌）、AATCC 93（馬丁代爾耐磨）等。
某品牌戶外服裝麵料經20次家用洗衣機模擬洗滌後性能變化如下：
| 性能指標 | 初始值 | 洗滌20次後 | 保留率 |
|---|---|---|---|
| 水接觸角 | 145° | 130° | 89.7% |
| 防油等級（AATCC 118） | 8級（正辛烷不滲） | 6級（輕微滲透） | — |
| 表麵能 | 21.3 mN/m | 24.6 mN/m | 86.6% |
說明特氟龍膜層在反複機械作用下逐漸磨損，但核心拒水功能仍可持續較長時間。
7.2 紫外老化與氣候暴露
長期日曬會導致C-F鍵部分斷裂，尤其在紫外波段（290–400 nm）能量激發下。添加紫外線吸收劑（如苯並三唑類）可延緩降解。
戶外曝曬試驗（QUV-A, 500 h）結果顯示：
| 項目 | 曝曬前 | 曝曬後 | 變化率 |
|---|---|---|---|
| 接觸角 | 142° | 128° | ↓9.9% |
| F/C原子比（XPS） | 0.82 | 0.61 | ↓25.6% |
| 白度指數 | 82.3 | 76.5 | ↓7.0% |
提示需在高端應用中考慮複合防護策略。
八、新型發展趨勢與替代方案比較
隨著環保法規趨嚴（如歐盟REACH限製PFOS/PFOA），傳統長鏈氟化物逐步被淘汰。新一代短鏈氟化物（C6/C4）及無氟疏水劑成為研發熱點。
| 類型 | 代表產品 | 水接觸角 | 防油性 | 環保性 | 成本 |
|---|---|---|---|---|---|
| 長鏈氟化物（C8） | Teflon® Repellent 10J | 145° | 8級 | 已禁用 | 高 |
| 短鏈氟化物（C6） | AG-E055 | 140° | 6–7級 | 可接受 | 中高 |
| 無氟丙烯酸酯 | Sympatex Hydromove | 125° | 3–4級 | 優 | 中 |
| 納米二氧化矽+矽油 | Nano-Tex® | 150°+ | 無 | 優 | 高（設備投入大） |
值得注意的是，部分無氟體係雖能達到較高接觸角，但防油能力普遍偏弱，難以滿足專業防護需求。因此，目前主流高性能產品仍以C6氟化物為主流過渡方案。
與此同時，等離子體輔助沉積、原子層沉積（ALD）、層層自組裝（LBL）等先進技術正在探索更均勻、更薄、更耐久的含氟塗層路徑。
九、典型應用場景實例分析
9.1 戶外運動服裝
衝鋒衣麵料常采用三層複合結構（外層尼龍+PU膜+裏襯），外層麵料經特氟龍處理後兼具透氣與防潑水功能。GORE-TEX合作夥伴麵料經測試：
- 水接觸角：143° ± 2°
- 表麵能：22 mN/m
- 洗滌50次後防潑水評級仍達4級（AATCC 22）
9.2 醫療防護服
手術服、隔離衣要求既防血液滲透又保持舒適性。某國產SMS無紡布經Asahiguard® AG-E055處理：
- 對人工血液（表麵張力~46 mN/m）接觸角達130°
- 抗合成血穿透壓力 >14 kPa（符合GB 19082-2009）
- 經環氧乙烷滅菌後性能穩定
9.3 家居紡織品
沙發套、窗簾等易汙染區域采用特氟龍處理可顯著延長使用壽命。IKEA部分產品宣稱“Stain Resistant”即基於此類技術，實測咖啡滴落後30分鍾內擦拭無殘留。
