看到經(jīng)典的三色塑料布，忍不住想，防水和透氣能共存嗎？

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

近日，經(jīng)典的防水三色塑料布在網(wǎng)絡(luò)上引起了廣泛關(guān)注。無論是電子產(chǎn)品、戶外衣物，還是房屋建筑，都與防水材料息息相關(guān)。我們生活中的防水材料，是如何做到無懼雨水，為我們“保駕護(hù)航”的呢？

三色塑料布

（圖片來源：veer圖庫）

各式各樣的防水材料

1.經(jīng)典且全能的塑料布

塑料布在防水材料領(lǐng)域可謂是“全能手”，由于價格便宜、使用方便、防水性能出色，頻繁“現(xiàn)身”于眾多應(yīng)用場景中。

塑料布通常由聚合物材料制成，如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）。這些材料具有較長的含碳分子鏈，或者疏水的側(cè)鏈（甲基或者氯原子），表現(xiàn)出比水低的表面能，水分子可以很輕松地從材料表面滑走，減少了雨水的聚集。

荷葉的疏水效果

（圖片來源：veer圖庫）

表面能可以理解為固體與液體之間的一種相互作用力，如果材料的表面能低，固體與液體間的相互作用力較弱，液體很難在固體表面停留和鋪展，從而表現(xiàn)出疏水性。

此外，聚合物材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)較為緊密，分子間的空隙非常小，水分子很難穿透材料表面，這是塑料布防水的另一個重要原因。

2.瀝青，味道很臭，建筑防水少不了它

瀝青是常見的建筑防水材料之一，由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成，呈現(xiàn)為黑褐色，并且散發(fā)出臭臭的味道。瀝青的分子結(jié)構(gòu)較為緊密，不透水，并且由于大量碳?xì)浠衔锏拇嬖诰哂泻軓?qiáng)的疏水性，是一款防水效果很好的材料。

瀝青在常溫條件下為固態(tài)或半固態(tài)，使用時通常需要加熱。瀝青在加熱后流動性增加，能夠更好地填補(bǔ)細(xì)小的縫隙，阻止水的滲透。

屋頂?shù)姆浪迯?fù)

（圖片來源：veer圖庫）

3.納米鍍膜，電子產(chǎn)品的隱形“防護(hù)服”

電子產(chǎn)品的防水主要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和納米鍍膜有關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過防水膠條和密封圈提高手機(jī)拼接部分的密閉性。而納米鍍膜則是為設(shè)備表面及內(nèi)部元器件披上“防護(hù)服”。

納米鍍膜是利用硅烷、氮?dú)獾葹樵?，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法，可以在電子設(shè)備表面和內(nèi)部半導(dǎo)體元器件的表面沉積一層致密的疏水納米鍍膜（硅基材料）。當(dāng)水滴接觸電子設(shè)備表面時，疏水鍍膜的存在會使水滴快速滑落。即使有水滴進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，元器件表面的鍍膜也會防止水滴對電路的損壞。

浸入水中的手機(jī)

（圖片來源：veer圖庫）

防水、透氣，如何做到既要、又要？

防水材料的防水性能與兩個因素有關(guān)，一是疏水性；二是水滴的滲透性。作為戶外穿著的服裝，不僅要有好的防水性，還需要兼具良好的透氣性。

孔隙結(jié)構(gòu)是材料透氣的主要原因，但是孔隙又會導(dǎo)致水滴穿過，防水性能下降。太矛盾了！如何才能做到既防水又透氣呢？

被譽(yù)為“世紀(jì)之布”的GORE-TEX科技面料，成功地解決了防水和透氣的矛盾，成為戶外運(yùn)動裝備中最受歡迎的材料之一。

沖鋒衣上的水滴

（圖片來源：veer圖庫）

GORE-TEX材料主要由聚四氟乙烯（PTFE）薄膜組成，該薄膜包含上億個微孔結(jié)構(gòu)，這些微孔的尺寸為微米級，比液態(tài)的水滴小上萬倍，但是水蒸汽分子卻可以輕松透過。

戶外運(yùn)動時，由于材料具有很好的疏水性，加之較小的孔隙，水滴幾乎不會穿透材料。而內(nèi)部的汗液會以水蒸汽的形式通過微孔排出，在防水和透氣的選擇中，達(dá)到了“都要”的效果。

摩擦電納米織物：防水、發(fā)電、加速排汗

2023年8月，中國科學(xué)家在國際知名期刊《先進(jìn)材料》（《Advanced materials》）發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于摩擦電納米結(jié)構(gòu)的高性能防水和高排汗性能的納米織物，這種織物可以利用摩擦發(fā)電促進(jìn)織物排汗。

研究成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》雜志

（圖片來源：《先進(jìn)材料》雜志）

研究者通過帶電液體噴射的技術(shù)，將疏水性鐵電聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）和親水性聚氨酯（PU）結(jié)合，制備了一種復(fù)合織物。該織物的孔徑僅為0.62微米，孔隙率高達(dá)78%，有效防止了水滴穿過，并且提供了更多水蒸汽通道，促進(jìn)排汗。

織物外表的PVDF-HFP納米膜具有疏水的特性，水滴不易在表面停留。此外，PVDF-HFP納米膜在機(jī)械拉伸的作用下還可以產(chǎn)生摩擦電壓，在電場和親水性PU納米結(jié)構(gòu)被動排汗的共同作用下，汗液被轉(zhuǎn)化為更小的水分子，更容易通過復(fù)合織物的微孔結(jié)構(gòu)排出體外。

電紡織技術(shù)示意圖；b. 納米網(wǎng)織物的防水性、透氣性和排汗性示意圖；c-e. 纖維材料的電鏡圖；納米纖維與納米網(wǎng)織物的孔徑對比圖(f)、摩擦電壓對比圖(g)、防水性和透氣性對比圖(h)；i. 展示納米織物的防水和透氣能力；j. 納米織物的熱濕舒適性；k. 大尺寸納米織物圖片

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

研究結(jié)果表明，該復(fù)合織物展現(xiàn)出高防水性（靜水壓力，129千帕）和透氣性（蒸汽滲透速率，3736克每平方米每天）。與商用聚四氟乙烯膜相比，復(fù)合織物具有較低的蒸發(fā)阻力（13.1 Pa·m2· W-1）和熱阻（3.9 mK·m2·W-1），具有更好的濕熱舒適性。

結(jié)語

從傳統(tǒng)的瀝青和橡膠材料到現(xiàn)代的納米復(fù)合材料，防水材料的創(chuàng)新不斷拓展科技的邊界。隨著科技的進(jìn)步，我們期待未來有更多高效、環(huán)保的防水材料涌現(xiàn)，為我們的生活質(zhì)量帶來更大的提升。

參考文獻(xiàn)：

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