液体非对称传输非织造材料的成型方法及其应用研究进展
王镕琛 张一风 段书霞 石沛龙 贾江换 张恒
摘要：液体非对称传输非织造材料是当前市场上应用范围广且开发价值高的纤维制品。为了探讨液体非对称传输非织造材料的成型方法以及功能性应用特点，简述了液体非对称传输非织造材料的差动毛细效应、润湿梯度效应和蒸腾效应等机理，介绍了静电纺丝、针刺、水刺、化学整理和等离子体改性等非织造成型和整理方法，闡述了液体非对称传输非织造材料在医疗卫生、油水分离和服装领域的应用形式。最后总结了液体非对称传输非织造材料的成型方法的特点，展望了其未来应用趋势。
关键词：液体非对称传输;非织造材料;功能纺织品;成型方法
中图分类号：TS174文献标志码：A文章编号：1009265X（2022）03001310
Research progress on forming methods and application of liquid
asymmetric transmission nonwoven material
WANG Rongchen ZHANG Yifeng DUAN Shuxia SHI Peilong
JIA Jianghuan ZHANG Heng
Abstract：
Liquid asymmetric transmission nonwoven materials are fiber products with extensive application and high development value in the current market. To investigate liquid asymmetric transmission nonwoven material forming methods and functional application characteristics， the differential capillary effect， wetting gradient effect and transpiration effect and other mechanisms of liquid asymmetric transmission nonwoven materials were briefly described. The nonwoven forming and finishing processes such as electrospinning， needle punching， hydroentanglement， chemical finishing and plasma modification were introduced. Moreover， the application forms of liquid asymmetric transmission nonwoven materials in the medical， health care， oilwater separation， moisture absorption and clothing fields were elaborated. Finally， the characteristics of liquid asymmetric transmission nonwoven material forming methods were summarized and the future application tendency was prospected.
Key words：
liquid asymmetric transmission; nonwoven material; functional textiles; forming methods
液体非对称传输非织造材料作为一种纤维集合体，具有液体单向传输功能，属于先进纺织材料领域。随着人们生活质量的提高，液体非对称传输非织造材料在日常生活中逐渐发挥着重要的作用。例如在医疗卫生领域[1]，液体非对称传输非织造材料可以有效阻隔病毒细菌、有害颗粒和溶液等物质的渗入，保护医务人员在诊疗护理过程中不受感染。在油水分离领域[23]，液体非对称传输非织造材料可以通过油和水不同的润湿性，从而实现油水分离效果。在服装领域[4]，液体非对称传输非织造材料可以将皮肤表面的汗液快速传递至体外，为穿着者提供良好的热湿舒适性。液体非对称传输材料可以通过机织、针织和非织造成型等技术制备。其中，非织造技术作为一种现代的材料成型技术，具有成型速度快、工艺简单和结构易调控的特点，为液体非对称传输非织造材料的快速成型与功能性应用提供了理论思路与技术支持。采用非织造成型技术制备液体非对称传输非织造材料已逐渐成为纤维材料领域的研究热点。本文主要从液体非对称传输非织造材料的传输机理、非织造成型方法和制备工艺等方面进行综述和分析，列举了液体非对称传输非织造材料在医疗卫生、油水分离和服装等领域的应用和研究进展。
1液体非对称传输非织造材料
1.1液体非对称传输特性
液体非对称传输是指液体在外力（压力场、光、磁等）或内应力作用下，可以沿着特定的方向发生移动和（或）渗透，反之则难以实现液体的快速传输和（或）渗透[57]。其工作原理是通过内外两层的润湿性或结构性差异而实现，其传输过程如图1所示。两侧的润湿性或结构性差异会形成润湿梯度或差动毛细效应，进而赋予其一定的液体非对称传输特性。
1.2液体非对称传输机理
液体在非织造材料内的非对称传输机理可分为差动毛细效应、润湿梯度效应、蒸腾效应和上述的组合应用。
1.2.1差动毛细效应
当非织造材料具有双层结构时，其中一层纤维网的孔径较粗，毛细管的附加压力小;另一层纤维网的孔径较细，毛细管的附加压力大。所以两层界面处会形成附加压力差，液体在附加压力差的作用下沿着特定方向从一侧传递到另一侧[9]，这就是差动毛细效应。差动毛细效应如图2所示。
两层非织造材料间毛细管形成的附加压力差ΔP为：
式中：ΔP为附加压力差，σ为气液界面表面张力，θ为液体与材料的接触角，r为孔隙理论半径。
1.2.2润湿梯度效应
当非织造材料两侧润湿性差异较大时会产生润湿梯度效应。自然界中具备液体非对称传输能力的生物大多都基于这个机理，原因是它们表面具有润湿性不同的两种区域，即亲水区和疏水区。在两种区域之间会产生一种界面不平衡力。一旦液滴受到这种不平衡力，就会朝着特定的方向运动，即液体非对称传输运动[10]。界面不平衡力原理如图3所示。
该界面不平衡力（润湿梯度驱动力）可以通过Young方程推导出[11]，可用式（2）表示。润湿梯度效应是目前液体非对称传输的主要实现方法。
式中：R为液体与界面的基半径，θA和θB分别表示液体在润湿梯度前后两侧的接触角，φ表示极角。
1.2.3蒸腾效应
植物具有极强的水传导能力，可以克服重力将水分从其根部传递至叶片部分，再通过叶片将水分蒸发出来[12]。植物的蒸腾作用如图4所示。其蒸发速率远比表面上液态水分的挥发快得多。该机理的产生与植物的根、茎、枝、叶的系统构造紧密相关[13]。借助植物这方面的特性和优势来进一步展开对非织造材料的研究，可以仿照植物蒸腾效应的特点来大大提高非织造材料对水分的液体非对称传输能力。基于植物蒸腾效应的液体非对称传输非织造材料具有分层纤维结构，同时具备反重力的液体非对称传输特性和不受阻碍的散热能力，因此可以更好地用于干燥和冷却。
1.2.4多种组合机理
除了上述3种单一液体非对称传输机理外，还会出现一些上述3种机理的两两组合形式如表1所示。例如把植物的蒸腾效应与差动毛细效应相结合，所制备的材料既具有了结构稳定的特点，同时还拥有植物蒸腾作用克服重力传输的能力，因此把其
中两种机理相结合可以同时发挥二者的共同优势。同理，差动毛细效应与润湿梯度效应、蒸腾效应与润湿梯度效应均可以组合制备更多类型的液体非对称传输材料。
2液体非对称传输非织造材料的成型
与整理方法液体非对称传输非织造材料的成型与整理方法包括静电纺丝法、针刺法和水刺法和后整理法。其中后整理法又分为化学整理法和等离子体改性法。
2.1静电纺丝法
静电纺丝法是通过表面電荷之间的静电排斥力来制备连续的纳米纤维。用该技术制备的纳米纤维网具有直径小、比表面积大和孔隙率高等特点[1]。刘沙柯等[19]以聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）为原料，通过静电纺丝法直接将纤维沉积在涤纶表面，并在该表面形成了聚乙烯醇/海藻酸钠纳米纤维薄膜。与未处理涤纶相比，改性涤纶的毛细效应值提高;Huang等[20]通过静电纺丝法在亲水棉上沉积不同厚度的聚苯乙烯层，接着制备出亲水/疏水Janus型双层非织造材料，该材料可以收集雾滴中的水分，其原理如图5所示，与未处理的亲水棉相比，Janus型双层非织造材料的水分收集率提高了147%。
除了上述直接将纳米纤维膜沉积在材料上以外，还可以设计一种三层纤维膜的结构（外层膜两侧分别是疏水膜与超亲水膜，中间为转移层）。在内外存在的压力差或湿度差的情况下，该结构可让水蒸气和空气自由通过，而阻挡水滴的传递，从而达到防水透气的目的[1]。Miao等[21]先通过静电纺丝法制备水解聚丙烯腈（PURPAN）/（PANSiO2）双层纤维膜，再通过静电纺丝法将PU膜沉积在该双层纤维膜上，从而形成了三层纤维膜结构，再将这个三层纤维膜结构水解为PUR/（PURHPAN）/（HPANSiO2）纤维膜，最后测量其液体非对称传输的指数（AOTC）为1021%;Li等[22]用聚氨酯（PU）和氟化聚氨酯（FPU）为原料，通过静电纺丝法制备了疏水性纤维膜，该纤维膜可以使水蒸气传输并且防水渗透;Cakir等[23]通过静电纺丝法将聚氨酯（PU）和二氧化硅喷涂在材料表面，测量喷涂后的材料与水的接触角为154.5°，达到了防水透气的效果。
综上可知，静电纺丝法对于液体非对称传输非织造材料的制备起到了推动作用，并且该技术具有制备工艺简便且成本低廉等优势。但是目前这种方法在该领域的应用相对较少，所以未来需要加大静电纺丝法在制备液体非对称传输非织造材料的应用。
2.2针刺法
利用针刺法制备的液体非对称传输非织造材料，通常是将润湿性不同的两种纤维分层放置，经开松梳理后通过针刺法将两层纤维网复合在一起。由于两层纤维网的亲疏水性不同，使得复合后的双层结构具有润湿梯度效应。江奇佳等[24]先采用针刺法将涤纶纤维和粘胶纤维分别加工制备成两种单层纤维网，再将二者叠合通过针刺形成复合纤维网。液体在涤纶/粘胶针刺复合纤维网的传递具有选择性和方向性，所以该材料具有液体非对称传输性能。
针刺法制备的液体非对称传输非织造材料具有良好的拉伸性、透气性以及热稳定性，并且其性能稳定，在高温或酸碱环境下不会受到特别大的影响[25]，是未来的研究方向。
2.3水刺法
水刺法和针刺法的原理相似，都是为了构建双层结构之间的润湿梯度以此来实现液体的非对称传输。王伟等[26]以粘胶纤维和二维、三维卷曲度的涤纶纤维为原料，通过水刺法来制备液体非对称传输非织造材料。二维卷曲涤纶复合水刺非织造材料的液体非对称传输指数（AOTC）较大，所以该类型非织造材料的液体非对称传输能力最强;Song等[27]将疏水性壳聚糖纤维和亲水性粘胶纤维分别加工成纤维网，再通过水刺法将二者叠合并固结在一起制成壳聚糖/粘胶复合非织造材料，制备过程如图6（a）所示。研究发现，从壳聚糖一侧滴加的液体可以穿过非织造材料，从粘胶一侧滴加的液体呈现水平扩散而不是垂直穿过，其两侧的液体转移情况如图6（b）所示。
2.4后整理法
后整理法是在非织造材料制备完成后，将其本身不具备液体非对称传输特性的非织造材料通过化学整理法或者等离子体改性法使其具有该特性，后整理法分类如图7所示。
2.4.1化学整理法
化学整理法，是将一种或者几种化学整理剂涂敷到非织造材料使得整理面对水具有不同的润湿性，一般包括单面亲水整理、单面疏水整理还有双面亲疏水性整理3种。
a）单面亲水整理
单面亲水整理是用亲水整理剂对非织造材料的一侧进行亲水整理，使得整理面亲水性得到明显提高。由于整理面的亲水性比另一侧强，进而在垂直方向上形成了润湿梯度，此时非织造材料就具有了液体非对称传输性能。任祺等[28]先将整理剂Hansi QSCONC对聚丙烯SMS非织造材料进行亲水整理，当其体积与水的体积比为1∶5时，此时非织造材料的液体非对称传输能力最强;秦志[29]通过单侧浸泡工艺，将乙醇超声振荡清洗后的PP非织造材料，放在邻苯二酚（CCH）和聚乙烯亚胺（PEI）溶液中单面浸泡，从而得到液体非对称传输非织造材料;张建国等[30]利用吸湿排汗去污整理剂TF620对尼龙一侧进行亲水整理，通过测量该侧材料的润湿性发现其亲水性提高，所以被亲水整理的尼龙与另一侧在垂直方向上形成了润湿梯度，即液体非对称传输能力得到明显提升。
b）单面疏水整理
对亲水材料来说，如果对其中一侧进行疏水整理也可以达到类似的效果。李珂等[31]用疏水整理剂Repellen SMS，以泡沫整理技术进行疏水整理，再测量整理完成的非织造材料单向传递指数高达153.35;齐国瑞等[32]利用拒水剂RUCODRY ECO对纯棉水刺非织造材料进行单面疏水整理，当液体从亲水侧滴向疏水侧，液体无法传输，而从疏水侧滴向亲水侧可以实现液体非对称传输;潘虹等[33]利用FG910型含氟拒水剂对纯棉水刺非织造材料进行单面疏水整理，此时材料两侧的亲疏水性的差别较大;Wu等[34]以聚丙烯腈为原料，通过静电纺丝法将聚丙烯腈—二甲基甲酰胺溶液加工成纤维膜，再将纤维膜在200℃的条件下加热3 h，整理前后对比如图8所示。
c）双面亲疏水性整理
除了上述两种方式以外，还可以将非织造材料两侧同时进行亲/疏水性整理，即一侧亲水整理，另一侧疏水整理，使得两侧具有亲疏水性不同的区域。王洁等[35]利用泡沫整理法对聚丙烯SMS非织造材料一侧进行单面亲水整理，而另一侧进行三拒抗整理;Bormashenko等[36]先将三氯甲烷与二氯甲烷的混合溶液涂在不銹钢金属丝网两侧，使金属丝网的两侧均获得超疏水性，再对其中的一侧进行紫外光照射使其疏水性转变为亲水性。然后材料两侧亲疏水性不同的区域形成润湿梯度，从而处理后的非织造材料具有液体非对称传输能力。
目前化学法主要应用于聚丙烯SMS非织造材料，整理方式一般有喷洒法、浸泡法和泡沫法等，有关化学法整理非织造材料的研究如表2所示。
2.4.2等离子体改性法
等离子体改性法是在化学法完成后的基础上进行的，该方法可以改变非织造材料化学和物理的表面性质，并且不影响其体积特征。Wang等[37]将等离子体改性法与化学法相结合来制备液体非对称传输非织造材料，首先在不做处理的涤纶非织造材料任意两侧滴加液体均可发生渗透，接着用疏水剂对两侧进行整理，在其中一侧滴加液体无法进行渗透，当这一侧进行紫外线照射后，液体在该面进行扩散且无法渗透到另一侧，但在仅受化学处理没有被紫外线照射一侧滴加液体便可以迅速渗透到另一侧;Zhou等[38]选用商业聚酯非织造材料为模型，先用化学技术对非织造材料进行预处理，然后进行紫外线照射。在照射前涂层非织造材料两侧都具有超疏水性，过程如图9所示，涂层非织造材料上的水、大豆油和十六烷（从左到右）可长时间稳定停留，经过10 h紫外线照射，表面十六烷已经完全渗透，水和大豆油保持不变;经过14 h照射，大豆油也完全渗透，水依然保持不变;照射24 h之后，所有液滴均完成渗透。所以经过24 h紫外线照射的涂层非织造材料具有液体非对称传输能力。
综上可知，静电纺丝法简单易操作，但是应用少、产量低;针刺法的优点是原料广泛、种类多，但是纤维一般较粗导致手感比较粗糙;水刺法制备的材料表面手感细腻，但是用于生产的原料较贵。所以针刺法在液体非对称传输非织造材料的应用偏多，其它的方法目前处于研究阶段。后整理法中的化学整理法操作简便，但制备用到的化学试剂对人体和环境都有着不同程度的危害，而且其液体非对称传输性能还容易受到外界环境的影响，几种方法的对比如表3所示，所以开发无毒无害的化学整理剂是制备液体非对称传输非织造材料的必然趋势。与后整理法相比，前3种方法没有使用化学试剂，而且非对称传输性能不会因环境改变而失效，所以更加安全稳定，受到了学者的关注。
3液体非对称传输非织造材料的应用
随着科技水平的提升以及研究的不断深入，液体非对称传输非织造材料得到了更为广泛的开发与应用。当前液体非对称传输非织造材料主要应用于医疗卫生、油水分离和服装等领域。
3.1医疗卫生
液体非对称传输非织造材料在医疗卫生领域被广泛应用，通过其性能的特殊性制备的手术服等医用防护用品既具有良好的透气性和排汗能力，又可以防止外界液体的渗入。徐宏等[39]采用静电喷洒法对非织造材料进行液体非对称传输整理，整理过后的非织造材料可以使汗液快速排出并且防止外侧的液体向内部渗透，该材料可作为制备手术服的原料;马若阳等[40]利用表面泡沫整理技术对聚丙烯SMS非织造材料的两侧进行整理，使得其在垂直方向上形成润湿梯度，因此以聚丙烯SMS为主要原材料的手术服具备了防渗透的能力;王洁等[35]采用泡沫整理法对纺粘熔喷纺粘（SMS）一面亲水整理，一面三拒（拒酒精、拒血液、拒油）一抗（抗静电）整理，使得材料在具备防护能力的同时还具有液体非对称传输能力;Wang等[41]将ZIF8掺入PAN中制备出粗糙的纤维，再通过静电纺丝技术把粗糙纤维层与PAN层复合成多层结构的材料，该材料具有液体非对称传输性能以及高水蒸气传输率，是制备口罩的优质材料。
3.2油水分离
液体非对称传输非织造材料也可以用于油水分离。当前油水分离的方法包括燃烧法和化学处理法，分离效率较高，但会对环境造成污染。液体非对称传输非织造材料是利用材料与水和油的润湿性不同而实现对两种物质的分离[42]。张贤等[43]以八甲基环四硅氧烷（D4）为原材料，利用等离子体气相接枝法将其聚合于通过静电纺丝法制备的醋酸纤维（CA）膜表面，从而形成一种单面超疏水单面亲水的Janus型CA纤维膜，该纤维膜具有分离率高、重复利用性好以及制备工艺简单等特点，能有效解决油水分离问题;附青山等[44]通过静电纺丝法在多孔聚乙烯瓶上沉积聚丙烯腈（PAN）纤维膜，制备出具有高效油水分离性能的分离膜装置;Fu等[45]利用十八胺（ODA）和丙氧基化甘油三缩水甘油醚（GPTE）组成的溶液浸涂聚酯非织造材料，再在其中一侧进行紫外线照射，最终制备的非织造材料在水中可以让油进行定向传递，从而实现油水分离，其工作原理如图10所示。
3.3服装
液体非对称传输非织造材料同样适用于服装领域。人们运动时所穿的服饰需要具备吸湿快干性能，因为原料的导湿性是影响服装舒适性的重要因素之一[46]。贺建国等[47]选择湿度状态下的具有良好保形性的PBT长丝和具有吸湿快干功能的Cooldry长丝作为原料，将两种材料进行组合并且浮点型结构设计，最后制备一种既舒适又持久的液体非对称传输非织造材料;Wang等[15]以静电纺丝法制备了仿生多孔Murray液体非对称传输纤维膜，该纤维膜具备逆重力导液和内层速干性能，所以可作为运动服的制备原料;在洗刷过后的鞋子上面会残留少量的水及洗剂的杂质，所以会发生氧化反应而导致鞋面变黄。王晓佩等[48]通过了解运动鞋变黄原理提出了针对运动鞋的液体非对称传输贴膜，不仅可以将鞋面附着的水和洗涤剂排出，还阻挡外界水分和氧气的进入，从而达到防止鞋面变黄的目的。
4結语
液体非对称传输的机理主要包括差动毛细效应、润湿梯度效应、蒸腾效应以及几个原理的组合应用，并且组合应用可以充分发挥各自机理的优势。目前润湿梯度效应是液体非对称传输的主要实现方法。
非织造成型技术具有成型快、生产效率高等优势。运用非织造成型技术能够更快地完成液体非对称传输非织造材料的制备。后整理法操作简单，但是使用的化学试剂会对人体以及环境造成危害，并且其性能易受外界环境影响而失效。所以静电纺丝法、针刺法和水刺法相对于后整理法来说不仅安全而且其液体非对称传输性能更稳定。
液体非对称传输非织造材料主要应用于医疗卫生、油水分离、服装、航空航天和自清洁等领域。所以当前的研究方向是拓展其应用领域，从而实现液体非对称传输非织造材料的多元化发展。
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收稿日期：20210630網络出版日期：20211021
基金项目：国家自然科学基金项目（52003306）;河南省高等学校重点科研项目（20A540001）;河南省医用防护用品重点实验室项目（YD2021006）;中原工学院自主创新应用研究项目（K2020YY002）
作者简介：王镕琛（1996-），男，郑州人，硕士研究生，主要从事新型非织造成型技术方面的研究。
通信作者：张恒，Email：zhangheng2699@zut.edu.cn