《Progress in Organic Coatings》：Progress of fluorine-free water repellents for textiles: A comprehensive review from industry and academia
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水repellent技術(shù)對(duì)紡織品功能性處理至關(guān)重要，傳統(tǒng)含氟制劑因環(huán)境持久性和生物累積性面臨嚴(yán)格限制，研究聚焦于開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異且環(huán)保的氟化物替代品。通過(guò)分析紡織防水機(jī)理、發(fā)展歷程及前沿技術(shù)（如納米材料與等離子體處理），系統(tǒng)綜述了聚丙烯酸鹽、硅有機(jī)物、聚氨酯及樹(shù)狀聚合物等四大類氟化物替代品的結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用潛力，指出仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生物基材料開(kāi)發(fā)及多功能集成是未來(lái)突破方向。
張浩|張凌峰|劉炳賢|蔡旭新|高吉|范存?zhèn)蘇康寧|孫杰
南京工業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與制藥工程學(xué)院，南京，211816，中國(guó)
摘要
防水整理技術(shù)在紡織品的功能處理中起著至關(guān)重要的作用。基于全氟烷基物質(zhì)（PFAS）的防水劑由于其出色的防水性能，長(zhǎng)期以來(lái)一直占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。然而，它們存在環(huán)境持久性和生物累積的風(fēng)險(xiǎn)，因此許多國(guó)家對(duì)此進(jìn)行了監(jiān)管。本文綜述了紡織品的防水機(jī)制、防水整理劑的發(fā)展歷史以及無(wú)氟防水整理劑的研究進(jìn)展。防水機(jī)制基于表面接觸角，通過(guò)特殊纖維或整理劑實(shí)現(xiàn)防水效果。整理劑的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：防水劑的初步開(kāi)發(fā)、含氟防水劑的快速發(fā)展，以及無(wú)氟整理劑的發(fā)展。無(wú)氟防水劑用長(zhǎng)鏈烷基取代了氟碳鏈，主要分為四類（聚丙烯酸酯基、有機(jī)硅基、聚氨酯基和樹(shù)枝狀聚合物基）等。此外，還介紹了納米技術(shù)和等離子技術(shù)等先進(jìn)的防水技術(shù)。未來(lái)，防水研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注仿生結(jié)構(gòu)、生物基材料及多功能集成，以促進(jìn)紡織品的高性能和綠色發(fā)展。
引言
在紡織品的功能處理領(lǐng)域，防水處理技術(shù)一直占據(jù)重要地位，其應(yīng)用范圍涵蓋戶外裝備、家用紡織品、工業(yè)紡織品等領(lǐng)域。隨著戶外運(yùn)動(dòng)的逐漸興起，全球?qū)Ω咝阅芊浪徔椘返男枨蟪掷m(xù)增長(zhǎng)[1]。
基于全氟烷基物質(zhì)（PFAS）的氟碳整理劑因其優(yōu)異的防水性能，在紡織品“三防”（防水、防油、防污）助劑市場(chǎng)中長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位。PFAS整理劑出色的防護(hù)效果使其成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，受到追求高性能防護(hù)紡織品的紡織和染整企業(yè)的青睞[2]。這類防水劑主要由氟碳鏈組成。由于氟原子的高極性，碳-氟鍵（C-F）的鍵能遠(yuǎn)高于碳-氫鍵（C-H）；此外，氟原子的原子半徑大于氫原子（見(jiàn)圖1），這為碳-碳鍵和碳-氟鍵提供了良好的屏蔽作用，顯著提升了化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。含氟防水劑依靠C-F鍵的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)低結(jié)合能和表面自由能，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的防水和防油效果[3,4]（見(jiàn)表1）。
隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，傳統(tǒng)含氟防水劑造成的持續(xù)環(huán)境污染問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注。紡織行業(yè)是全氟烷基物質(zhì)（PFAS）的主要應(yīng)用領(lǐng)域，占全球PFAS消耗量的近50%，也是環(huán)境釋放的重要來(lái)源[5]。以全氟辛酸（PFOA）為代表的C8類物質(zhì)在自然環(huán)境中具有極強(qiáng)的持久性（半衰期超過(guò)50年），并具有顯著的生物累積效應(yīng)，可通過(guò)生態(tài)鏈形成多層次污染，威脅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。歐盟[7]和美國(guó)[8]已相繼將PFAS物質(zhì)列入監(jiān)管名單，歐美市場(chǎng)開(kāi)始逐步全面禁止使用全氟/多氟烷基化合物。開(kāi)發(fā)兼具優(yōu)異防水性能和環(huán)境友好性的無(wú)氟替代產(chǎn)品已成為全球紡織化學(xué)領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)課題。
現(xiàn)有的關(guān)于無(wú)氟防水涂層的綜述通常側(cè)重于特定材料系統(tǒng)的學(xué)術(shù)研究進(jìn)展或孤立的工業(yè)應(yīng)用案例。相比之下，本文整合了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的觀點(diǎn)，對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的分析。從歷史角度系統(tǒng)回顧了防水劑的演變過(guò)程，從最初的簡(jiǎn)單物理沉積到PFAS基整理劑的主導(dǎo)地位，再到當(dāng)前向無(wú)氟系統(tǒng)的過(guò)渡，這在以往的綜述中較為罕見(jiàn)。從機(jī)制上講，本文不僅闡明了基于表面接觸角的防水機(jī)制，還將其與不同整理劑的結(jié)構(gòu)特性和實(shí)際應(yīng)用效果聯(lián)系起來(lái)，架起了理論機(jī)制與工業(yè)實(shí)踐之間的橋梁。此外，本文全面涵蓋了傳統(tǒng)的無(wú)氟材料系統(tǒng)（聚丙烯酸酯、有機(jī)硅、聚氨酯、樹(shù)枝狀聚合物）和新興技術(shù)（納米技術(shù)、等離子技術(shù)），并分析了該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸和未來(lái)發(fā)展方向。這種綜合框架比現(xiàn)有綜述更為系統(tǒng)和深入，可為研究人員和行業(yè)從業(yè)者提供參考。
紡織品防水機(jī)制
紡織品的防水性是指其抵抗和阻止液態(tài)水滲透的能力。通過(guò)降低織物對(duì)水的吸附力，可以防止水立即滲透到織物內(nèi)部，從而保持織物干燥和透氣。與水接觸角大于90°的織物表面稱為疏水表面，接觸角大于150°的稱為超疏水表面[9]。
主要有兩種方法
紡織品防水整理劑的發(fā)展歷史
紡織品防水整理是指利用各種方法和材料保護(hù)織物表面或內(nèi)部免受水滲透的技術(shù)，其目的是提高織物的防水性能、延長(zhǎng)使用壽命，并在某些情況下增強(qiáng)織物的抗污性和舒適性。從技術(shù)發(fā)展史的角度來(lái)看，防水整理劑的發(fā)展可分為三個(gè)階段[15]無(wú)氟防水劑的性能與分類
無(wú)氟防水劑是指不含氟原子的防水劑，不含與全氟辛酸（PFOA）相關(guān)的物質(zhì)，因此不會(huì)對(duì)人體內(nèi)分泌系統(tǒng)以及生殖和代謝功能產(chǎn)生不良影響，被視為安全環(huán)保的產(chǎn)品。從化學(xué)結(jié)構(gòu)評(píng)估的角度來(lái)看，例如在評(píng)估極性和兩親性時(shí)，氟碳鏈（-（CF?）n-）是最重要的成分
新興的防水整理技術(shù)
將納米技術(shù)和等離子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與紡織品的防水功能相結(jié)合，為開(kāi)發(fā)無(wú)氟防水劑提供了全新的途徑。挑戰(zhàn)與未來(lái)展望
作為應(yīng)對(duì)全氟烷基物質(zhì)（PFAS）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的核心解決方案，無(wú)氟防水整理技術(shù)在材料合成、工藝優(yōu)化和性能提升方面取得了顯著進(jìn)展。然而，隨著紡織行業(yè)對(duì)產(chǎn)品性能、生產(chǎn)效率和環(huán)境可持續(xù)性的要求不斷提高，無(wú)氟防水劑仍面臨多項(xiàng)技術(shù)瓶頸結(jié)論
由于全氟烷基物質(zhì)（PFAS）的環(huán)境毒性和生物累積性，傳統(tǒng)的含氟防水劑在全球市場(chǎng)中逐漸被淘汰。因此，開(kāi)發(fā)兼具優(yōu)異防水性能和環(huán)境友好性的無(wú)氟替代品已成為紡織化學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前，無(wú)氟防水劑的相關(guān)研究作者貢獻(xiàn)聲明
張浩：撰寫(xiě)——初稿。張凌峰：調(diào)研。劉炳賢：數(shù)據(jù)整理。蔡旭新：資源獲取。高吉：數(shù)據(jù)整理。范存?zhèn)ィ?/strong>資源獲取。蘇康寧：資源獲取。孫杰：撰寫(xiě)——審稿與編輯、項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)分析。
利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有已知的可能影響本文工作的財(cái)務(wù)利益沖突或個(gè)人關(guān)系。
致謝
作者感謝中國(guó)紡織信息中心（CTIC）的周長(zhǎng)年提供了詳細(xì)的行業(yè)和商品信息支持。
