Das Grundkonzept und der wasserdichte Mechanismus von Leder

Lederprodukte sind seit der Antike sehr gefragt. Ihre Verwendung lässt sich bis in die Altsteinzeit zurückverfolgen. Schon damals nutzten unsere Vorfahren Tierleder zur Herstellung von Kleidung. Mit dem ständigen technologischen Fortschritt stiegen auch die Ansprüche an Lederprodukte. Von einfacher Rohhaut über gegerbte Haut bis hin zur Produktion multifunktionaler Leder mit hervorragenden Eigenschaften wie Wasser-, Öl- und Schwer entflammbarkeit. Gleichzeitig stellt die Entwicklung von Kunstleder mit besonderen Eigenschaften eine Herausforderung für Naturleder dar.

Wasserundurchlässigkeit ist eine unverzichtbare Eigenschaft von modernem Leder. Die am weitesten verbreiteten Lederarten für Bekleidung und Obermaterial erfordern Wasserundurchlässigkeit.AbdichtungDie Bedeutung von Wasserdichtigkeit nimmt stetig zu. Bei vielen Lederprodukten gehört mittlerweile auch die Eigenschaft „wasserdicht“ zu den Kaufkriterien. Durch die weitverbreitete Anwendung von Imprägniermitteln scheint Wasserdichtigkeit zu den Grundeigenschaften von Leder zu gehören. Mittlerweile wurden zahlreiche Verfahren zur Imprägnierung entwickelt. Diese Reihe fasst die relevanten Forschungsergebnisse zur Wasserdichtigkeit von Leder systematisch aus drei Perspektiven zusammen: dem Konzept der Wasserdichtigkeit, dem Wirkmechanismus und den angewandten Verfahren. Dieser Artikel erläutert insbesondere das Konzept und den Wirkmechanismus der Wasserdichtigkeit.

1. Das Grundkonzept der wasserdichten Lederherstellung

Der Schlüssel zur Wasserdichtigkeit von Leder liegt darin, das Eindringen von Wasser durch die Lederseite zu verhindern. Da Leder von Natur aus hydrophil ist, lässt sich dieser Prozess auch nach dem Gerben nicht vollständig unterbinden. Die Hydrophilie des Leders beruht auf den dreidimensional verwobenen Kollagenfasern, zwischen denen sich unzählige Kapillarröhrchen unterschiedlichen Radius befinden. Durch die Zugabe chemischer Stoffe nach dem Gerben werden polare Gruppen wie Hydroxy-, Carboxyl- und Aminogruppen eingeführt. Aufgrund ihrer Wechselwirkungen können diese polaren Gruppen Bindungen mit Wasser eingehen.

Nach dem Kontakt mit Wasser bewirkte die große Anzahl polarer Gruppen, dass das Leder hydrophil wurde und Feuchtigkeit aufnahm. Gleichzeitig ermöglichten feine Kanäle im Leder die Wasseraufnahme. Wasserdichtigkeit bedeutet, diesen Prozess zu verhindern. Daher lässt sich Wasserdichtigkeit in drei Aspekte zusammenfassen:

(1) Keine Befeuchtung: Verhindert die Eigenschaften der Oberfläche des Epithelfibrins, das auf der Oberfläche von Wasser feucht ist, ist Wasserreferenz.

(2) Keine Wasseraufnahme: die Fähigkeit des Leders, Wasser nicht aufzunehmen und nach innen einzudringen, d. h. Wasserabweisung.

(3) Präzisionswasser: Die Leistung, die verhindert, dass Wasser von der Lederseite auf die andere Seite gelangt, nämlich Wasserdichtigkeit.

Die oben genannten Punkte beschreiben drei Aspekte der Wasserdichtigkeit. Diese drei Aspekte – die Fähigkeit von Leder, Wasser zu widerstehen, es wasserdurchlässig zu machen und es durchnässen – sollten die Wasserdichtigkeit von Leder umfassen. Herkömmliche wasserdichte Leder weisen jedoch oft nicht alle drei Eigenschaften auf. Beispielsweise kann manches wasserdichte Leder zwar oberflächlich nass werden, aber das Eindringen von Wasser wird verhindert. Umgekehrt kann manches wasserdichte Leder zwar oberflächlich nass werden, seine dynamische Wasserdichtigkeit ist jedoch mangelhaft. Dieses Phänomen trägt zu einem uneinheitlichen Verständnis von wasserdichtem Leder bei. Um ein hochwertiges wasserdichtes Leder herzustellen, muss es daher sowohl statisch als auch dynamisch wasserdicht sein. Dadurch werden die hervorragenden Eigenschaften von Naturleder, insbesondere seine hygienischen Eigenschaften, nicht beeinträchtigt, sondern das Leder sogar funktionaler.

Zweitens, wasserdichter Mechanismus aus Leder

Aus optischer Sicht lässt sich das Material in zwei Schichten unterteilen: die Beschichtung und das Leder. Cheng Demon wird üblicherweise als „League of Levy“ bezeichnet. Wie bereits erwähnt, bezieht sich Wasserdichtigkeit auf die Fähigkeit von Leder, Wasser zu widerstehen, es wasserdurchlässig zu machen und nicht von Wasser benetzt zu werden. Der erste Schritt zur Wasserdichtigkeit besteht darin, die Lederoberfläche vor Nässe zu schützen, was mit dem Feuchtigkeitsproblem auf der festen Oberfläche zusammenhängt. Die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Feststoff, die den Kontakt von Qi, Flüssigkeit und Feststoff beinhaltet, bestimmt die Oberflächenspannung der Dreiphasenkontaktfläche. Ob ein Benetzungsphänomen auftritt, lässt sich anhand der Oberflächenspannung beurteilen: Ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit niedriger als die des Feststoffs, kann sich die Flüssigkeit flach auf der festen Oberfläche ausbreiten und den Feststoff benetzen. Bei zu hoher Oberflächenspannung zieht sich die Flüssigkeit auf der festen Oberfläche in Form von Wassertropfen zusammen, ohne sich auszubreiten und zu benetzen. Das heißt, Substanzen mit hoher Oberflächenspannung können Materialien mit niedriger Oberflächenspannung nicht benetzen. Um zu verhindern, dass Leder von Wasser durchnässt wird, muss die Oberflächenspannung des Leders geringer sein als die Oberflächenspannung von Wasser.

Der Benetzungsgrad eines Feststoffs wird üblicherweise durch den Kontaktwinkel beschrieben. Der britische Wissenschaftler Thomas Young erläuterte das Problem mit der berühmten Young-Gleichung: Wenn eine Flüssigkeit an der Oberfläche eines Feststoffs haftet, lässt sich der Benetzungsgrad durch den Kontaktwinkel θ (oder Benetzungswinkel) darstellen: cosθ = vs -g-vl-g vs-l

In Formel 1: θ – Winkel zwischen den Dreiphasenübergängen Qi-Flüssigkeit-Feststoff; Winkel zwischen der Oberflächenspannung zwischen Qi-Flüssigkeit und der Gas-Feststoff-Grenzfläche; Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Qi; Oberflächenspannung zwischen vs-l-Feststoff und Flüssigkeit. Siehe Details unten:

Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Kontaktwinkel und Oberflächenspannung. A beschreibt die Benetzung eines Feststoffs durch eine Flüssigkeit, B den Fall der Nichtbenetzung. Anhand des Kontaktwinkels lässt sich die Benetzung der Feststoffoberfläche bestimmen; üblicherweise beträgt der ideale Kontaktwinkel 90°. Wie in Abbildung 1A dargestellt, findet eine Wechselwirkung zwischen hydrophilen Feststoffen und Flüssigkeiten statt. Bei einem Kontaktwinkel θ < 90° benetzt die Flüssigkeit den Feststoff gut; es kommt zu einer Kontraktion der Oberfläche, wodurch sich kugelförmige Flüssigkeitstropfen bilden. Ein Kontaktwinkel θ > 90° bedeutet, dass die Flüssigkeit den Feststoff schlecht benetzt, also eine Wechselwirkung zwischen der hydrophoben Feststoffoberfläche und der Flüssigkeit stattfindet. Je kleiner der Kontaktwinkel, desto besser die Benetzbarkeit; bei θ = 0° ist die Feststoffoberfläche vollständig benetzt, bei θ = 180° hingegen gar nicht. Um eine wasserabweisende Lederoberfläche zu erzielen, ist ein Kontaktwinkel θ > 90° erforderlich. Dies lässt sich durch Reduzierung der Oberflächenspannung erreichen. Neben der Anpassung des Kontaktwinkels ist zu beachten, dass Leder aus Kollagenfasern mit unzähligen Fasern unterschiedlichen Radius besteht. Kapillarwirkung tritt leicht auf und erhöht die Wasseraufnahme. Daher ist es wichtig, die wasserabweisenden Eigenschaften des Leders zu verbessern, um es wasserdicht zu machen.

Das Kapillarphänomen entsteht durch die Adhäsions- und Kondensationskräfte der molekularen Adhäsionsschicht, die eine Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche bewirken. Gleichzeitig erzeugt die Oberflächenspannung einen zusätzlichen Druck auf die gekrümmte Flüssigkeitsoberfläche, wodurch sich die Druckdifferenz zwischen der gekrümmten und der darunterliegenden Flüssigkeitsoberfläche ausgleicht. Diese Druckdifferenz bewirkt einen Anstieg oder Abfall des Flüssigkeitsspiegels im Kapillarröhrchen und gleicht so den zusätzlichen Druck aus. Der Flüssigkeitsspiegel im Kapillarröhrchen steigt oder fällt mithilfe der Young-Laplace-Gleichung. Diese Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen dem zusätzlichen Druck der gekrümmten Flüssigkeit, der Oberflächenspannung und dem Krümmungsradius der Flüssigkeit, wie in Typ 2 dargestellt: △P = γ (1/R1 + 1/R2). Typ 2: △P – Druckdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Flüssigkeitsoberfläche; γ – Oberflächenspannungskoeffizient; R1 und R2 – Hauptkrümmungsradius der Flüssigkeit. Siehe Details unten.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, koexistieren die Dreiphasensysteme α, β und σ im Inneren eines Kapillarröhrchens. Befindet sich das Dreiphasengleichgewicht in einem Kapillarröhrchen mit Radius R, beträgt der Kontaktwinkel von α θ. Gemäß der Young-Laplace-Gleichung gilt: Ist θ < 90°, so ist ΔP < 0, die Flüssigkeitsoberfläche im Kapillarröhrchen ist konkav, und die auf die Flüssigkeit wirkende Kraft zieht die Flüssigkeit in das Kapillarröhrchen und benetzt den Feststoff. Ist θ > 90°, so ist ΔP > 0, die Flüssigkeitsoberfläche im Kapillarröhrchen ist konvex. Um den Kapillareffekt zu vermeiden, muss der Kontaktwinkel daher idealerweise < 90° sein. Dies lässt sich durch Verkleinerung der Innenfläche des Kapillarröhrchens und damit durch Änderung der Oberflächenspannung erreichen.

Drittens, wasserdichter Mechanismus der Lederbeschichtung

Die Lederoberfläche ist als erstes mit Wasser in Berührung. Um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, kann die Oberfläche des Leders nicht nur verändert, sondern auch durch eine wasserabweisende Beschichtung ersetzt werden. Diese bildet die erste Verteidigungslinie gegen Nässe. Entscheidend für das Aufbringen dieser Beschichtung sind der Feuchtigkeitsgehalt des Leders, die Haftung der Beschichtung und das Eindringen in das Ledergewebe. Die Grundierung bildet die Basis der gesamten Beschichtung, und ihre Haftung ist für diese entscheidend. Daher ist die Haftung der Beschichtung von grundlegender Bedeutung. Die Auswirkungen auf die Beschichtung lassen sich sowohl physikalisch als auch chemisch betrachten. Glatte Oberflächen sind für die Haftung der Beschichtung ungünstiger als raue Oberflächen. Der Grund dafür sind die vielen Falten, kleinen Erhebungen und Unebenheiten auf rauen Oberflächen, die das Anhaften begünstigen. Der Einsatz chemischer Vernetzungsmittel kann die Wasserdichtigkeit und Haftung der Beschichtung verbessern. Auch das Eindringen der Grundierung ist ein wichtiger Einflussfaktor. Leder selbst ist ein poröses Material mit Faserstruktur. Gemäß dem Gesetz der Benetzung und Haftung hängt die Penetrationsrate des Zellstoffs in den Lederkörper von vielen Faktoren ab.

Die SandMeyer-Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen der Eindringgeschwindigkeit und der Oberflächenspannung, der Viskosität und dem Kontaktwinkel.

Formel 4: Infiltrationsgeschwindigkeit = Porengrad × Oberflächenspannung × cosθ Viskosität

Aus Gleichung 4 können wir sehen:

(1) Der Funktionswert (COSθ) des Benetzungswinkels (COSθ) ist proportional zur Penetrationsgeschwindigkeit des Zellstoffs, was darauf hindeutet, dass die Benetzung eine Schlüsselrolle beim Eindringen des Bodenzellstoffs spielt.

(2) Eine Vergrößerung der Poren, eine Erhöhung der Oberflächenspannung, ein Anstieg des Kontaktwinkels (COSθ) und eine Verringerung der Flüssigkeitsviskosität begünstigen eine höhere Benetzungsgeschwindigkeit. Gleichzeitig sollte die Eindringtiefe berücksichtigt werden. Die Faktoren, die die Eindringtiefe beeinflussen, sind im Wesentlichen dieselben wie die Faktoren, die die Infiltrationsgeschwindigkeit beeinflussen. Um jedoch eine größere Eindringtiefe zu erreichen, müssen die Viskosität und der Kontaktwinkel verringert sowie die Oberflächenspannung des Zellstoffs erhöht werden. Es ist widersprüchlich, den Kontaktwinkel zu verringern und gleichzeitig die Oberflächenspannung zu erhöhen. Daher muss die Oberflächenspannung entsprechend angepasst werden, um ein tieferes Eindringen des Zellstoffs zu ermöglichen. Obwohl die Eindringgeschwindigkeit proportional zur Oberflächenspannung ist, gilt: Je höher die Oberflächenspannung, desto höher die Eindringgeschwindigkeit.

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren hängt das Eindringen in die Unterseite der Lederoberfläche auch von der Konzentration, dem Zustand des Leders (Feuchtigkeitsgehalt, Porengrad, Ladungspolarität usw.) und den Beschichtungsmethoden ab.