自古以來，皮革製品就受到人們的廣泛需求。皮革的應用可以追溯到舊石器時代，當時我們的祖先就能夠使用動物皮革來縫製皮衣。隨著科技的不斷革新，人們對皮革製品的要求也不斷提高，從簡單的“生皮”到“熟皮”，再到追求生產防水、防油、阻燃等多功能皮革。同時，具有特殊優異性能的人造皮革的出現，對天然皮革提出了挑戰。
防水是現代皮革不可或缺的特性。應用最廣泛的服裝革和鞋面革對防水性能的要求防水皮革製品的日益普及，人們的購買條件中也加入了「防水」這個選項。防水革命的廣泛應用，使得防水似乎成為了皮革本身的特性之一。如今，許多防水工藝技術也得到了發展。本系列文章從皮革防水概念、防水機理、防水製程技術三個面向系統地總結了皮革防水研究的相關內容。本文主要針對防水的概念和機制進行闡述。
1.皮革防水的基本概念
皮革防水的關鍵在於防止水通過皮革面侵入皮革的另一面。由於皮革本身俱有親水性，天然皮革一般經過鞣製，無法阻止此過程。皮革的親水性是由膠原纖維在三維空間編織而成，纖維間存在著無數半徑不同的毛細管。鞣製後，化學材料的加入引入了更多的極性基團，如羥基、羧基、氨基等，由於相似相溶原理，這些極性基團可以與水形成結合。
皮革與水接觸後，大量極性基團的存在使皮革具有親水性，使水分濕潤成革。同時，皮革內部細管的存在使水分能夠被皮革吸收進入皮革內部。而防水就是阻斷上述過程的發生，因此防水可以歸納為以下三種：
（1）不保濕：防止上皮纖維蛋白在水面上濕潤的特性，是水的參考。
（2）不吸水：防止皮革吸收水分並向內滲透的性能，即水分解性能。
（3）精密防水：防止水從皮革一面進入另一面的性能，即Water Proof。
以上是防水性能的三個方面，防水性能應該包含這三個方面，指的是皮革抵抗吸水、透水和被水潤濕的能力。但現有的防水皮革的防水性能往往不能同時具備這三項，例如有的防水皮革雖然表面可以潤濕，但卻能阻止水滲透到皮革內部；有的防水皮革雖然表面不能潤濕，但其動態防水性卻較差。這種現象的存在使人們對防水皮革的認知更加混亂。要製備出高端的防水皮革，首先要使其兼具靜態防水和動態防水，在此基礎上，既不降低天然皮革的優良性能，特別是皮革的衛生性能，甚至還能使皮革更具功能性。
二、真皮皮革防水機理
從外觀上看，可以分為塗層和皮革兩層。對於程魔，我們習慣稱之為利維聯盟。前面的描述是，防水是指皮革能抵抗吸水、透水和被水潤濕的能力。防水的第一步是防止皮革表面被水潤濕，這涉及固體表面的水分問題。潤濕是液體與固體之間的相互作用，涉及氣、液、固三相的接觸。三相接觸面都有表面張力。是否發生潤濕現象可以透過表面張力來判斷：當液體的表面張力低於固體的表面張力時，液體可以在固體表面延展平鋪，從而潤濕固體。在表面張力作用下，液體會以水滴的形式在固體表面收縮，而不會鋪展潤濕，也就是說，表面張力高的物質無法潤濕張力低的物質。因此，為了防止皮革被水浸濕，皮革的表面張力必須低於水的表面張力。
固體濕潤的程度通常用接觸角來表示，英國科學家托馬斯·楊在提出著名的楊氏方程式時就解釋了這個問題：當液體附著在固體表面時，其對固體表面的潤濕程度可以用接觸角θ（或潤濕角）來表示：cosθ=vs-g-vl-g vs-l
式中：θ — 氣液固三相交界處夾角；氣液界面張力與氣固界面夾角；液-氣界面表面張力；液-固-液界面表面張力。具體如下：
圖1給出了接觸角與表面張力關係的示意圖。 A為液體潤濕固體的情況，B為未潤濕的情況。透過測定接觸角的大小，可以判斷固體表面的潤濕性，一般取90°。如圖1 A所示，為親水性固體與液體的相互作用。其接觸角θ<90°，液體置於固體表面，顯示液體易潤濕固體；固體表面有收縮趨勢，形成球形液滴。接觸角θ>90°，顯示液體不易潤濕固體，即疏水性固體表面與液體的相互作用。接觸角越小，潤濕性越好；θ=0°時，表示固體表面完全潤濕，θ=180°則完全不潤濕。因此，要使皮革表面不濕不吸水，直觀上要求接觸角θ>90°，而這可以透過降低皮革表面的表面張力來實現。除了改變接觸角來防止皮革表面濕潤外，還要注意，皮革本身是由膠原纖維構成的，即存在無數個半徑不同的容量，極易發生毛細現象，這會進一步增加皮革的吸水率。因此，要使皮革防水，也要考慮提高皮革纖維的疏水性能。
毛細現像是由於分子黏附層的黏附力和凝聚力使液體表面產生彎曲，同時由於表面張力的存在，在彎曲的液面上產生附加壓力，使液體彎曲液面與水平液面下方的液體產生壓力差。這個壓力差使毛細管內的液體上升或下降，抵消了附加壓力，從而平衡了壓力差，毛細管內的液體上升或下降，可以透過楊-拉普拉斯方程式來判斷。楊-拉普拉斯方程式描述了彎曲液體的附加壓力與液體的表面張力和曲率半徑之間的關係，如式2所示。 △P=γ(1R1+1R2)式2中：△P－液體表面內外壓力差；γ－表面張力係數；R1和R2－液體主曲率半徑。詳見下文：
如圖2所示為毛細管容量內α、β、σ三相共存體系。若半徑為R的毛細管內達到三相平衡，則α的接觸角為θ。在楊-拉普拉斯方程式示意圖中，若θ<90°，則△P<0，毛細管內液面呈凹形，施加於下方液體的力是拉著液體進入毛細管，潤濕固體；若θ>90°，則△P>0，毛細管液面呈凸形。本質上因此，要使毛細效應不發生，本質上是要使接觸角<90°，但可以透過減小毛細管內表面的黏度來改變其表面張力來實現。
三、皮革塗層防水機理
皮革表面是最先接觸水的，除了改變皮革表面結構防止水份受潮外，還可以透過在皮革表面添加一層防水塗層來取代皮革表面，使其成為皮革防水的第一道防線。添加這層塗層的關鍵在於皮革的濕潤度、塗層的附著力以及底漿的滲透性。底漿是整個塗層的基礎，而底漿的黏著性對底漿至關重要，因此塗層的黏著性至關重要。底漿對塗層的影響可以從物理和化學兩方面來探討。光滑的表面比耐磨表面更不利於塗層的附著，原因是耐磨表面有許多皺紋、小突起和不規則結構，更利於黏著。使用化學交聯劑可以提高塗層的防水性和黏性。底漿的滲透性也是一個關鍵的影響因素。皮革本身是一種具有纖維結構的多孔物質。根據潤濕和黏合劑的規律，漿料在革體內的滲透速度與多種因素有關。
SandMeyer公式描述了滲透速率與表面張力、黏度和接觸角之間的關係。
公式4：滲透速度=孔隙度×表面張力×cosθ黏度
從公式4我們可以看出：
（1）潤濕角（COSθ）的函數值（COSθ）與礦漿的滲透速度成正比，顯示潤濕對底漿的滲透有關鍵作用。
（2）增加孔隙、增加表面張力、增加接觸角的弦值（COSθ）、降低液體的黏度都有利於提高液體的潤濕速度，同時，提高礦漿的滲透深度也應考慮滲透深度。影響滲透深度的因素與影響滲透速度的因素基本相同，但提高礦漿的滲透深度是降低黏度、減小潤濕角、提高礦漿的表面張力，降低潤濕角與提高表面張力是相互矛盾的，因此應適當調節表面張力，使礦漿滲透更深。雖然滲透速度與表面張力成正比，但表面張力越大，滲透速度越快，表面張力也越大。
除了上述因素外，皮革表面底層的滲透性也與其濃度、皮革的狀態（含水量、毛孔程度、電荷極性等）以及塗佈方法有關。
發佈時間：2024年5月30日