自古以來，皮革製品就備受青睞。皮革的應用可以追溯到舊石器時代，那時我們的祖先就能利用動物皮革縫製皮衣。隨著技術的不斷革新，人們對皮革製品的需求也日益提高，從簡單的“生皮”到“熟皮”，再到追求防水、防油、阻燃等多功能皮革的生產。同時，性能優異的人造皮革的出現也對天然皮革構成了挑戰。
防水是現代皮革不可或缺的特性。最常用的服裝皮革和鞋面皮革對防水性能的需求很高。防水皮革製品的需求與日俱增。對於許多皮革製品而言，「防水」也成為了人們購買的附加條件。防水技術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，許多防水工藝技術已被開發出來。本系列文章從皮革防水概念、防水機制和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。本文主要闡述皮革防水的概念與機制。
1. 皮革防水的基本概念
皮革防水的關鍵在於防止水從皮革表面滲入另一側。由於皮革本身俱有親水性，天然皮革通常需要鞣製，而鞣製過程無法阻止這一現象。皮革的親水性源自於其三維空間中交織的膠原纖維，纖維間存在無數半徑各異的毛細管。鞣製後，添加的化學物質引入了更多極性基團，例如羥基、羧基和氨基。由於同質異構原理，這些極性基團能夠與水分子結合。
皮革接觸水後，由於其表面存在大量極性基團，導致皮革具有親水性，容易吸水。同時，皮革內部的細管結構也使得水分能夠被皮革吸收。防水的目的是阻止上述過程的發生，因此防水可以歸納為以下三點：
（1）不保濕：防止上皮纖維蛋白表面的特性，即在水的表面上濕潤，以水為參考。
（2）不吸水：防止皮革吸收水分並向內滲透的性能，即防水性能。
（3）精密防水：防止水從皮革一側進入另一側的性能，即防水性能。
以上是防水性能的三個面向。防水性能應包含這三個方面，即皮革抵抗吸水、透水和被水潤濕的能力。然而，現有防水皮革的防水性能往往無法同時具備這三個面向。例如，有些防水皮革表面雖然會被水潤濕，但卻無法阻止水滲入皮革內部；有些防水皮革表面雖然不會被水潤濕，但其動態防水性能卻很差。這種現象的存在使得人們對防水皮革的理解更加混亂。要打造一款高端防水皮革，首先必須使其兼具靜態防水和動態防水性能。在此基礎上，既不降低天然皮革的優異性能，尤其是其衛生性能，又能使皮革更具功能性。
其次，皮革防水機制
從外觀上看，皮革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。前面提到的防水是指皮革抵抗吸水、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。潤濕作用是指液體和固體之間的相互作用，涉及氣、液、固的接觸。三相接觸面的表面張力是存在的。潤濕現像是否發生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，液體可以平鋪在固體表面並潤濕固體。當表面張力較大時，液體會在固體表面收縮成水滴，而不會擴散潤濕固體，也就是說，表面張力高的物質無法潤濕表面張力低的物質。因此，為了防止皮革被水浸透，皮革的表面張力必須低於水的表面張力。
固體的潤濕程度通常以接觸角表示。英國科學家托馬斯楊解釋了這個問題，他提出了著名的楊氏方程式：當液體附著在固體表面時，固體表面的潤濕程度可以用接觸角θ（或潤濕角）表示：cosθ = vs -g-vl-g vs-l
公式 1 中：θ－氣液-固三相交界處的角度，氣液界面與氣固界面之間的張力角度；液-氣界面之間的表面張力；氣-液界面之間的表面張力。詳情請見下文：
圖1展示了接觸角與表面張力的關係圖。 A表示液體潤濕固體的情況，B表示液體不潤濕的情況。透過確定接觸角的大小，可以判斷固體表面的潤濕程度，通常為90°。如圖1A所示，液體與親水性固體相互作用。當接觸角θ<90°時，液體滴在固體表面，表示液體易於潤濕固體；液體在固體表面有收縮的趨勢，形成球形液滴。當接觸角θ>90°時，表示液體不易潤濕固體，即液體與疏水性固體表面相互作用。接觸角越小，潤濕性越好；當θ=0°時，表示固體表面完全潤濕，而θ=180°時則表示完全不潤濕。因此，為了使皮革表面不沾水且拒水，直觀上需要使接觸角θ>90°，這可以透過降低皮革表面的表面張力來實現。除了改變接觸角以防止皮革表面沾水外，還應注意皮革本身由膠原纖維組成，即存在無數不同半徑的纖維。毛細現象極易發生，這將進一步增加皮革的吸水率。因此，要使皮革防水，也應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發生彎曲。同時，表面張力的存在會在彎曲的液體表面產生額外的壓力，使得彎曲液體表面與水平液體表面之間的壓力差增加。這種壓力差會使毛細管內的液體上升或下降，以抵消額外的壓力，從而達到壓力平衡。毛細管內液體的上升或下降可以用楊-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額外壓力與液體的表面張力和曲率半徑之間的關係，如公式2所示：△P = γ(1/R1 + 1/R2)。公式2中：△P－液體表面內外壓力差；γ－表面張力係數；R1和R2－液體的主曲率半徑。詳情如下：
如圖2所示，毛細管內存在α、β及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相的接觸角為θ。在楊-拉普拉斯方程式示意圖中，若θ<90°，則△P<0，毛細管內液面為凹面，作用於下方液體的力會拉動液體進入毛細管並潤濕固體；若θ>90°，則△P>0，毛細管內液面為凸面。因此，為了避免毛細效應，本質上是使接觸角<90°，這可以透過減少毛細管內表面的面積來改變其表面張力來實現。
第三，皮革塗層防水機制
皮革表面是最先接觸到水的部分。除了改變皮革表面以防止水分滲入外，還可以透過在皮革表面添加一層防水塗層來取代原有的皮革表面，使其成為皮革防水的第一道防線。添加這種塗層的關鍵在於皮革的濕度、塗層的附著力和漿料的滲透性。底塗層是整個塗層的基礎，其黏性對底塗層至關重要，因此塗層的黏性也至關重要。塗層的黏性可以從物理和化學兩方面來探討。光滑的表面比磨損的表面更不利於塗層的附著。這是因為磨損表面有很多皺紋、小凸起和不規則之處，更有利於塗層的黏附。使用化學交聯劑可以提高塗層的防水性和黏性。漿料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。根據潤濕和黏附定律，紙漿在皮革本體中的滲透率與許多因素有關。
SandMeyer 公式描述了滲透速度與表面張力、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
由公式 4 可知：
（1）濕角（COSθ）的函數值（COSθ）與紙漿的滲透速度成正比，顯示潤濕在底部紙漿的滲透中起著關鍵作用。
(2) 增加孔隙率、提高表面張力、增加接觸角的斜率(COSθ)、降低液體黏度均有利於提高液體的潤濕速度。同時，也應考慮液體的滲透深度。影響滲透深度的因素基本上與影響滲透速度的因素相同，但增加滲透深度需要降低黏度、減少潤濕角並提高表面張力。減小潤濕角和提高表面張力之間存在矛盾。因此，應適當調節表面張力以使液體滲透更深。雖然滲透速度與表面張力成正比，但表面張力越大，滲透速度也越大。
除了上述因素外，皮革表面底部的滲透性也與其濃度、皮革狀態（含水量、孔隙度、電荷極性等）和塗層方法有關。
發佈時間：2024年5月30日