自古以来，皮革制品就备受青睐。皮革的应用可以追溯到旧石器时代，那时我们的祖先就能利用动物皮革缝制皮衣。随着技术的不断革新，人们对皮革制品的需求也日益提高，从简单的“生皮”到“熟皮”，再到追求防水、防油、阻燃等多功能皮革的生产。与此同时，性能优异的人造革的出现也对天然皮革构成了挑战。
防水是现代皮革不可或缺的特性。最常用的服装皮革和鞋面皮革对防水性能的需求很高。防水皮革制品的需求与日俱增。对于许多皮革制品而言，“防水”也成为了人们购买的附加条件。防水技术的广泛应用使得防水似乎成为了皮革本身的特性之一。如今，许多防水工艺技术已被开发出来。本系列文章从皮革防水概念、防水机理和防水工艺技术三个方面系统地总结了皮革防水研究的相关内容。本文主要阐述皮革防水的概念和机理。
1. 皮革防水的基本概念
皮革防水的关键在于防止水从皮革表面渗入另一侧。由于皮革本身具有亲水性，天然皮革通常需要鞣制，而鞣制过程无法阻止这一现象。皮革的亲水性源于其三维空间中交织的胶原纤维，纤维间存在无数半径各异的毛细管。鞣制后，添加的化学物质引入了更多极性基团，例如羟基、羧基和氨基。由于同质异构原理，这些极性基团能够与水分子结合。
皮革接触水后，由于其表面存在大量极性基团，导致皮革具有亲水性，容易吸水。同时，皮革内部的细管结构也使得水分能够被皮革吸收。防水的目的就是阻止上述过程的发生，因此防水可以概括为以下三点：
（1）不保湿：防止上皮纤维蛋白表面的特性，即在水的表面上湿润，以水为参考。
（2）不吸水：防止皮革吸收水分并向内渗透的性能，即防水性能。
（3）精密防水：防止水从皮革一侧进入另一侧的性能，即防水性能。
以上是防水性能的三个方面。防水性能应包含这三个方面，即皮革抵抗吸水、透水和被水润湿的能力。然而，现有防水皮革的防水性能往往无法同时具备这三个方面。例如，有些防水皮革表面虽然会被水润湿，但却无法阻止水渗入皮革内部；有些防水皮革表面虽然不会被水润湿，但其动态防水性能却很差。这种现象的存在使得人们对防水皮革的理解更加混乱。要打造一款高端防水皮革，首先必须使其兼具静态防水和动态防水性能。在此基础上，既不降低天然皮革的优异性能，尤其是其卫生性能，又能使皮革更具功能性。
其次，皮革防水机制
从外观上看，皮革可以分为涂层和皮革两层。对于程魔，我们习惯称之为利维联盟。前面提到的防水是指皮革抵抗吸水、透水和被水润湿的能力。防水的第一步是防止皮革表面被水润湿，这涉及到固体表面的水分问题。润湿作用是指液体和固体之间的相互作用，涉及气、液、固的接触。三相接触面的表面张力是存在的。润湿现象是否发生可以通过表面张力来判断：当液体的表面张力低于固体的表面张力时，液体可以平铺在固体表面并润湿固体。当表面张力较大时，液体会在固体表面收缩成水滴，而不会扩散润湿固体，也就是说，表面张力高的物质无法润湿表面张力低的物质。因此，为了防止皮革被水浸透，皮革的表面张力必须低于水的表面张力。
固体的润湿程度通常用接触角表示。英国科学家托马斯·杨解释了这个问题，他提出了著名的杨氏方程：当液体附着在固体表面时，固体表面的润湿程度可以用接触角θ（或润湿角）表示：cosθ = vs -g-vl-g vs-l
公式 1 中：θ——气-液-固三相交界处的角度，气-液界面与气-固界面之间的张力角度；液-气界面之间的表面张力；气-液界面之间的表面张力。详情见下文：
图1展示了接触角与表面张力的关系图。A表示液体润湿固体的情况，B表示液体不润湿的情况。通过确定接触角的大小，可以判断固体表面的润湿程度，通常为90°。如图1A所示，液体与亲水性固体相互作用。当接触角θ<90°时，液体滴在固体表面，表明液体易于润湿固体；液体在固体表面有收缩的趋势，形成球形液滴。当接触角θ>90°时，表明液体不易润湿固体，即液体与疏水性固体表面相互作用。接触角越小，润湿性越好；当θ=0°时，表示固体表面完全润湿，而θ=180°时则表示完全不润湿。因此，为了使皮革表面不沾水且拒水，直观上需要使接触角θ>90°，这可以通过降低皮革表面的表面张力来实现。除了改变接触角以防止皮革表面沾水外，还应注意皮革本身由胶原纤维组成，即存在无数不同半径的纤维。毛细现象极易发生，这将进一步增加皮革的吸水率。因此，要使皮革防水，还应考虑提高皮革纤维的疏水性能。
毛细现象是由于分子粘附层的粘附力和凝聚力使液体表面发生弯曲。同时，表面张力的存在会在弯曲的液体表面产生额外的压力，使得弯曲液体表面与水平液体表面之间的压力差增大。这种压力差会使毛细管内的液体上升或下降，以抵消额外的压力，从而达到压力平衡。毛细管内液体的上升或下降可以通过杨-拉普拉斯方程来判断。杨-拉普拉斯方程描述了弯曲液体的额外压力与液体的表面张力和曲率半径之间的关系，如公式2所示：△P = γ(1/R1 + 1/R2)。公式2中：△P——液体表面内外压力差；γ——表面张力系数；R1和R2——液体的主曲率半径。详情如下：
如图2所示，毛细管内存在α、β和σ三相共存体系。若半径为R的毛细管内达到三相平衡，则α相的接触角为θ。在杨-拉普拉斯方程示意图中，若θ<90°，则△P<0，毛细管内液面为凹面，作用于下方液体的力会拉动液体进入毛细管并润湿固体；若θ>90°，则△P>0，毛细管内液面为凸面。因此，为了避免毛细效应，本质上是使接触角<90°，这可以通过减小毛细管内表面的面积来改变其表面张力来实现。
第三，皮革涂层防水机制
皮革表面是最先接触到水的部分。除了改变皮革表面以防止水分渗入外，还可以通过在皮革表面添加一层防水涂层来替代原有的皮革表面，使其成为皮革防水的第一道防线。添加这种涂层的关键在于皮革的湿度、涂层的附着力和浆料的渗透性。底涂层是整个涂层的基础，其粘性对底涂层至关重要，因此涂层的粘性也至关重要。涂层的粘性可以从物理和化学两个方面来探讨。光滑的表面比磨损的表面更不利于涂层的附着。这是因为磨损表面有很多皱纹、小凸起和不规则之处，更有利于涂层的粘附。使用化学交联剂可以提高涂层的防水性和粘性。浆料的渗透性也是一个关键的影响因素。皮革本身是一种具有纤维结构的多孔物质。根据润湿和粘附定律，纸浆在皮革本体中的渗透率与许多因素有关。
SandMeyer 公式描述了渗透速度与表面张力、粘度和接触角之间的关系。
公式 4：渗透速度 = 孔隙度 × 表面张力 × cosθ 粘度
由公式 4 可知：
（1）湿角（COSθ）的函数值（COSθ）与纸浆的渗透速度成正比，表明润湿在底部纸浆的渗透中起着关键作用。
(2) 增加孔隙率、提高表面张力、增大接触角的斜率(COSθ)以及降低液体黏度均有利于提高液体的润湿速度。同时，还应考虑液体的渗透深度。影响渗透深度的因素与影响渗透速度的因素基本相同，但增加渗透深度需要降低黏度、减小润湿角并提高表面张力。减小润湿角和提高表面张力之间存在矛盾。因此，应适当调节表面张力以使液体渗透更深。虽然渗透速度与表面张力成正比，但表面张力越大，渗透速度也越大。
除了上述因素外，皮革表面底部的渗透性还与其浓度、皮革状态（含水量、孔隙度、电荷极性等）和涂层方法有关。
发布时间：2024年5月30日