看到经典的三色塑料布，忍不住想，防水和透气能共存吗？

出品：科普中国

作者：石畅（物理化学博士）

监制：中国科普博览

近日，经典的防水三色塑料布在网络上引起了广泛关注。无论是电子产品、户外衣物，还是房屋建筑，都与防水材料息息相关。我们生活中的防水材料，是如何做到无惧雨水，为我们“保驾护航”的呢？

三色塑料布

（图片来源：veer图库）

各式各样的防水材料

1.经典且全能的塑料布

塑料布在防水材料领域可谓是“全能手”，由于价格便宜、使用方便、防水性能出色，频繁“现身”于众多应用场景中。

塑料布通常由聚合物材料制成，如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）。这些材料具有较长的含碳分子链，或者疏水的侧链（甲基或者氯原子），表现出比水低的表面能，水分子可以很轻松地从材料表面滑走，减少了雨水的聚集。

荷叶的疏水效果

（图片来源：veer图库）

表面能可以理解为固体与液体之间的一种相互作用力，如果材料的表面能低，固体与液体间的相互作用力较弱，液体很难在固体表面停留和铺展，从而表现出疏水性。

此外，聚合物材料内部分子结构较为紧密，分子间的空隙非常小，水分子很难穿透材料表面，这是塑料布防水的另一个重要原因。

2.沥青，味道很臭，建筑防水少不了它

沥青是常见的建筑防水材料之一，由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成，呈现为黑褐色，并且散发出臭臭的味道。沥青的分子结构较为紧密，不透水，并且由于大量碳氢化合物的存在具有很强的疏水性，是一款防水效果很好的材料。

沥青在常温条件下为固态或半固态，使用时通常需要加热。沥青在加热后流动性增加，能够更好地填补细小的缝隙，阻止水的渗透。

屋顶的防水修复

（图片来源：veer图库）

3.纳米镀膜，电子产品的隐形“防护服”

电子产品的防水主要与结构设计和纳米镀膜有关。结构设计是通过防水胶条和密封圈提高手机拼接部分的密闭性。而纳米镀膜则是为设备表面及内部元器件披上“防护服”。

纳米镀膜是利用硅烷、氮气等为原料，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法，可以在电子设备表面和内部半导体元器件的表面沉积一层致密的疏水纳米镀膜（硅基材料）。当水滴接触电子设备表面时，疏水镀膜的存在会使水滴快速滑落。即使有水滴进入到设备内部，元器件表面的镀膜也会防止水滴对电路的损坏。

浸入水中的手机

（图片来源：veer图库）

防水、透气，如何做到既要、又要？

防水材料的防水性能与两个因素有关，一是疏水性；二是水滴的渗透性。作为户外穿着的服装，不仅要有好的防水性，还需要兼具良好的透气性。

孔隙结构是材料透气的主要原因，但是孔隙又会导致水滴穿过，防水性能下降。太矛盾了！如何才能做到既防水又透气呢？

被誉为“世纪之布”的GORE-TEX科技面料，成功地解决了防水和透气的矛盾，成为户外运动装备中最受欢迎的材料之一。

冲锋衣上的水滴

（图片来源：veer图库）

GORE-TEX材料主要由聚四氟乙烯（PTFE）薄膜组成，该薄膜包含上亿个微孔结构，这些微孔的尺寸为微米级，比液态的水滴小上万倍，但是水蒸汽分子却可以轻松透过。

户外运动时，由于材料具有很好的疏水性，加之较小的孔隙，水滴几乎不会穿透材料。而内部的汗液会以水蒸汽的形式通过微孔排出，在防水和透气的选择中，达到了“都要”的效果。

摩擦电纳米织物：防水、发电、加速排汗

2023年8月，中国科学家在国际知名期刊《先进材料》（《Advanced materials》）发表了一项关于摩擦电纳米结构的高性能防水和高排汗性能的纳米织物，这种织物可以利用摩擦发电促进织物排汗。

研究成果发表于《先进材料》杂志

（图片来源：《先进材料》杂志）

研究者通过带电液体喷射的技术，将疏水性铁电聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）和亲水性聚氨酯（PU）结合，制备了一种复合织物。该织物的孔径仅为0.62微米，孔隙率高达78%，有效防止了水滴穿过，并且提供了更多水蒸汽通道，促进排汗。

织物外表的PVDF-HFP纳米膜具有疏水的特性，水滴不易在表面停留。此外，PVDF-HFP纳米膜在机械拉伸的作用下还可以产生摩擦电压，在电场和亲水性PU纳米结构被动排汗的共同作用下，汗液被转化为更小的水分子，更容易通过复合织物的微孔结构排出体外。

电纺织技术示意图；b. 纳米网织物的防水性、透气性和排汗性示意图；c-e. 纤维材料的电镜图；纳米纤维与纳米网织物的孔径对比图(f)、摩擦电压对比图(g)、防水性和透气性对比图(h)；i. 展示纳米织物的防水和透气能力；j. 纳米织物的热湿舒适性；k. 大尺寸纳米织物图片

（图片来源：参考文献1）

研究结果表明，该复合织物展现出高防水性（静水压力，129千帕）和透气性（蒸汽渗透速率，3736克每平方米每天）。与商用聚四氟乙烯膜相比，复合织物具有较低的蒸发阻力（13.1 Pa·m2· W-1）和热阻（3.9 mK·m2·W-1），具有更好的湿热舒适性。

结语

从传统的沥青和橡胶材料到现代的纳米复合材料，防水材料的创新不断拓展科技的边界。随着科技的进步，我们期待未来有更多高效、环保的防水材料涌现，为我们的生活质量带来更大的提升。

参考文献：

1.Gong X , Ding M , Gao P ,et al. High-Performance Liquid-Repellent and Thermal–Wet Comfortable Membranes Using Triboelectric Nanostructured Nanofiber/Meshes[J]. Advanced Materials, 2023.

2.Tang Z Q , Tian T , Molino P J ,et al.Recent Advances in Superhydrophobic Materials Development for Maritime Applications[J]. Advanced Science, 2024.

3.蒋源生.新型柔性篷体材料的研制及应用开发[J]. 产业用纺织品, 1996.

4.于威,刘丽辉,侯海虹,等.螺旋波等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜[J]. 物理学报, 2003.

5.陈福民.挡风防雨透气的冲锋衣[J]. 化工管理, 2013.