Als ich die klassische dreifarbige Plastikfolie sah, musste ich mich fragen: Können Wasserdichtigkeit und Atmungsaktivität gleichzeitig bestehen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

In letzter Zeit hat die klassische wasserdichte dreifarbige Kunststofffolie im Internet große Aufmerksamkeit erregt. Ob Elektronikprodukte, Outdoor-Bekleidung oder Hausbau, sie alle sind eng mit wasserdichten Materialien verbunden. Wie können die wasserdichten Materialien in unserem Leben Regen standhalten und uns schützen?

Dreifarbiges Plastiktuch

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Verschiedene wasserdichte Materialien

1. Klassische und vielseitige Kunststofffolien

Kunststofffolien können als „Allrounder“ im Bereich der wasserdichten Materialien bezeichnet werden. Aufgrund seines niedrigen Preises, seiner Benutzerfreundlichkeit und seiner hervorragenden Wasserdichtigkeit kommt es häufig in vielen Anwendungsszenarien zum Einsatz.

Kunststofffolien bestehen üblicherweise aus Polymermaterialien wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP). Diese Materialien haben längere kohlenstoffhaltige Molekülketten oder hydrophobe Seitenketten (Methyl- oder Chloratome), die eine geringere Oberflächenenergie als Wasser aufweisen. Wassermoleküle können leicht von der Oberfläche des Materials abgleiten, wodurch die Ansammlung von Regenwasser reduziert wird.

Die hydrophobe Wirkung von Lotusblättern

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Oberflächenenergie kann als Wechselwirkungskraft zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten verstanden werden. Wenn die Oberflächenenergie eines Materials niedrig ist, ist die Wechselwirkungskraft zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten schwach und es ist für die Flüssigkeit schwierig, auf der Feststoffoberfläche zu bleiben und sich auszubreiten, wodurch Hydrophobie entsteht.

Darüber hinaus ist die innere Molekülstruktur von Polymermaterialien relativ eng und die Abstände zwischen den Molekülen sind sehr klein, sodass es für Wassermoleküle schwierig ist, in die Oberfläche des Materials einzudringen. Dies ist ein weiterer wichtiger Grund, warum Kunststoffplatten wasserdicht sind.

2. Der übel riechende Asphalt ist für die Bauwerksabdichtung unverzichtbar

Asphalt ist eines der gängigen Materialien zur Gebäudeabdichtung. Es besteht aus Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Molekulargewichte und deren nichtmetallischen Derivaten. Es hat eine dunkelbraune Farbe und verströmt einen üblen Geruch. Die Molekularstruktur von Asphalt ist relativ dicht und undurchlässig und aufgrund der großen Menge an Kohlenwasserstoffen weist er eine starke Hydrophobie auf, was ihn zu einem Material mit hervorragender wasserdichter Wirkung macht.

Asphalt ist bei Raumtemperatur fest oder halbfest und muss bei der Verwendung normalerweise erhitzt werden. Durch Erhitzen wird Asphalt flüssiger und kann kleine Lücken besser füllen und das Eindringen von Wasser verhindern.

Reparatur der Dachabdichtung

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3. Nanobeschichtung, unsichtbare „Schutzkleidung“ für elektronische Produkte

Die Wasserdichtigkeit elektronischer Produkte hängt hauptsächlich vom strukturellen Design und der Nanobeschichtung ab. Der strukturelle Aufbau verbessert die Luftdichtheit der Spleißteile des Mobiltelefons durch wasserdichte Streifen und Dichtungsringe. Die Nanobeschichtung ist wie ein „Schutzanzug“ für die Oberfläche des Geräts und seiner inneren Komponenten.

Bei der Nanobeschichtung werden Silan, Stickstoff und andere Rohstoffe mithilfe der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) verwendet, um eine dichte, hydrophobe Nanobeschichtung (Material auf Siliziumbasis) auf der Oberfläche elektronischer Geräte und interner Halbleiterkomponenten abzuscheiden. Wenn Wassertropfen die Oberfläche eines elektronischen Geräts berühren, sorgt die hydrophobe Beschichtung dafür, dass die Tropfen schnell abperlen. Selbst wenn Wassertropfen in das Gerät eindringen, verhindert die Beschichtung auf der Oberfläche der Komponenten, dass die Wassertropfen die Schaltung beschädigen.

Handy ins Wasser getaucht

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Wasserdicht und atmungsaktiv, wie erreicht man beides?

Die Wasserdichtigkeit wasserdichter Materialien hängt von zwei Faktoren ab: Einer ist die Hydrophobie; der andere ist die Durchlässigkeit von Wassertropfen. Als Outdoor-Kleidung muss sie nicht nur wasserdicht, sondern auch atmungsaktiv sein.

Die Porenstruktur ist der Hauptgrund für die Atmungsaktivität des Materials, die Poren lassen jedoch auch Wassertropfen durch, wodurch die Wasserdichtigkeit verringert wird. So widersprüchlich! Wie können wir sowohl Wasserdichtigkeit als auch Atmungsaktivität erreichen?

Das als „Stoff des Jahrhunderts“ bekannte Gewebe mit GORE-TEX-Technologie löst erfolgreich den Widerspruch zwischen Wasserdichtigkeit und Atmungsaktivität und hat sich zu einem der beliebtesten Materialien für Outdoor-Sportgeräte entwickelt.

Wassertropfen auf der Jacke

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

GORE-TEX-Material besteht hauptsächlich aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-Folie, die Hunderte Millionen mikroporöser Strukturen enthält. Die Größe dieser Mikroporen liegt im Mikrometerbereich und ist damit tausendmal kleiner als flüssige Wassertropfen. Wasserdampfmoleküle können jedoch problemlos hindurchdringen.

Beim Sport im Freien können Wassertropfen aufgrund der hervorragenden Hydrophobie und der kleinen Poren kaum in das Material eindringen. Der Schweiß im Inneren wird durch die Mikroporen in Form von Wasserdampf abgeleitet, wodurch sowohl Wasserdichtigkeit als auch Atmungsaktivität erreicht werden.

Triboelektrisches Nanogewebe: wasserdicht, Stromerzeugung und beschleunigte Schweißbildung

Im August 2023 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der international renommierten Fachzeitschrift Advanced Materials eine Studie über ein Nanogewebe mit hochleistungsfähigen wasserdichten und hochtranspirierenden Eigenschaften unter Verwendung triboelektrischer Nanostrukturen. Dieses Gewebe kann durch die Erzeugung von Reibungskraft die Transpiration des Gewebes fördern.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht

(Bildquelle: Advanced Materials Magazine)

Die Forscher verwendeten die Charged-Liquid-Jet-Technologie, um hydrophobes ferroelektrisches Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und hydrophiles Polyurethan (PU) zu kombinieren und so ein Verbundgewebe herzustellen. Das Gewebe hat eine Porengröße von nur 0,62 Mikrometern und eine Porosität von bis zu 78 %, wodurch das Durchdringen von Wassertropfen wirksam verhindert wird und mehr Wasserdampfkanäle zur Förderung der Schweißbildung bereitgestellt werden.

Der PVDF-HFP-Nanofilm auf der Oberfläche des Gewebes hat hydrophobe Eigenschaften und Wassertropfen bleiben nicht so leicht auf der Oberfläche haften. Darüber hinaus kann die PVDF-HFP-Nanomembran unter Einwirkung mechanischer Dehnung auch Reibungsspannung erzeugen. Durch die kombinierte Wirkung des elektrischen Felds und der passiven Transpiration der hydrophilen PU-Nanostruktur wird Schweiß in kleinere Wassermoleküle umgewandelt, die durch die mikroporöse Struktur des Verbundgewebes leichter aus dem Körper abgeleitet werden können.

Schematische Darstellung der Elektrospinntechnologie; B. Schematische Darstellung der Wasserdichtigkeit, Atmungsaktivität und Schweißabsorption von Nanomesh-Geweben; ce. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Fasermaterialien; Vergleich der Porengröße von Nanofasern und Nanomesh-Geweben (f), Vergleich der Reibungsspannung (g), Vergleich der Wasserdichtigkeit und Atmungsaktivität (h); ich. Demonstration der wasserdichten und atmungsaktiven Eigenschaften von Nanogeweben; J. Thermischer und hygroskopischer Komfort von Nanogeweben; k. Großflächige Nanogewebe-Bilder

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Ergebnisse zeigten, dass das Verbundgewebe eine hohe Wasserbeständigkeit (hydrostatischer Druck 129 kPa) und Atmungsaktivität (Dampfdurchlässigkeit 3736 g/m2/Tag) aufwies. Im Vergleich zu handelsüblichen PTFE-Membranen weist das Verbundgewebe einen geringeren Verdunstungswiderstand (13,1 Pa·m2·W-1) und Wärmewiderstand (3,9 mK·m2·W-1) sowie einen besseren hygrothermischen Komfort auf.

Abschluss

Von traditionellen Asphalt- und Gummimaterialien bis hin zu modernen Nanokompositen verschieben Innovationen im Bereich der Abdichtungsmaterialien immer wieder die Grenzen der Technologie. Mit dem Fortschritt der Technologie freuen wir uns darauf, dass in Zukunft effizientere und umweltfreundlichere wasserdichte Materialien auf den Markt kommen, die unsere Lebensqualität weiter verbessern werden.

Quellen:

1.Gong

2.Tang ZQ, Tian T, Molino PJ, et al. Jüngste Fortschritte bei der Entwicklung superhydrophober Materialien für maritime Anwendungen [J]. Fortgeschrittene Wissenschaft, 2024.

3. Jiang Yuansheng. Forschung und Anwendungsentwicklung neuer flexibler Zeltmaterialien[J]. Industrietextilien, 1996.

4. Yu Wei, Liu Lihui, Hou Haihong et al. Helikonwellenplasma-verstärkte chemische Gasphasenabscheidung von Siliziumnitrid-Dünnschichten[J]. Acta Physica Sinica, 2003.

5. Chen Fumin. Winddichte, regendichte und atmungsaktive Jacke[J]. Chemieingenieurwesen, 2013.