クラシックな3色のプラスチックシートを見て、防水性と通気性は共存できるのだろうかと思わずにはいられませんでした。

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

最近、定番の防水三色プラスチックシートがインターネット上で注目を集めています。電子製品、アウトドアウェア、住宅建築など、すべて防水素材と密接な関係があります。私たちの生活に欠かせない防水素材は、どのようにして雨を恐れず私たちを守ってくれるのでしょうか。

3色のプラスチッククロス

（写真提供：veerフォトギャラリー）

各種防水素材

1. クラシックで多用途なプラスチックシート

プラスチックシートは防水材料の分野では「万能」と言えます。低価格、使いやすさ、優れた防水性能により、多くの応用シナリオで頻繁に「登場」します。

プラスチックシートは通常、ポリ塩化ビニル (PVC)、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP) などのポリマー材料で作られています。これらの物質は、より長い炭素含有分子鎖または疎水性側鎖（メチル原子または塩素原子）を持ち、水よりも表面エネルギーが低くなります。水分子は素材の表面から簡単に滑り落ち、雨水の蓄積を減らします。

蓮の葉の疎水効果

（写真提供：veerフォトギャラリー）

表面エネルギーは、固体と液体の間の相互作用力として理解できます。物質の表面エネルギーが低いと、固体と液体の相互作用力が弱くなり、液体が固体表面に留まり広がりにくくなり、疎水性を示します。

さらに、ポリマー材料の内部分子構造は比較的密で、分子間の隙間が非常に小さいため、水分子が材料の表面に浸透することが困難です。これは、プラスチックシートが防水であるもう一つの重要な理由です。

2. 悪臭を放つアスファルトは建物の防水に欠かせない

アスファルトは一般的な建築防水材の一つです。異なる分子量の炭化水素とその非金属誘導体で構成されています。色は暗褐色で、悪臭を放ちます。アスファルトの分子構造は比較的緻密で不浸透性であり、多量の炭化水素を含むため疎水性が強く、防水効果に優れた素材です。

アスファルトは室温では固体または半固体であり、通常は使用時に加熱する必要があります。加熱するとアスファルトはより流動的になり、小さな隙間を埋めて水の浸入を防ぐことができます。

屋根防水補修

（写真提供：veerフォトギャラリー）

3. 電子製品用の目に見えない「防護服」ナノコーティング

電子製品の防水性は主に構造設計とナノコーティングに関係しています。構造設計により、防水ストリップとシーリングリングを通じて携帯電話の接続部分の気密性が向上します。ナノコーティングは、機器の表面と内部部品を保護する「防護服」のようなものです。

ナノコーティングは、プラズマ強化化学気相成長法（PECVD）によりシラン、窒素などの原料を使用し、電子機器や内部半導体部品の表面に高密度の疎水性ナノコーティング（シリコンベースの材料）を堆積します。水滴が電子機器の表面に触れると、疎水性コーティングにより水滴はすぐに滑り落ちます。たとえ水滴がデバイス内に入ったとしても、部品表面のコーティングにより、水滴が回路を損傷するのを防ぎます。

水に浸かった携帯電話

（写真提供：veerフォトギャラリー）

防水性と通気性、両方を実現するにはどうすればよいでしょうか?

防水素材の防水性能は、疎水性という 2 つの要素に関係しています。もう一つは水滴の透過性です。アウトドア用の衣類なので、防水性だけでなく通気性も必要です。

素材の通気性は主に気孔構造によるものですが、気孔から水滴が通過してしまい、防水性能が低下してしまいます。とても矛盾しています！防水性と通気性を両立するにはどうすればいいのでしょうか？

「世紀の布」と呼ばれるGORE-TEXテクノロジー生地は、防水性と通気性の矛盾をうまく解決し、アウトドアスポーツ用品で最も人気のある素材の一つとなっています。

ジャケットの水滴

（写真提供：veerフォトギャラリー）

GORE-TEX 素材は主にポリテトラフルオロエチレン (PTFE) フィルムで構成されており、数億個の微細孔構造が含まれています。これらの微細孔の大きさはマイクロメートルレベルで、液体の水滴よりも数千倍小さいですが、水蒸気分子は簡単に通過できます。

屋外で運動する場合、優れた疎水性と小さな孔により、水滴が素材に浸透することはほとんどありません。内部の汗は微細孔から水蒸気の形で排出され、防水性と通気性の「両立」の効果を実現します。

摩擦電気ナノファブリック：防水、発電、発汗促進

2023年8月、中国の科学者たちは、摩擦電気ナノ構造を使用した高性能防水性と高発汗性を備えたナノファブリックに関する研究論文を、国際的に有名な学術誌「Advanced Materials」に発表した。この生地は摩擦発電を利用して生地からの発汗を促進します。

研究結果はAdvanced Materials誌に掲載された。

(画像出典: Advanced Materials Magazine)

研究者らは、荷電液体ジェット技術を使用して、疎水性強誘電性ポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレン（PVDF-HFP）と親水性ポリウレタン（PU）を組み合わせて複合繊維を作製した。この生地の孔サイズはわずか 0.62 ミクロン、多孔度は最大 78% で、水滴の通過を効果的に防ぎ、より多くの水蒸気の通路を提供して発汗を促進します。

生地表面のPVDF-HFPナノフィルムは疎水性があり、水滴が表面に留まりにくいです。さらに、PVDF-HFP ナノ膜は、機械的伸張の作用によって摩擦電圧を生成することもできます。電界と親水性 PU ナノ構造の受動発汗の複合作用により、汗はより小さな水分子に変換され、複合生地の微多孔構造を通して体から排出されやすくなります。

電界紡糸技術の概略図。 b.ナノメッシュ生地の防水性、通気性、発汗性の模式図。 ce.繊維材料の電子顕微鏡画像。ナノファイバーとナノメッシュ生地の孔サイズの比較 (f)、摩擦電圧の比較 (g)、防水性と通気性の比較 (h)。私。ナノファブリックの防水性と通気性の実証。じ。ナノファブリックの熱的および吸湿的快適性; ｋ. え。大規模ナノファブリック画像

（画像出典：参考1）

結果は、複合生地が優れた耐水性（静水圧、129 kPa）と通気性（蒸気透過率、3736 g/m2/日）を示したことを示しました。市販の PTFE 膜と比較すると、複合織物は蒸発抵抗 (13.1 Pa·m2·W-1) と熱抵抗 (3.9 mK·m2·W-1) が低く、湿度熱快適性が優れています。

結論

従来のアスファルトやゴム素材から現代のナノ複合材料まで、防水素材の革新は技術の限界を押し広げ続けています。技術の進歩により、将来的にはより効率的で環境に優しい防水素材が登場し、私たちの生活の質がさらに向上することを期待しています。

参考文献:

1.ゴング

2.Tang ZQ、Tian T、Molino PJ、他「海洋用途向け超疎水性材料開発の最近の進歩[J]」先端科学、2024年。

3. 江元生。新しいフレキシブルテント材料の研究と応用開発[J]。インダストリアルテキスタイル、1996年。

4. ユウ・ウェイ、リウ・リフイ、ホウ・ハイホン、他。ヘリコン波プラズマ化学蒸着法によるシリコン窒化物薄膜の作製[J]。中央物理雑誌、2003年。

5. 陳富民。防風、防雨、通気性に優れたジャケット[J]。化学工学マネジメント、2013年。