不銹鋼金屬纖維在服裝上的應(yīng)用及其表面處理實驗研究

王一帆，嚴(yán)濤海，2，張福星，梁 通，王苗苗，陳奕斌，黃露明，陸東東

（1.閩江學(xué)院 服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建東龍針紡有限公司，福建 福州 350217；3.春暉科技集團(tuán)有限公司，福建 福州 350018；4.福建華峰新材料有限公司 福建省運動鞋面料重點實驗室，福建 莆田 351164）

美國于1936 年發(fā)明了集束拉拔法生產(chǎn)金屬纖維。中國紡織科學(xué)研究院和北京有色金屬研究總院于1984 年開始研究不銹鋼金屬纖維生產(chǎn)工藝，并成功研發(fā)了一系列的金屬纖維產(chǎn)品。如今，我國已是部分金屬纖維的全球最大生產(chǎn)供應(yīng)商[1]。金屬纖維及其制品是一種極具市場價值的高技術(shù)、高附加值工業(yè)材料，金屬纖維制作的產(chǎn)品根據(jù)制作方法的差異擁有著側(cè)重點各不相同的各式產(chǎn)品，是許多民用和國防工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。

1 不銹鋼金屬纖維制作方法

制造不銹鋼金屬纖維的傳統(tǒng)方法為拉拔法、切削法和熔抽法[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展以及不銹鋼金屬纖維新要求的出現(xiàn)，新的制作方法也隨之誕生。

1.1 拉拔法

拉拔法可分為單絲拉拔法和集束拉拔法。單絲拉拔法采用多模具來連續(xù)拉拔生產(chǎn)不銹鋼金屬纖維，絲徑均勻連續(xù)、表面光滑、尺寸精確，但絲徑無法達(dá)到10μm 以下，而且生產(chǎn)工序冗長、生產(chǎn)成本高。集束拉拔法是將幾十根甚至上萬根金屬線包在圓管里進(jìn)行拉拔，該方法生產(chǎn)的不銹鋼金屬纖維直徑可達(dá)1～2μm。與單絲拉拔法相比，集束拉拔法效率高、成本低，還可以集中生產(chǎn)，是拉拔法生產(chǎn)金屬纖維的主要方式。

1.2 切削法

切削法可分為振動切削法、縱切法、剃削法、磨削法等。切削法主要以固態(tài)金屬為原料，用刀具將金屬原料切削成纖維屑。切削法制造出來的不銹鋼金屬纖維通常截面粗糙不勻且抗拉強(qiáng)度低，但該法工藝簡單、成本低、生產(chǎn)周期短，一般用來生產(chǎn)短的金屬纖維。

1.3 熔抽法

熔抽法有懸滴熔融牽引法、玻璃包復(fù)熔紡法、坩堝熔融牽引法、懸滴熔融牽引法、激冷塊熔紡法、自由飛出熔紡法、熔融抽拉法等。熔抽法是將固態(tài)的金屬融化成液態(tài)，再將液態(tài)金屬牽引拉伸冷切，從而得到不銹鋼金屬纖維。生產(chǎn)的不銹鋼金屬纖維成本低，但有著和切削法類似的問題。

1.4 其他方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些有別于傳統(tǒng)不銹鋼金屬纖維的制作方法也開始出現(xiàn)[3]?；瘜W(xué)氣相沉積法和無模拉拔法（細(xì)分為外磁場引導(dǎo)生長和無外磁場引導(dǎo)2 種）都不需要模板，都是將金屬進(jìn)行加熱融化（或局部融化）后再對金屬進(jìn)行一個拉伸，可以生產(chǎn)出直徑更細(xì)的不銹鋼纖維。氣—液—固法是利用一些高溫設(shè)備將金屬氣化，再使氣化的金屬通過不斷地吸附反應(yīng)物在催化劑-納米線界面上生長成不銹鋼金屬纖維,制作成本較高。除此之外還有模板法、有機(jī)凝膠-熱還原法。相較于傳統(tǒng)的金屬纖維制作方法，這些新方法可以制造出更細(xì)的金屬纖維，可以使金屬纖維的性能多樣化，使其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。其中化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的不銹鋼金屬纖維可作為吸波和高密度信息儲存材料，模板法制作的金屬纖維通常作為專用高性能材料。

2 不銹鋼金屬纖維的制品

不銹鋼金屬纖維的制品可以根據(jù)金屬纖維的應(yīng)用形式分為復(fù)合材料、多孔材料、紡織品，其中不銹鋼金屬纖維的紡織品可分為純金屬纖維制品和混紡金屬纖維制品。

2.1 復(fù)合材料

金屬纖維除了與其他纖維混紡?fù)?，還可以增強(qiáng)材料的形態(tài)與其他基體材料相結(jié)合制成復(fù)合材料，還常將金屬纖維以填料的形式加入到陶瓷、橡膠、樹脂和塑料等材料中，以此來增強(qiáng)復(fù)合材料的性能。如將不銹鋼纖維作為導(dǎo)電填料填入復(fù)合樹脂中，使其具有電磁屏蔽的性能。還可以將不銹鋼金屬纖維加入基體材料中，有效地提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，并且性能要優(yōu)于普通的復(fù)合材料[4]。

2.2 多孔材料

金屬纖維多孔材料是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的功能材料，其內(nèi)部是由金屬纖維交錯搭接相連而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔徑直徑小、孔隙率高、比表面積大。不銹鋼金屬纖維多孔材料的制造方法一般為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。金屬纖維多孔材料不僅在吸聲降噪領(lǐng)域得到應(yīng)用，也在過濾分離、生物醫(yī)學(xué)、高效換熱、阻尼減振等領(lǐng)域得到應(yīng)用[5]。

2.3 紡織品

不銹鋼金屬纖維紡織品根據(jù)紗線的不同分為純不銹鋼金屬纖維織物和不銹鋼混紡金屬纖維織物兩種。

純不銹鋼金屬纖維紡織品是通過將金屬纖維紡紗加捻得到純金屬紗線，再對純金屬紗線進(jìn)行編織形成純金屬纖維紡織品。純金屬紗線織造得到的紡織品耐高溫，具有隔熱性能，主要用于高溫隔熱領(lǐng)域。不銹鋼金屬纖維混紡織物是將不銹鋼纖維與其他纖維混紡成紗織造而成的織物?；旒徑饘倮w維制品被廣泛應(yīng)用于孕婦裝、工裝、工業(yè)除塵袋、抑菌除臭產(chǎn)品，其在軍工中用于偽裝網(wǎng)、雷達(dá)目標(biāo)布、金屬纖維彈、單兵熱成像防護(hù)服、軍用多功能篷蓋布。

3 金屬纖維在防護(hù)用紡織品中的應(yīng)用

靜電在軍工、火工、化工、膠片、橡膠作業(yè)的生產(chǎn)和電子產(chǎn)品生產(chǎn)中，以及煤氣工業(yè)的生產(chǎn)、灌裝、儲運過程中比較常見，輕則影響產(chǎn)品的質(zhì)量，重則危害人的生命安全。而長期工作在高電磁輻射下的人體將會出現(xiàn)各種癥狀，如心率不齊、血壓不穩(wěn)等。不銹鋼金屬纖維因其良好的導(dǎo)電性能被廣泛使用在電磁屏蔽、防靜電的領(lǐng)域中，一般與其他纖維混紡，在保證防靜電或電磁屏蔽的情況下還有著不錯的服用性[6-7]。

不銹鋼金屬纖維混紡織物可用來制作抗靜電工作服、防靜電過濾布、電磁屏蔽產(chǎn)品、導(dǎo)電布及高壓帶電作業(yè)服。電磁屏蔽服裝一般采用機(jī)織物，其電磁屏蔽效果要好于針織物，一般采用不銹鋼金屬纖維與棉或滌綸混紡的紗線，電磁屏蔽效果與織物的組織結(jié)構(gòu)、緊度以及金屬纖維含量有關(guān)。一般來說，金屬纖維含量越高則其電磁屏蔽效果越好，織物緊度越高電磁屏蔽效果越好。整體而言，織物為平紋機(jī)織物時效果最好。

在抗靜電功能應(yīng)用上，采用的金屬纖維以及織物結(jié)構(gòu)同樣影響著金屬纖維混紡織物的抗靜電性，通常采用的金屬纖維為不銹鋼金屬纖維，采用的織物結(jié)構(gòu)為平紋和斜紋。除此之外，若采用金屬短纖維混紡，則金屬短纖維在紗線與織物的分布以及連續(xù)性將影響抗靜電性?？轨o電防護(hù)服、抗靜電過濾布的金屬纖維含量一般在0.5%～5.0%，單面起絨或不起絨。

在其他應(yīng)用上，金屬纖維混紡織物可制成超凈工作服、抗靜電防護(hù)罩等，二者的金屬纖維含量需大于5.0%小于20.0%，當(dāng)金屬纖維含量大于20.0%時可用來制作超高壓屏蔽服。

4 不銹鋼金屬纖維的表面處理實驗研究

不銹鋼金屬纖維與其他纖維混紡時，存在抱合力不足、紡紗工藝相對較難等問題。在作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料時，和基體之間的結(jié)合力也存在一定的不足。因此，需要對不銹鋼金屬纖維進(jìn)行表面處理，以強(qiáng)化不銹鋼金屬纖維表面的凹凸不平形態(tài)，增強(qiáng)不銹鋼金屬纖維與其他纖維之間的抱合力，增強(qiáng)不銹鋼金屬纖維與基體之間的結(jié)合力。實驗工藝參數(shù)為所有溶液對不銹鋼金屬纖維的表面處理時間均為30min，實驗室環(huán)境室溫20±5℃，相對濕度65±5%。

圖1 為表面處理后的不銹鋼金屬纖維SEM 圖。圖1（a）為經(jīng)過水洗的纖維，其表面清晰光滑，纖維平均直徑7.65μm。圖1（b）所示纖維平均直徑6.67μm，有明顯可見的團(tuán)狀物質(zhì)，是強(qiáng)酸與不銹鋼金屬纖維表面化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物附著在不銹鋼金屬纖維表面形成的。

圖1 表面處理后的不銹鋼金屬纖維SEM 圖

硫酸溶液是一種強(qiáng)腐蝕性的酸性溶液，對大部分的金屬都有比較強(qiáng)的腐蝕作用。而不銹鋼的性質(zhì)比較穩(wěn)定。圖2 為不同比例的硫酸對不銹鋼金屬纖維表面處理SEM 圖。圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）的纖維直徑分別為7.46μm、7.22μm、6.66μm，直徑依次減小。從圖2可知在硫酸溶液的作用下不銹鋼金屬纖維表面出現(xiàn)了一些凹凸不平的空穴，硫酸溶液濃度越高，空穴越多。這說明，用硫酸溶液對不銹鋼金屬纖維表面進(jìn)行處理時，濃度越高，表面處理效果越明顯。

圖2 不同比例的硫酸對不銹鋼金屬纖維表面處理SEM 圖

鹽酸溶液也是一種常見的腐蝕性的酸性溶液，對金屬的腐蝕作用也比較強(qiáng)。圖3 為不同比例的鹽酸對不銹鋼金屬纖維表面處理SEM 圖。圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）的纖維直徑分別為7.43μm、6.84μm、6.64μm，直徑依次減小。從圖3 可知鹽酸溶液對于不銹鋼金屬纖維的表面處理也是有效的，并且隨著濃度的增大，表面空穴明顯變多。

圖3 不同比例的鹽酸對不銹鋼金屬纖維表面處理SEM 圖

氫氧化鈉溶液是一種強(qiáng)腐蝕性的液體。圖4 為不同比例的氫氧化鈉溶液對不銹鋼金屬纖維表面處理SEM 圖。從圖4 可知，氫氧化鈉溶液對不銹鋼金屬纖維的腐蝕作用有限。不同比例下的氫氧化鈉溶液對不銹鋼金屬纖維表面進(jìn)行處理時，纖維表面看不出區(qū)別，直徑變化也不明顯。跟圖1（a）的清水處理的圖片相比較也少見差異。經(jīng)過處理后的纖維直徑基本都在7.6～7.7μm 范圍內(nèi)，變化極小。因此認(rèn)為，氫氧化鈉溶液用于不銹鋼金屬纖維的表面處理無顯著效果。

圖4 不同比例的氫氧化鈉對不銹鋼金屬纖維表面處理SEM 圖

5 結(jié)語

不銹鋼金屬纖維經(jīng)過濃度越高的強(qiáng)腐蝕性的酸液表面處理后具有直徑更細(xì)、表面空穴更多的變化趨勢，具有潛在的改善紡紗性能和基體結(jié)合性能優(yōu)勢。