功能性面料的開發(fā)現(xiàn)狀淺析

章佳杰 徐 壁 蔡再生

東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院(中國)

隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平逐漸提高，對紡織品也提出了新的要求。目前，除服裝和家居用紡織品外，運用于各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)用紡織品也越來越多地受到人們的關(guān)注[1]。與此同時，人們對紡織品也提出了除美觀、遮體和保暖以外的要求，如要求其具有高強(qiáng)度，可防輻射、抗靜電等。伴隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染問題越來越突出，環(huán)境保護(hù)意識也逐漸深入人心，目前，保護(hù)環(huán)境已上升為中國的一項基本國策?；诖?，除實用的功能性要求外，人們對紡織品也提出了環(huán)保的要求。在2019中國國際紡織面料及輔料(秋冬)博覽會上，生物降解、生物原生質(zhì)材料紡織品映入人們的眼簾，功能性面料受到人們的青睞，逐漸在目前的面料市場中占據(jù)一席之地。

功能性紡織品按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，可分為服裝用功能紡織品、家用功能紡織品和產(chǎn)業(yè)用功能紡織品。服裝用與家用功能紡織品通常要求紡織品具有抗靜電、防輻射等防護(hù)功能，具有柔軟、吸濕透氣等服用舒適性，以及防水防油、免燙等易護(hù)理特性。產(chǎn)業(yè)用紡織品因特殊的用途及較惡劣的使用環(huán)境，普通面料難以滿足其應(yīng)用條件，故產(chǎn)業(yè)用紡織品多采用功能性面料制作。這促使功能性面料的研發(fā)逐漸成為面料開發(fā)的主流方向之一。

開發(fā)功能性面料的方式主要有兩種，一種是通過后整理的方式，賦予面料各種各樣的功能性，以滿足人們對于面料的要求。通過后整理方式開發(fā)功能面料，其操作步驟簡單，面料功能效果良好，目前主流的功能性面料主要是通過后整理的方式完成的，但經(jīng)后整理處理的功能性面料的耐久性并不是很理想。另一種方式是先開發(fā)功能性纖維，再由功能性纖維直接織制功能性面料。功能纖維的開發(fā)可在很大程度上改善功能面料的耐用性問題，此外，由于是從纖維角度進(jìn)行處理，這還可使面料獲得其本身難以達(dá)到的其他功能，如納米纖維面料的超高強(qiáng)度，生物降解面料的生物降解性能等。本文主要針對納米纖維面料、防電磁輻射面料和導(dǎo)電面料，介紹其制備方法及最新加工技術(shù)。

1 納米纖維面料

納米纖維面料主要由納米纖維織制而成，由于納米纖維直徑很小，因此納米纖維面料具有較小的孔隙尺寸與較大的孔隙率，從而在過濾、吸聲降噪及納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面具有較好的應(yīng)用前景。

目前，制備納米纖維的方法主要有兩種：一種是靜電紡絲技術(shù)，另一種是先進(jìn)熔紡技術(shù)。靜電紡絲[2]是對聚合液通上幾千伏特甚至上萬伏特的靜電，在施加強(qiáng)電壓后，針頭處的液滴將由球形變?yōu)閳A錐形(形成泰勒錐)，當(dāng)電場力足夠大時，聚合物液滴戰(zhàn)勝表面張力形成噴發(fā)細(xì)流。聚合液中的溶劑在噴發(fā)過程中蒸騰，導(dǎo)致聚合液細(xì)流固化，并最終落在接收板上，形成纖維直徑為納米級別的非織造布。先進(jìn)熔紡技術(shù)則是通過精密控制聚合物流體，紡制海島型共軛纖維，進(jìn)而得到纖維直徑小于150 nm的多邊形納米級織物。

靜電紡絲技術(shù)方面，Malakhov等通過將聚丙烯(PP)與單價或二價的鈉、鎂或鋅的硬脂酸鹽共混，形成聚合液，再通過靜電紡絲制得直徑小于5 nm的纖維[3]。在紡絲過程中，鈉、鎂、鋅的硬脂酸鹽主要起降低PP熔體黏度的作用，從而提高可紡性，以更容易地制備纖維直徑小的納米纖維。采用這種納米纖維制備織物后，對所得織物進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，發(fā)現(xiàn)PP粒子的超分子結(jié)構(gòu)不同于原先的PP粒子，在PP粒子中可觀察到穩(wěn)定的α型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)的存在，可使織物具有超疏水性。

先進(jìn)熔融技術(shù)方面，采用海島紡絲法[4]進(jìn)行紡絲，紡制的纖維截面上包含基質(zhì)成分(即海成分)與分散相成分(即島成分)，如圖1所示。去除海成分后，剩下的島成分，可以是中空藕型纖維，也可以是超細(xì)纖維。其中中空的藕型纖維即海島纖維。采用海島紡絲法制備超細(xì)纖維主要是通過改進(jìn)噴頭，增加島成分的百分比及海島纖維中島的數(shù)量，使海島纖維中的島成分成為納米纖維。日本東麗公司開發(fā)的海島共軛紡絲技術(shù)，即在海島紡絲法的基礎(chǔ)上，減小出料口面積，改變出料口的形狀，減少纖維與出料口的接觸面積，降低摩擦因數(shù)，使紡制的纖維直徑更小，更易形成納米纖維。

圖1 海島纖維截面示意圖

2 防電磁輻射面料

當(dāng)今生活中，電磁輻射對人們的影響越來越大，防電磁輻射織物的開發(fā)也逐漸受到重視。防電磁輻射材料按原理主要分兩種，一種是防電磁輻射材料反射電磁波，使電磁波無法到達(dá)人體，從而達(dá)到防電磁輻射效果，即電磁屏蔽。另一種是通過吸收電磁波或使電磁波在傳輸過程中產(chǎn)生損耗，達(dá)到防電磁輻射效果，即電磁吸收。電磁屏蔽面料主要是通過增加材料的導(dǎo)電性，從而增加面料的電磁波反射，達(dá)到電磁屏蔽作用。電磁吸收面料則主要是通過增加材料的磁性，將吸收的電磁波轉(zhuǎn)化為熱量釋放到空氣中，從而達(dá)到防電磁輻射效果[5]。

Gupta等[6]通過將聚氨酯樹脂(由聚酯polyol-8與環(huán)己烷二異氰酸鹽組成)與碳納米涂層進(jìn)行不同比例的共混，再涂覆到棉織物上，改善棉織物吸收電磁波的性能。棉織物涂覆帶碳納米涂料后，其導(dǎo)電性能改善，從而提升了織物對電磁波的吸收能力。研究結(jié)果表明，隨著碳含量的增加，織物的介電常數(shù)增大，吸收能力增強(qiáng)，但碳含量達(dá)一定程度后，進(jìn)一步增大，因電導(dǎo)率增大，吸收減少，反射增加。研究結(jié)果表明，對于厚1.3 mm的棉織物，當(dāng)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為6.55%、聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.55%時，在X波段(8.2～12.4 GHz)和Ku波段(12～18 GHz)，其吸收率為46%，透射率為29.49%，反射率為24.5%。

Liu等[7]采用超聲波化學(xué)鍍的方法，在羰基鐵粉(CIP)上沉積銅，制得改性CIP，并將改性CIP與涂料及水溶性涂料AH0203混合，涂覆在織物表面，制作表面鍍層吸波織物。研究表明，當(dāng)改性CIP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%時，其復(fù)合滲透率與介電常數(shù)較初始CIP均提高。當(dāng)涂層厚度為2.08 mm時，涂層面料在8～12 GHz頻段內(nèi)的最小反射損耗達(dá)-8.43 dB，在頻率為9.35 GHz處，反射損耗達(dá)-26.00 dB，證實了進(jìn)行超聲波化學(xué)鍍工藝后，面料的吸波能力有較大的提高。

關(guān)于電磁屏蔽織物的研究，Yao等[8]通過將非晶態(tài)的Ni-Fe-P合金與Ni-P合金分別沉積到聚對二甲酸乙二酯織物上，得到兩種具有致密而均勻的涂層的柔性屏蔽材料，并對其電磁屏蔽性能進(jìn)行對比。研究通過改變電流密度、溫度和pH值，探討了兩種不同組成的鍍層性能差異，結(jié)果表明，溫度為69 ℃、電流密度為0.087 A/m2、pH值為1.5時，所得電磁屏蔽織物的性能較優(yōu)，且非晶態(tài)的Ni-Fe-P鍍層的電磁屏蔽效果優(yōu)于Ni-P鍍層。在300 kHz～1.5 G Hz頻段內(nèi)，非晶態(tài)的Ni-Fe-P鍍層電磁屏蔽效能為69.20～80.30 dB，可滿足目前日常的電磁防護(hù)應(yīng)用。

Ialam等[9]采用氧化石墨烯對面料進(jìn)行染色，然后在100 ℃及在微波輔助條件下，用綠色還原劑L-抗壞血酸還原經(jīng)氧化石墨烯染色的面料，得到具有電磁屏蔽性能的面料。在研究中，其探討了不同質(zhì)量比的還原氧化石墨烯(rGO)對織物電阻的影響，并用多巴胺對織物進(jìn)行處理，然后對比了多巴胺處理前后面料的rGO染色性能差異。研究結(jié)果表明，經(jīng)多巴胺處理后，面料對rGO具有更強(qiáng)的吸附力，且經(jīng)rGO染色后織物具有較好的電磁屏蔽性能，在X波段的30～1 530 MHz范圍內(nèi)，面料具有更高的電導(dǎo)率(0.23 S/cm)與更好的電磁屏蔽效能(-35.00～-26.00 dB)。

采用具有吸收電磁波功能的碳纖維、納米纖維及改性的防電磁波纖維進(jìn)行織造，也可制作防電磁輻射織物。但由于目前具有吸收電磁波功能的纖維基本上親膚性均較差，因此無法應(yīng)用于日常的電磁防護(hù)[10-12]。

3 導(dǎo)電面料

日常生活中，靜電對人們的影響很大。紡織品在使用的過程中容易因摩擦而產(chǎn)生靜電，較高的電壓會對人體產(chǎn)生電擊，甚至?xí)l(fā)爆炸、火災(zāi)等事故。目前的導(dǎo)電面料主要有兩種制備方法，一是對面料表面進(jìn)行改性，賦予其導(dǎo)電性，二是利用導(dǎo)電纖維編織導(dǎo)電面料[13-15]。

目前，關(guān)于導(dǎo)電纖維的研究較多[16-19]。Wu等[20]介紹了一種基于溶液的金屬化面料，其在纖維表面涂覆一層金，從而賦予面料較耐久的導(dǎo)電性且不改變面料的孔隙結(jié)構(gòu)。所得導(dǎo)電纖維具有較高的導(dǎo)電性，電阻約為1.07 Ω/m2。對由導(dǎo)電纖維制成的面料進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果表明，當(dāng)面料的形變達(dá)15%時，導(dǎo)電纖維的電阻下降80%，繼續(xù)拉伸纖維，電阻保持不變，直至面料的形變達(dá)160%。張魯燕等[21]制備了一種復(fù)合導(dǎo)電紗線，并測試了定速拉伸情況下纖維的電阻變化，研究結(jié)果表明，以直徑為0.035 mm的不銹鋼絲為芯紗、線密度為88.9 dtex的桑蠶絲為包覆紗制得的復(fù)合導(dǎo)電紗線具有良好的導(dǎo)電性。

對面料進(jìn)行后整理賦予其導(dǎo)電性主要通過金屬鍍層、化學(xué)鍍及磁控濺射等方式實現(xiàn)。武翔等[22]以吡咯為單體，對甲苯磺酸為摻雜劑，過硫酸銨為氧化劑，尼龍為單體，制備出聚吡咯尼龍導(dǎo)電織物，所得織物具有良好的導(dǎo)電性能，且整理后織物的斷裂強(qiáng)力與透濕性能幾乎不受影響。

4 結(jié)語

本文主要分析梳理了納米纖維面料、防電磁輻射面料和導(dǎo)電面料這3種功能面料的制備方法及最新加工技術(shù)。鑒于靜電紡絲與先進(jìn)熔融技術(shù)制得的納米纖維面料在過濾、降噪等方面的卓越成效，防電磁屏蔽面料在軍工領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，以及導(dǎo)電面料良好的抗靜電減災(zāi)效果，功能性面料愈發(fā)受到人們的重視。高附加值的功能性面料為人們的生活帶來了極大的便利，未來，功能性面料的研究有望成為面料發(fā)展的主流方向之一。