磁性纖維及磁性紡織品的研究現(xiàn)狀

蘇 靜， 李昌齡， 闞建興， 周建平， 華 東， 王鴻博

(1. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇紡織研究所股份有限公司，江蘇 無錫 214024)

人類生活與磁息息相關(guān)。大量的實驗研究表明，磁場作用于人體時，可通過神經(jīng)、體液系統(tǒng)發(fā)生電荷、電位、分子結(jié)構(gòu)等變化，引發(fā)系列生物學(xué)效應(yīng)，影響人體的生理活動，調(diào)節(jié)機(jī)體功能，產(chǎn)生保健和治療作用[1-2]。根據(jù)臨床資料分析，磁療法能夠產(chǎn)生鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、消炎、消腫等作用，因而可用于治療內(nèi)外科疾病、眼科疾病及一些罕見病等。磁療法作為一種物理療法，具有適應(yīng)性廣、安全性高以及治療效果顯著等特點，目前已在臨床中廣泛使用[3]。

近年來，紡織領(lǐng)域中各類新型纖維的相繼開發(fā)為功能紡織品提供了新的發(fā)展空間。磁性纖維的開發(fā)是根據(jù)人體健康需求，將磁性材料與紡織、物理等學(xué)科有機(jī)結(jié)合，磁性纖維是一種利用人體微磁體研發(fā)出的新型功能纖維，它的出現(xiàn)為磁性紡織品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。相比于開發(fā)成熟的遠(yuǎn)紅外纖維等保健性纖維，磁性纖維的發(fā)展仍處于探索階段。現(xiàn)有的磁性纖維，根據(jù)纖維的材質(zhì)可分為金屬磁性纖維、有機(jī)磁性纖維和無機(jī)磁性纖維；根據(jù)纖維的應(yīng)用領(lǐng)域可分為服用磁性纖維、裝飾用磁性纖維以及產(chǎn)業(yè)用磁性纖維。磁療具有保健功能，應(yīng)用在紡織領(lǐng)域的磁性纖維順應(yīng)了人們對健康理療的需求，在醫(yī)療保健等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[3-6]。目前，磁性紡織品主要通過磁性纖維織造或?qū)⒖椢镞M(jìn)行特定后整理得到。磁性紡織品旨在將磁療與紡織品結(jié)合，在服用過程中調(diào)節(jié)人體機(jī)能，實現(xiàn)其保健功能[7]。

文中圍繞磁性纖維的制備、磁性紡織品的開發(fā)，以及磁性紡織品的檢測和評價等方向展開討論，并對磁性纖維以及磁性紡織品的研究現(xiàn)狀進(jìn)行概括總結(jié)。

1 磁性纖維的制備方法

1.1 共混紡絲法

共混紡絲法是將粒徑小于1 μm的磁性物質(zhì)微?；蛘呒{米磁粉混入紡絲熔體或者紡絲原液中，經(jīng)熔融紡絲或濕法紡絲制成磁性纖維。采用上述方法制備的磁性纖維性能主要與磁性微粒的性質(zhì)有關(guān)，通常粒徑稍大的磁性能較好。RUBACHA M等[8]制備了一種磁性Lyocell纖維，其生產(chǎn)流程如圖1所示。只需要將磁性微粒在高溫高壓下溶解至紡絲液中，再經(jīng)濕法紡絲便可得到帶有磁性的纖維，制備得到的磁性纖維表面形態(tài)如圖2所示。由于纖維表面和內(nèi)部均分散著磁性微粒，這些磁性微粒則可賦予纖維磁性功能。

圖1 共混紡絲法制備磁性纖維Fig.1 Preparation of magnetic fibers through blend spinning method

圖2 磁纖維的縱向和橫截面圖Fig.2 SEM images of magnetic fibers from portrait and landscape orientation

通過共混紡絲法制備的磁性纖維在使用過程中能夠較大程度地保持其磁性，不會輕易隨洗滌、揉搓等外力作用而消失。然而，摻入磁性微粒的量如果過多，則會使纖維強(qiáng)力下降，因此采用共混紡絲法制備磁性纖維時應(yīng)嚴(yán)格控制磁性微粒的添加量。

1.2 后整理法

后整理法可以簡單概括為在纖維上進(jìn)行一些物理或化學(xué)的處理。其中：物理整理包括浸漬、涂層、電鍍等方法；化學(xué)整理包括對纖維進(jìn)行改性后再添加磁性微粒等。

BILIUTA G等[9]使用四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)改性處理黏膠纖維，得到含有羧基的黏膠纖維，以此為基材制得帶有氧化鐵的磁性纖維。賈亞茹等[10]采用原位復(fù)合法在棉纖維表面沉積磁性氧化鐵納米粒子，制得磁性纖維。李海峰[11]采用化學(xué)共沉淀法和沉淀氧化法兩種原位復(fù)合法制得磁性紙漿纖維，再利用造紙工藝得到磁性紙張，紙漿纖維的SEM如圖3所示。由圖3可以看出，在紙漿纖維的內(nèi)腔中明顯附著了磁性微粒。

圖3 紙漿纖維和磁性紙漿纖維的SEM圖Fig.3 SEM images of paper fibers

后整理法制備磁性纖維可操作性強(qiáng)，可通過調(diào)整處理時間、溫度等條件控制整理程度。一般而言，后整理法多局限于纖維的表面改性，因此對纖維自身性能影響較小。通過后整理法得到磁性纖維的磁性微粒多附著于纖維表面，因而在后續(xù)的使用過程中，磁性微?？赡軙l(fā)生脫落，導(dǎo)致纖維的磁性隨著使用或洗滌次數(shù)的增加而減弱[12]。

2 磁性紡織品的開發(fā)及應(yīng)用

磁性紡織品是一類具有一定磁性的功能紡織品。通常，磁性紡織品可采用具有磁性的纖維織造而成，也可通過對紡織品進(jìn)行后整理制得。目前，國內(nèi)外對磁性紡織品的研究主要包括新型磁性紡織品的開發(fā)和功能探索，以及磁性紡織品產(chǎn)生的磁場對人體機(jī)能的影響。

相關(guān)研究表明，磁性纖維或磁性紡織品所產(chǎn)生的磁場可引起人體神經(jīng)、心血管、血液、皮膚等一系列的反應(yīng)[13-14]。但對人體有益的磁場為弱磁場，過強(qiáng)的磁場會對人類健康造成威脅，因而在開發(fā)磁性紡織品時應(yīng)考慮人體自身的生物磁場以及紡織品產(chǎn)生的外加磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度不宜過高，合適的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度可對人體磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到保健或治療作用。

磁性紡織品產(chǎn)生的弱磁場還能夠?qū)?xì)胞產(chǎn)生修復(fù)作用，促進(jìn)細(xì)胞代謝、活化細(xì)胞、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌。這些弱磁場可以對體內(nèi)的水分子產(chǎn)生磁化作用，利于組織滲出液的吸收和消散[15]，JORDAN A等[16]和宋超[17]研究發(fā)現(xiàn)，磁流體熱療對人體的腫瘤細(xì)胞具有抑制作用。HUANG C等[18]通過靜電紡絲法得到帶有氧化鐵微粒的聚苯乙烯磁纖維，采用該磁纖維的熱療對SKOV-3癌細(xì)胞進(jìn)行處理，結(jié)果顯示在不損傷纖維形態(tài)的前提下，該纖維能夠在溫水浴或交替式磁場環(huán)境下殺死癌細(xì)胞。

此外，磁性紡織品還對頸椎病、關(guān)節(jié)炎等疾病具有正向的物理輔助治療效果。目前已開發(fā)出許多無副作用的磁性紡織品，如磁性保健襪、磁性帽、磁性護(hù)膝產(chǎn)品和磁性床上用品等，均可用于理療。其中已廣泛使用的磁性保健襪，主要是將磁石粉添加至紡織纖維中，利用磁療和遠(yuǎn)紅外技術(shù)，對足底關(guān)鍵部位進(jìn)行理療，通過接觸按摩作用加速人體血液循環(huán)，增強(qiáng)人體磁場，從而起到保健的效果。以上這些磁性紡織產(chǎn)品，不僅具有良好的保健功效，同時具有較好的穿戴舒適度和美觀度。此外，磁性紡織品經(jīng)過整理后，還可制成防輻射的工作服或者防護(hù)罩，在一定程度上具有電磁屏蔽功能，可降低輻射對人體的威脅。磁性紡織品的開發(fā)與應(yīng)用將進(jìn)一步滿足人們健康與保健的需求，因而開發(fā)擁有良好保健效果的磁性紡織品有著較好的發(fā)展前景。

3 磁性紡織品的檢測和評價

磁性強(qiáng)度是評價磁性紡織品的主要指標(biāo)之一。理論上磁性強(qiáng)度為織物上磁性微粒磁化強(qiáng)度的總和，然而磁性微粒數(shù)量很難確定，故織物磁性的強(qiáng)弱可用織物表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度表示。磁性織物表面磁感應(yīng)強(qiáng)度通常很低(約為0.03 mT)，小于普通的高斯計和特斯拉計測量范圍，因此磁性織物表面磁感應(yīng)強(qiáng)度難以測量。

目前，針對磁性紡織品的檢測標(biāo)準(zhǔn)有CAS 115—2005 《保健功能紡織品》和FZ/T 01116—2012《紡織品磁性能的檢測和評價》等[19]。CAS 115—2005對磁性紡織品的要求為：磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)為40～110 mT；用于眼周的磁性紡織品磁感應(yīng)強(qiáng)度低于70 mT；磁體的數(shù)量級分布應(yīng)科學(xué)合理，但對磁場數(shù)量和分布情況未進(jìn)行具體量化。FZ/T 01116—2012對織物的磁性評判標(biāo)準(zhǔn)則不同，其認(rèn)為當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.02 ～0.10 mT范圍，織物即具有磁性，但該標(biāo)準(zhǔn)中未涉及保健方面的評定[19]。

由于磁性織物中的磁性微粒分布不均勻，使織物表面不同部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度有差異，導(dǎo)致測試結(jié)果具有較大的分散性，這給磁性織物磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量帶來一定困難?，F(xiàn)有的關(guān)于磁性紡織品表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量和評價研究中，楊春梅[20]開發(fā)出一套磁性織物磁感應(yīng)強(qiáng)度測試系統(tǒng)，在系統(tǒng)中內(nèi)置放大器，用磁頭感應(yīng)法測量了磁性較弱、分布不均勻的磁性針織物表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果表明該弱磁分析儀的分辨率可達(dá)0.003 mT；劉飛飛等[21-22]采用多種特斯拉計對霍爾探頭進(jìn)行改進(jìn)，以減小測量時對位誤差，同時對試樣數(shù)量、測試點數(shù)量等因素進(jìn)行分析；于高杰[12]的研究表明，按照0.5點/cm2的密度取點測量可以代表整體表面磁性能，其平均值可以表示織物表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

此外，周邊環(huán)境也會對織物磁性測試結(jié)果產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[21-22]分析了溫度、濕度及環(huán)境磁場等因素對磁性紡織品磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。實驗結(jié)果表明：同一織物表面磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度的變化改變較??；同一織物濕態(tài)條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度大于干態(tài)下的。說明可能是纖維吸濕后產(chǎn)生溶脹，磁粉在織物內(nèi)部與表面的分布狀態(tài)發(fā)生改變，從而引起纖維表面磁場強(qiáng)度的變化[21-22]。同時，環(huán)境周圍的強(qiáng)磁場、大風(fēng)等因素也會影響測試結(jié)果。

最新研究表明，除了常規(guī)測量方法，對磁性紡織品的檢測還可通過電鏡-能譜聯(lián)合測試法[23-24]。此方法適用于研究者已知的具有磁性的纖維或紡織品，可通過掃描電鏡觀察纖維表面或截面形貌，確認(rèn)是否含有磁性微粒，再結(jié)合能譜儀測定磁性微粒的含量，采用該方法對紡織品磁性檢測結(jié)果如圖4所示[23]。由圖4可以看出，當(dāng)摻入磁性微粒時，能譜儀可測得鐵微粒的存在，并給出具體含量。但纖維本身的雜質(zhì)可能對測試結(jié)果產(chǎn)生干擾，因而此方法也有一定局限性。此外，當(dāng)采用此方法測量磁性時，應(yīng)對纖維進(jìn)行消磁處理，避免磁性纖維對電鏡設(shè)備產(chǎn)生干擾。

圖4 磁性纖維的截面和表面的元素分析Fig.4 SEM images of fibers (landscape orientation) and EDS element analysis

4 結(jié) 語

目前對磁性纖維的研究逐漸增多，但仍有許多理論和實際問題需要解決。磁性紡織品作為功能性紡織品可與醫(yī)療保健行業(yè)相結(jié)合，擁有廣闊的發(fā)展前景。但關(guān)于磁性紡織品的檢測與評價尚未統(tǒng)一，為完善磁性紡織品的開發(fā)與應(yīng)用，應(yīng)逐步建立統(tǒng)一的測試方法和評價機(jī)制，規(guī)范市場。為適應(yīng)多種需求，可嘗試將磁性紡織品與抗菌等其他功能有機(jī)結(jié)合，同時還可改善磁性紡織品服用性能，提升其舒適性能，以滿足市場對醫(yī)療保健紡織品的更高需求。