吸濕排汗纖維研究

蔣葉群，孫振波，王建偉，曾 登

（連云港杜鐘新奧神氨綸有限公司，江蘇 連云港 222047）

隨著科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求逐漸提升，尤其在服裝方面。人們的要求已經(jīng)從耐穿、實(shí)用，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭孢m、健康、安全環(huán)保。吸濕排汗纖維可以調(diào)節(jié)貼身衣物與皮膚水分、濕度的關(guān)系，使面料既具有棉制品的觸感，又具有清爽感，因此，被廣泛應(yīng)用于高檔服飾、裝飾甚至土木等領(lǐng)域[1]。一般來(lái)說(shuō)，天然纖維吸濕性較好，穿著較舒適。大多數(shù)合成纖維親水基團(tuán)較少，吸濕性較差，人們?cè)谑褂眠^(guò)程中容易產(chǎn)生悶熱感，所以如何提高合成纖維的吸濕排汗性能已成為國(guó)內(nèi)外差別化纖維的研究熱點(diǎn)。

1 吸濕排汗機(jī)制

吸濕排汗過(guò)程包括吸濕過(guò)程和放濕過(guò)程。吸濕過(guò)程是纖維吸收人體皮膚蒸發(fā)的氣態(tài)水的過(guò)程，放濕過(guò)程是纖維內(nèi)部的毛細(xì)管、微孔、溝槽以及纖維之間的空隙所產(chǎn)生的毛細(xì)效應(yīng)使水分在纖維材料內(nèi)部及表面吸附、擴(kuò)散和蒸發(fā)的過(guò)程[2]。

1.1 吸濕性能

纖維的吸濕能力與纖維微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括纖維大分子的組成和聚集狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，纖維中親水基團(tuán)（羥基、氨基、羧基等）越多，基團(tuán)極性越強(qiáng)，纖維的吸濕能力越強(qiáng)。大多數(shù)合成纖維的組成分子中親水基團(tuán)較少，吸濕能力較差。在天然纖維中，無(wú)論植物纖維還是動(dòng)物纖維都含有較多的親水基團(tuán)，故吸濕率較高。

纖維大分子聚集狀態(tài)對(duì)纖維吸濕性能也有影響。在纖維的組成結(jié)構(gòu)中，結(jié)晶區(qū)分子排列較緊密，水分子不容易滲透進(jìn)去，而非結(jié)晶區(qū)大分子排列松散，分子間存在縫隙和微孔，水分子容易滲透進(jìn)去。一定范圍內(nèi)，纖維結(jié)晶度越低，吸濕能力越強(qiáng)[3]。

1.2 排汗性能

纖維的導(dǎo)濕過(guò)程主要包括浸潤(rùn)和芯吸。浸潤(rùn)是液態(tài)水沿單纖維或是纖維集合體表面利用浸潤(rùn)的形式進(jìn)行傳導(dǎo)，芯吸主要是毛細(xì)效應(yīng)（毛細(xì)效應(yīng)指液體在細(xì)管狀物體內(nèi)側(cè)，由于液體自身內(nèi)聚力與液體和管壁間附著力的差異，克服地心引力而上升的現(xiàn)象）。這主要是纖維集合體間形成縫隙、溝槽或是單纖維表面的凹槽、孔洞等對(duì)汗液的吸收。故纖維的導(dǎo)濕性能主要與纖維的表面形態(tài)及截面形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般可以通過(guò)降低纖維的纖度、增加纖維表面溝槽和孔洞以及使纖維表面異形化等方法來(lái)增加纖維的毛細(xì)效應(yīng)，提高纖維的導(dǎo)濕能力[4]。

2 吸濕排汗纖維的研究進(jìn)展

在吸濕排汗纖維研究方面，日本、美國(guó)和韓國(guó)起步較早，研發(fā)水平處于領(lǐng)先地位。例如日本帝人公司開(kāi)發(fā)的WELLKEY纖維是聚酯中空纖維，纖維表面有許多貫通到中空部分的細(xì)孔，液態(tài)水可以從纖維表面滲透到中空部分，該纖維具有吸汗快和干爽的獨(dú)特性能[5]。美國(guó)杜邦研發(fā)的CoolmaxR聚酯纖維截面呈“十”字管狀，具有多孔結(jié)構(gòu)且表面有4條排汗溝槽，可形成許多毛細(xì)效應(yīng)強(qiáng)烈的細(xì)小芯吸管，迅速將皮膚上的濕汗抽離，使皮膚保持舒適干爽[6]。韓國(guó)曉星集團(tuán)推出的Aerocool聚酯纖維模仿“苜蓿草”，其截面為四葉子形狀，纖維表面具有微細(xì)溝槽和孔洞，具有優(yōu)異的吸濕排汗性能[7]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于吸濕排汗纖維的研發(fā)起步相對(duì)較晚，但仍取得了較大的進(jìn)展[8]。臺(tái)灣中興紡織研制開(kāi)發(fā)的Coolplus纖維截面呈“十”字形，縱向分布著細(xì)微溝槽和孔洞，可將肌膚表層排出的濕氣與汗水瞬間排出體外，使肌膚保持干爽與清涼[9]。中石化儀征化纖有限公司研發(fā)的COOLBST纖維填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)吸濕排汗短纖維的空白，采用全新的異型截面設(shè)計(jì)，利用毛細(xì)管原理，使紡織品能夠快速吸水、輸水、蒸發(fā)水分，從而保持人體皮膚的干爽和舒適[7]。濟(jì)南正昊研發(fā)的SATIS纖維，在纖維大分子中引入親水基團(tuán)，且纖維具有三葉（角）截面、五葉截面、中空截面等結(jié)構(gòu)，使得纖維具有優(yōu)異的吸濕排汗性能[9]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，隨著紡織技術(shù)、工藝的不斷精進(jìn)，吸濕排汗纖維產(chǎn)品的研發(fā)也越來(lái)越細(xì)化，包括紡絲效率的提高、纖維可加工性和強(qiáng)力的增強(qiáng)、纖維復(fù)合性能的改善、擴(kuò)展吸濕排汗纖維應(yīng)用領(lǐng)域等方面。

3 吸濕排汗纖維生產(chǎn)方法

目前，吸濕排汗纖維的生產(chǎn)方法包括物理改性和化學(xué)改性，且大部分吸濕排汗纖維是通過(guò)物理改性方法制得的。物理改性方法包括改變纖維橫截面形狀、降低纖維纖度、增加纖維的比表面積等，也可利用親水劑對(duì)纖維進(jìn)行表面涂層?；瘜W(xué)改性方法主要是在化學(xué)纖維大分子中引入或在纖維表面接枝共聚親水基團(tuán)。

3.1 物理改性

3.1.1 纖維截面異形化、多孔化

普通化纖的截面為圓形，纖維表面完整且光滑，不具備吸收和導(dǎo)出水分的能力。對(duì)于異形截面、多孔中空纖維來(lái)說(shuō)，纖維表面因?yàn)闇喜?、微孔的存在而變得粗糙、不完整，使得纖維可以利用毛細(xì)現(xiàn)象將皮膚表面的水分快速地吸走并排出，從而達(dá)到吸濕排汗的效果。一般來(lái)說(shuō)，異形截面、多孔纖維可以通過(guò)改變噴絲板的形狀將溶液與特殊的微孔助劑共混并將其溶出形成微孔紡制。

江蘇恒力化纖股份有限公司選用同時(shí)設(shè)有十字形噴絲孔和王字形噴絲孔的復(fù)合噴絲板紡制吸濕排汗纖維[10]，經(jīng)同一噴絲板擠出的一束吸濕排汗纖維中同時(shí)含有十字形單絲和王字形單絲，吸濕排汗纖維的材質(zhì)為聚酯。結(jié)果顯示，該纖維的毛細(xì)參數(shù)≥0.16，常規(guī)產(chǎn)品的毛細(xì)參數(shù)為0.08～0.12，表明該纖維吸濕效果得到改善。為了研究異形截面纖維的導(dǎo)濕性能，李翠芳等[11]選取三葉形滌綸織物和普通滌綸織物測(cè)定其吸濕特性和芯吸效應(yīng)，結(jié)果表明，三葉形滌綸織物的液態(tài)水傳遞性能優(yōu)于普通滌綸織物，且芯吸速率比普通滌綸織物高。王朝生等[12]測(cè)試了U形截面滌綸長(zhǎng)絲制成的各項(xiàng)多功能產(chǎn)品，并檢驗(yàn)其吸濕導(dǎo)濕性能，結(jié)果表明，U形纖維比表面積比普通圓形截面纖維大20%左右，纖維表面含有溝槽，可形成芯吸效應(yīng)，使得纖維具有較好的吸濕、導(dǎo)濕、散濕性能，可加快汗液的遷移和提高織物的干爽舒適性。

3.1.2 纖維細(xì)旦化

當(dāng)纖維趨于細(xì)旦化時(shí)，纖維的表面積也隨之增大，和人體皮膚接觸面也增大了，細(xì)旦化纖維制成織物時(shí)，纖維間可以形成無(wú)數(shù)個(gè)微小孔隙，相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè)毛細(xì)管，使織物可以快速地將水分運(yùn)走。Wang等[13]將一種金屬有機(jī)骨架ZIF-8摻入聚丙烯腈（PAN）中以制備具有高表面粗糙度的超細(xì)纖維，并通過(guò)電紡將粗糙的超細(xì)纖維層與PAN納米纖維層交替堆疊，形成多層結(jié)構(gòu)化膜，隨后用酸和堿對(duì)其進(jìn)行處理，調(diào)整纖維表面的親水性，引起多尺度的表面粗糙度，最終使纖維具有優(yōu)異的吸濕排汗性能和顆粒物（PM）吸附性能。NING等[14]以棉紗為內(nèi)層，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)在其外層紡制一層PAN納米纖維膜，由棉紗和納米纖維構(gòu)成的毛細(xì)血管間存在尺寸差異，可將水分快速地運(yùn)輸，單向運(yùn)輸指數(shù)可達(dá)846%，賦予了纖維優(yōu)良的吸濕排汗性能。

3.1.3 雙組分復(fù)合紡絲

將聚酯和其他材料復(fù)合紡絲，制成具有皮芯結(jié)構(gòu)的異形截面纖維，也可改善纖維的吸濕排汗性能。浙江恒逸高新材料有限公司[15]提出了一種多功能雙組份聚酯皮芯復(fù)合纖維及制備方法，纖維中芯層成分選自聚酯，皮層成分選自改性聚酯，且皮層成分在多功能雙組份聚酯皮芯復(fù)合纖維中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～50%。該纖維具有良好的吸濕排汗、抗靜電以及優(yōu)異的染色性能，可以滿足人們對(duì)夏季功能性面料的需求。廣東省化學(xué)纖維研究所[16]提出了一種吸濕排汗桔瓣型滌丙復(fù)合纖維的制備方法，該纖維的截面為桔瓣型骨架。桔瓣型骨架為聚酯材料，楔形填充部為聚丙烯改性材料，兩種組分經(jīng)噴絲孔擠出、冷卻成型后，兩組分之間所形成的桔瓣型截面能夠產(chǎn)生永久的縫隙，從而使滌丙復(fù)合纖維的芯吸效應(yīng)增強(qiáng)，且增加了纖維的表面積，吸濕效果更好。

3.2 化學(xué)改性

3.2.1 引入親水基團(tuán)

化學(xué)纖維的原材料主要為聚酯、聚酰胺等疏水材料，可通過(guò)引入親水基團(tuán)（羧基、羥基、酰胺基等）或者在聚合時(shí)加入親水物質(zhì)使聚合物具備親水性，且纖維通過(guò)化學(xué)改性獲得的親水性具有持久性，使用時(shí)不會(huì)因?yàn)樗?、摩擦等外部原因而減弱。另外，在化學(xué)改性的基礎(chǔ)上也可配合物理改性，使纖維具有異形截面以及較大的表面積，從而使纖維具有良好的吸濕排汗性能。安徽雙帆高纖有限公司公開(kāi)了一種親水性差別化纖維的加工方法[17]，通過(guò)接枝共聚的方法來(lái)改善聚酯纖維的吸濕導(dǎo)濕性能。該方法主要是將聚酯合成物材料和催化劑加入酯化反應(yīng)釜中進(jìn)行酯化反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后，將合成的聚酯樹(shù)脂加入接枝反應(yīng)釜中，并加入接枝改性物料（由丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸鈉、丙烯酰胺等組成）和引發(fā)劑進(jìn)行接枝改性引入親水基團(tuán)。最后，將所制改性聚酯送入螺桿擠出機(jī)中，加熱熔融成熔體，然后紡絲制得親水性差別化聚酯纖維。該方法有效地改善了聚酯纖維的親水性。張騰飛等[18]為了提高聚酯纖維的親水性，使用對(duì)苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）發(fā)生酯化反應(yīng)生成對(duì)苯二甲酸乙二酯（BHET），然后利用生物基聚酰胺56低聚物（LPA56）和BHET發(fā)生酯交換反應(yīng)生成新型聚酰胺酯。結(jié)果表明，新型聚酰胺酯纖維的回潮率是PET纖維的265%～390%，改性后聚酯親水性得到明顯提高。

3.2.2 纖維表面化學(xué)改性

對(duì)化學(xué)表面進(jìn)行親水處理，通過(guò)接枝、交聯(lián)等方法來(lái)增加纖維表面的親水基團(tuán)，也可使纖維達(dá)到吸濕的目的，但是，纖維親水性會(huì)隨著水洗次數(shù)的增加而減弱。東華大學(xué)的李發(fā)學(xué)等[19]公開(kāi)了一種超親水抗菌纖維素纖維及其制備方法，該方法包括先將纖維素纖維、去離子水、引發(fā)劑（硝酸鈰銨、過(guò)氧化氫、過(guò)氧化苯甲酰和過(guò)硫酸鈉任意一種）置于反應(yīng)釜中反應(yīng)，得到超親水纖維素纖維，然后將超親水纖維和無(wú)機(jī)銀溶液、還原劑一起反應(yīng)，得到超親水抗菌纖維素纖維。劉鴻銘等[20]先對(duì)聚丙烯纖維進(jìn)行溶脹處理，然后采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)纖維表面進(jìn)行親水處理。研究結(jié)果表明，硅烷偶聯(lián)劑在聚丙烯纖維的表面發(fā)生了自水解反應(yīng)并形成了一層保護(hù)膜，且由于硅烷偶聯(lián)劑自身含有極性親水官能團(tuán)，極大地改善了聚丙烯纖維表面的親水性能。

3.3 其他

除了上述幾種方法，也有研究者在原料中加入新型材料，使纖維具備吸濕性能。魏洋[21]介紹了云母纖維的特點(diǎn)及制作工藝。云母纖維是一種新型的吸濕降溫纖維，以滌綸或錦綸為載體融入納米云母，利用本身天然的層狀結(jié)構(gòu)和“導(dǎo)熱+含水”雙重功效研發(fā)的冰涼纖維，具有良好的吸水、導(dǎo)熱、吸附性能。另外，也有學(xué)者利用纖維表面疏水性的差異制備吸濕排汗纖維。DONG Y等[22]為了改善水的輸送性能，通過(guò)靜電紡絲制造了由親水性PAN外層和疏水性聚偏二氟乙烯（PVDF）內(nèi)層組成的雙層納米纖維非織造墊，內(nèi)層和外層之間表面疏水性的明顯差異引起推挽效應(yīng)，從而有效地將水從內(nèi)層輸送到外層，使纖維具有優(yōu)異的吸濕排汗性能。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，吸濕排汗產(chǎn)品在日常生活中已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，包括運(yùn)動(dòng)服、內(nèi)衣、休閑服等，且由于人們消費(fèi)需求的不斷升級(jí)，吸濕排汗產(chǎn)品將會(huì)有更大的應(yīng)用市場(chǎng)，應(yīng)當(dāng)不斷完善吸濕排汗纖維的制備工藝，拓展在醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域上的應(yīng)用，不斷挖掘吸濕排汗產(chǎn)品的應(yīng)用潛力。另外，隨著功能材料的不斷開(kāi)發(fā)，紡織面料的功能逐漸多樣化，單一功能的吸濕排汗纖維已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)的需要，增加吸濕排汗纖維的附加功能，使纖維在具備吸濕排汗性能的同時(shí)兼具除臭、抗菌、抗靜電、防紫外等多種優(yōu)異性能，也是未來(lái)吸濕排汗纖維的研發(fā)熱點(diǎn)。