新型保暖纖維的研究與應(yīng)用

寧翠娟

(中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會，北京 100020)

0 引言

進(jìn)入冬季，御寒保暖成為人們生活的一大關(guān)注點(diǎn)。早在幾千年前，天然纖維就已經(jīng)被用于傳統(tǒng)的保暖、隔熱服裝。例如，棉纖維、木棉纖維、羊毛、羊絨、羽絨等由于其中空、卷曲等特殊的纖維結(jié)構(gòu)，能夠保留盡可能多的靜止空氣，故具有良好的保暖性。隨著化學(xué)纖維技術(shù)進(jìn)步與人們生活水平的提高，研究人員開始探索更多保暖纖維的實(shí)現(xiàn)途徑與方法，越來越多的新型保暖纖維被研發(fā)出來，以滿足消費(fèi)者更高的保暖追求。

根據(jù)研發(fā)設(shè)計(jì)原理[1-3]，研究人員將保暖纖維大致歸為消極保暖纖維和積極保暖纖維兩大類。前者是通過增加靜止空氣或阻擋熱輻射等，盡量減少熱量散失，實(shí)現(xiàn)御寒保暖；后者是纖維材料能夠根據(jù)環(huán)境溫度或人體需求，通過吸收或儲存太陽能、電能、化學(xué)能等散發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)人體熱平衡。而根據(jù)發(fā)熱機(jī)理，后者一般可分為吸濕發(fā)熱纖維、電能發(fā)熱纖維、光能發(fā)熱纖維、化學(xué)發(fā)熱纖維和相變調(diào)溫纖維。近年來，異形纖維、氣凝膠纖維、吸濕發(fā)熱纖維、光能發(fā)熱纖維以及相變調(diào)溫纖維的研發(fā)熱度較高，且獲得了一定的市場應(yīng)用，故下文將詳細(xì)介紹這五類新型保暖纖維的研究與應(yīng)用。

1 異形纖維

中空異形纖維通過模仿天然纖維的空腔結(jié)構(gòu)，降低纖維的熱傳導(dǎo)率，以提高保暖特性，如日本旭化成公司的Twinari纖維、泉州海天輕紡有限公司的Sunilte纖維等[4]。受北極熊毛的啟發(fā)，美國杜邦公司研制出一種十字形中空聚酯纖維(Themrolite纖維)，集十字形截面纖維和中空纖維兩者的優(yōu)良性能于一體，在儲存大量靜止空氣的同時，可將濕氣迅速排出，表現(xiàn)出導(dǎo)濕、透氣、蓬松、輕質(zhì)保暖等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于生產(chǎn)保暖內(nèi)衣、襯衫、襪子和防寒服等。2018年，浙江大學(xué)柏浩團(tuán)隊(duì)利用“冷凍紡絲”法制備了一種仿北極熊毛的新型纖維，熱導(dǎo)率為22 mW/(m·K)，隔熱性能優(yōu)異。該纖維的制備方法是：首先將蠶絲蛋白溶液從針頭擠出，緩緩穿過一個低溫的銅環(huán)，由于溶液中的水受冷結(jié)冰，冰晶將蠶絲蛋白擠壓到相鄰的冰晶中間，在纖維內(nèi)部產(chǎn)生了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過冷凍干燥，冰晶因升華而除去，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維。

山東銀鷹化纖有限公司研發(fā)的中空異形再生纖維素纖維的纖維截面為橢圓形中空狀結(jié)構(gòu)，蓬松性好，同樣保暖性能下面料克重低，在下游應(yīng)用時可以與棉、差別化再生纖維素纖維、羊毛、滌綸等進(jìn)行混紡，使用配比為30%～70%。該纖維的制備方法是：在紡絲液中添加發(fā)泡劑，當(dāng)紡絲原液進(jìn)入凝固浴中，紡絲原液細(xì)流中的發(fā)泡劑在纖維凝固成形時與凝固浴中的硫酸發(fā)生反應(yīng)生成CO2氣體溢出，從而在纖維中形成微孔，賦予纖維疏松多孔的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了纖維的吸濕、保暖性能。

2020年年底，一股屬于“德絨”的熱潮席卷而來。德絨(dralon)源于德國拜耳公司推出的一種超細(xì)異形腈綸[5]，啞鈴型結(jié)構(gòu)使得單根纖維不易緊密聚集，增加了纖維間的靜止空氣，同等質(zhì)量下，保溫性能可比羊毛高出20%；同時其纖度低于0.9 dtex，單根纖維間存在著大量的毛細(xì)管區(qū)，水分芯吸能力好，能快速導(dǎo)出身體產(chǎn)生的濕氣。由于德絨具有柔軟、質(zhì)輕、保暖等特性，非常適合保暖內(nèi)衣、襯衣、毛衫、休閑打底衫、無縫保暖褲以及家紡等領(lǐng)域，有較高的產(chǎn)品附加值。例如，北京銅牛集團(tuán)有限公司結(jié)合針織保暖功能面料輕、暖、柔的設(shè)計(jì)思路，選用德絨與棉、莫代爾、羊毛等多種纖維的混紡紗[6]，開發(fā)出德絨提花雙面系列、毛絨彈力保暖等功能性保暖針織面料，為提升秋冬針織居家產(chǎn)品檔次開辟了新的途徑。

2 氣凝膠纖維

氣凝膠是一種三維網(wǎng)狀納米多孔材料，一般采用溶膠-凝膠工藝制備，采用超臨界萃取等干燥技術(shù)，在最大限度保持凝膠三維框架結(jié)構(gòu)條件下將溶劑提出，完成空氣與溶劑的置換。獨(dú)特的納米多孔結(jié)構(gòu)使其孔隙率極高、密度超低，表現(xiàn)出高比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)異的絕緣性和隔熱性等特征[7-8]。由于纖維材料的保暖性能與纖維材料內(nèi)部靜止空氣含量成正比，與纖維直徑大小成反比，與整體材料密度成反比，故目前理論上氣凝膠纖維是隔熱保溫效果最好的一種纖維，是下一代保暖纖維最重要的發(fā)展方向。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)以溶解后的凱夫拉(Kevlar)纖維為紡絲原料，經(jīng)濕法紡絲、特種干燥等過程制得Kevlar氣凝膠纖維，孔隙率可達(dá)98%，比表面積可達(dá)240 m2/g，常溫下熱導(dǎo)率僅為27 mW/(m·K)，可在極端環(huán)境(-196～300 ℃)下長時間發(fā)揮隔熱保溫性能，且可以任意彎曲、打結(jié)、編織等，還能夠染色、疏水化、化學(xué)鍍等多種改性。東華大學(xué)朱美芳團(tuán)隊(duì)采用氫氧化鈉/尿素/硫脲水溶液為溶劑、細(xì)菌纖維素(BC)為紡絲材料、稀硫酸溶液(0.25 mol/L)為凝固浴，經(jīng)濕法紡絲工藝制備出BC凝膠纖維，再經(jīng)水洗、溶劑置換和冷凍干燥，最終制得BC氣凝膠纖維[9]。該氣凝膠纖維內(nèi)部呈多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率達(dá)86%，比表面積達(dá)192 m2/g，斷裂強(qiáng)度和楊氏模量高，承重可達(dá)本身質(zhì)量的5×104倍。

此外，在聚合物合成的過程中將氣凝膠粉體加入聚合體系，聚合反應(yīng)完成后即得到含有氣凝膠的聚合物，再將該聚合物經(jīng)紡絲便可制成含有氣凝膠的纖維材料?；蛘咭跃酆衔餅檩d體，在紡絲液中加入氣凝膠粉體，再經(jīng)紡絲也可制成含有氣凝膠的纖維材料。例如，常州旭榮針織印染有限公司等采用后者制備出新型氣凝膠纖維(聚合物載體為滌綸)[10]，并從組織結(jié)構(gòu)、織造、染色、印花等方面對氣凝膠纖維面料進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，進(jìn)而測試了其保暖等性能。測試表明，由于氣凝膠纖維能夠保留住更多的靜止空氣，故與同樣線密度的纖維相比，其克重更低、保暖性能更好。

3 吸濕發(fā)熱纖維

一般認(rèn)為，吸濕發(fā)熱纖維的發(fā)熱機(jī)理是吸收外界環(huán)境或人體產(chǎn)生的水汽，形成氫鍵放出熱量，故其吸濕發(fā)熱性能與纖維的回潮率有很大關(guān)系，纖維的回潮率大則吸濕發(fā)熱性能強(qiáng)，且多用于內(nèi)衣、文胸、襪子及運(yùn)動服等產(chǎn)品中[11-12]。日本的吸濕發(fā)熱纖維研究較為成熟，已推出的有東麗公司的Softwarm纖維、旭化成公司的Thermogear纖維、三菱公司的Renaiss α纖維、敷紡公司的Thermostock纖維、東洋紡公司的N38纖維和EKS纖維等。其中，Softwarm纖維、Thermogear纖維、Renaiss α纖維均是將腈綸和吸濕性較好的纖維(如粘膠纖維、銅氨纖維、醋酸纖維等)結(jié)合，可在實(shí)現(xiàn)吸濕發(fā)熱的同時，盡量減少熱量散失。而EKS纖維、N38纖維均是通過纖維改性得到的，前者是在聚丙烯酸分子中引入氨基、羧基等親水性基團(tuán)，并進(jìn)行交聯(lián)處理制得的“亞丙烯酸鹽系纖維”；后者是以聚丙烯酸纖維為原料，進(jìn)行分子超親水化并高度交聯(lián)制得的“高度交聯(lián)聚丙烯酸酯纖維”。此外，EKS纖維表面的縱向溝槽可提升纖維表面性能，將人體汗氣及時吸收，以達(dá)到干爽舒適的效果[13]。

近年來，國內(nèi)在吸濕發(fā)熱纖維的開發(fā)上也涌現(xiàn)出一些研究成果。青島大學(xué)王軍偉通過在紡絲液中加入具備吸濕發(fā)熱功能的添加劑得到吸濕發(fā)熱粘膠纖維，并綜合生產(chǎn)成本及吸濕發(fā)熱性能，選定了吸濕發(fā)熱劑的最佳添加比例。該纖維不僅沒有破壞原纖維素的結(jié)構(gòu)，還為纖維素結(jié)構(gòu)中引入了吸濕發(fā)熱劑的基團(tuán)，與普通粘膠纖維相比，升溫幅度可高出2～3℃[14]。上海潔宜康化工科技有限公司推出的舒熱絲是一種丙烯酸纖維，含有丙烯酸、丙烯酸鈉和丙烯酰胺等基團(tuán)，吸濕發(fā)熱效應(yīng)明顯。上海正家牛奶絲科技有限公司通過引入—OH、—NH3、—COOH、—CONH等親水性基團(tuán)制備出高回潮改性腈綸(易熱寶纖維)，大大提高了其吸濕性。該纖維吸濕的同時可產(chǎn)生吸附熱，加快平衡皮膚與服裝的溫度。

此外，研究人員還對吸濕發(fā)熱纖維的紡紗工藝和面料開發(fā)等進(jìn)行了研究。東華大學(xué)葛露露以EKS纖維、舒熱絲為功能原料制備出混紡紗，進(jìn)而設(shè)計(jì)織造了相應(yīng)的織物，并對織物的吸濕發(fā)熱性能、保暖性能等進(jìn)行測試[13]，一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為熱濕舒適性毛型面料設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供了理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)參考。浙江理工大學(xué)于倩倩等采用不同組分配比的Softwarm纖維制備吸濕發(fā)熱功能針織內(nèi)衣面料[15]，并提出基于熱濕舒適性分區(qū)設(shè)計(jì)的針織內(nèi)衣面料拼接設(shè)計(jì)思路。江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院瞿建新等以棉紗為經(jīng)紗、腈綸/銅氨纖維混紡紗為緯紗設(shè)計(jì)開發(fā)出腈綸基吸濕發(fā)熱單面絨面料[16]，測試表明以吸濕發(fā)熱纖維為基材，配合粗支紗線、起絨及緊密組織等，可使面料保暖效果進(jìn)一步提升。

4 光能發(fā)熱纖維

光能發(fā)熱纖維是能夠吸收太陽輻射中不同波長光線的能量并轉(zhuǎn)化為熱能，或反射人體熱輻射，具有保溫功能的材料[17]。根據(jù)纖維可吸收光譜的范圍，其可分為兩種纖維，一是遠(yuǎn)紅外光能發(fā)熱纖維，二是可見光近紅外光能發(fā)熱纖維。

添加IV族過渡金屬碳化物如ZrC、TiC、HfC等，是可見光近紅外光能發(fā)熱纖維的實(shí)現(xiàn)途徑之一。日本德桑特公司和尤尼吉可公司合作研發(fā)的Solar-α纖維、尤尼吉可公司推出的Thermotron纖維均是通過在纖維中添加碳化鋯(ZrC)微粒來實(shí)現(xiàn)積極保暖的，因?yàn)閆rC能夠吸收可見光，并將光能轉(zhuǎn)換成熱能，同時反射出遠(yuǎn)紅外線，一定程度上能夠提升服裝的溫度。不同的是，Solar-α纖維為皮芯結(jié)構(gòu)，ZrC添加在芯層，主體聚合物為聚酰胺或聚酯。目前，這兩種纖維均已經(jīng)應(yīng)用在滑雪服、內(nèi)衣、運(yùn)動衫等產(chǎn)品上。此外，通過吸收可見光實(shí)現(xiàn)積極保暖的還有東麗公司的Torayheat纖維，該纖維同時具備抗起球和防靜電功能。而三菱人造絲公司將氧化錫與氧化銻的復(fù)合物微粉添加在腈綸紡絲原液中制備的Thermocatch纖維，能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外線吸收，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)保暖功能。

遠(yuǎn)紅外光能發(fā)熱纖維能夠吸收遠(yuǎn)紅外光輻射的能量或人體產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而輻射一定波長范圍的遠(yuǎn)紅外線，激發(fā)人體局部的溫?zé)嵝?yīng)，達(dá)到儲溫保暖的作用[18]。鐘紡合纖公司的Ceramino纖維中添加了均勻的遠(yuǎn)紅外吸收物質(zhì)、日本小松精練公司的DynaLive纖維中添加了紅外線吸收劑和玻璃微粉、富士紡公司的INSERARED纖維和可樂麗公司的LONWAVE纖維中添加了陶瓷成分，均可實(shí)現(xiàn)吸熱儲能的目的；帝人公司的WARMAL纖維外層加入了“硅酸鋯系陶瓷”，是一種遠(yuǎn)紅外滌綸，可二次放出遠(yuǎn)紅外能量，且可反復(fù)洗滌；納米竹炭纖維、石墨烯纖維、太極石纖維等利用添加物的遠(yuǎn)紅外線效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)蓄熱保溫及促進(jìn)血液循環(huán)的功能。此外，上海德福倫化纖有限公司運(yùn)用紅外壓電晶體材料的壓電和熱釋電特性，采用高科技粉碎技術(shù)，將其研磨成微納米超細(xì)粉末，添加到紡絲溶液中制備出的纖維，能產(chǎn)生與人體相匹配的紅外線，發(fā)熱效果明顯。

5 相變調(diào)溫纖維

相變是指物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)。相變調(diào)溫纖維通過物相變化吸收或放出熱量，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)[19-20]。由于相變材料(PCM)在液態(tài)時易于流動散失，故在相變調(diào)溫纖維開發(fā)時多采用微膠囊技術(shù)，即用成膜材料把固體或液體包覆成具有核殼結(jié)構(gòu)微粒。美國Outlast技術(shù)公司等使用微膠囊包裹熱敏相變材料(碳?xì)浠D)研發(fā)出新一代Outlast纖維，通過相變材料的固液轉(zhuǎn)化，達(dá)到吸熱、放熱的效果，實(shí)現(xiàn)雙向溫度調(diào)節(jié)，盡可能地讓人體保持在舒適的微氣候中。四川大學(xué)以聚乙烯醇(PVA)紡絲原液為分散介質(zhì)，常溫相變材料RT27石蠟為芯材，正硅酸乙酯(TEOS)為聚合單體形成SiO2囊殼，通過原位聚合直接制備含有石蠟微膠囊的PVA紡絲原液，再經(jīng)濕法紡絲得到石蠟/PVA調(diào)溫纖維[21]，相變焓值為45.39 J/g，具有優(yōu)良的儲能性及熱穩(wěn)定性。石墨烯聯(lián)盟(CGIA)紡織新材料及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究院采用成型良好的相變微膠囊(相變溫度控制在25℃左右)制備出中空石墨烯保溫聚丙烯纖維，再將該纖維以非織造絮片形式用于服裝填充，以滿足保暖需求。上海美纖智能科技有限公司將納米蓄熱膠囊注入紡絲原液，經(jīng)濕法紡絲制備具有自主吸熱-蓄熱-反饋熱性能蓄熱腈綸(傲綸)，用于保暖內(nèi)衣、防寒服、床品等。恒天海龍股份有限公司、青島邦特生態(tài)紡織科技有限公司等采用微膠囊技術(shù)分別研發(fā)出相變調(diào)溫再生纖維素纖維，在嬰童、襯衫、內(nèi)衣、T恤衫、家紡等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

此外，華中科技大學(xué)陶光明團(tuán)隊(duì)通過在纖維孔隙中填充相變材料制備出新型的相變調(diào)溫纖維。該纖維的制備方法是：以蠶絲、殼聚糖為紡絲原料，采用“冷凍紡絲”法制得具有多孔微結(jié)構(gòu)的纖維，再將相變材料聚乙二醇(PEG)填充在纖維內(nèi)的孔隙中。為防止PEG在液態(tài)時漏出，還需要在纖維上涂覆有機(jī)聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)。研究人員還將該纖維制成面料縫在聚酯手套上以測試其相變調(diào)溫性能。實(shí)驗(yàn)表明，在122 ℉(50 ℃)的條件下，PEG會融化成液體，并吸收周圍環(huán)境的熱量，給戴著手套的手降溫；在50 ℉(10 ℃)的條件下，PEG就會凝固并釋放出儲存的熱量，讓戴著手套的手變暖。

6 結(jié)語

新型保暖纖維的種類越來越豐富，為下游面料、服裝企業(yè)提供了更多原料選擇，即從纖維源頭上為終端產(chǎn)品注入創(chuàng)新活力。隨著2022年北京冬奧會的到來，人們將更加關(guān)注高效保暖輕便的冬季服裝，對保暖纖維的需求量也會大大增加。但關(guān)于保暖纖維及其在紡織服裝上的應(yīng)用仍然存在一些問題需要解決，例如：深入研究纖維的發(fā)熱機(jī)理，為今后新型纖維材料和新產(chǎn)品的研發(fā)提供理論參考；建立發(fā)熱纖維的評價體系及進(jìn)一步改善保暖持久性；充分考慮保暖纖維在紡紗、織造、印染等后道加工中的適用性；提高保暖纖維的經(jīng)濟(jì)性，降低保暖纖維的使用門檻；開發(fā)集抗靜電、防水透濕等多功能為一體的保暖纖維，以適應(yīng)更多復(fù)雜場景的需求等。目前來看，保暖纖維的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用雖然已經(jīng)有一定成果，但仍任重而道遠(yuǎn)，研究人員需要從上述方面出發(fā)，加大研發(fā)力度，不斷提升保暖纖維的應(yīng)用水平，讓保暖纖維切切實(shí)實(shí)走進(jìn)消費(fèi)市場中。