新型功能材料在紡織服裝中的應(yīng)用

文/張慢樂 楊群

我國是紡織服裝產(chǎn)品制造和出口大國，在制造方面占據(jù)市場規(guī)模優(yōu)勢，但在服裝設(shè)計(jì)方面存在嚴(yán)重短板，在新型功能材料開發(fā)上也沒有競爭力。隨著我國化學(xué)纖維生產(chǎn)產(chǎn)能的擴(kuò)張，常規(guī)產(chǎn)品面臨著激烈的市場競爭，化纖產(chǎn)品差別化和功能化成為企業(yè)在市場競爭中制勝的關(guān)鍵。新型功能性纖維材料以其差別性、特殊性和功能針對性，成為紡織產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。

我國是紡織服裝產(chǎn)品制造和出口大國，在制造方面占據(jù)市場規(guī)模優(yōu)勢，但在服裝設(shè)計(jì)方面存在嚴(yán)重短板，在新型功能材料開發(fā)上也沒有競爭力。隨著我國化學(xué)纖維生產(chǎn)產(chǎn)能的擴(kuò)張，常規(guī)產(chǎn)品面臨著激烈的市場競爭，化纖產(chǎn)品差別化和功能化成為企業(yè)在市場競爭中制勝的關(guān)鍵。新型功能性纖維材料以其差別性、特殊性和功能針對性，成為紡織產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。

本文總結(jié)近年來新型功能材料在紡織服裝中的最新應(yīng)用，分類歸納了不同類新型功能材料與紡織服裝相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步、應(yīng)用前景和工業(yè)化實(shí)例。

1 新型功能材料簡介

功能材料的定義：具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)功能和相互轉(zhuǎn)化功能的高技術(shù)材料。在國外，這類材料被稱為功能材料、精細(xì)材料或特種材料。在紡織領(lǐng)域，功能性材料除了具有普通布料所有的功能外，還具有防水、抗靜電、保溫和抗菌除臭等功能。

根據(jù)作用方式的差異，功能材料大致可分為光功能高分子材料、生物材料、熱力學(xué)材料和電磁材料。另外納米材料和石墨烯材料因分子尺寸和構(gòu)造的特殊性能而展現(xiàn)出有別于傳統(tǒng)功能材料的優(yōu)良性能，在紡織領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 紡織服裝領(lǐng)域的新型功能材料

2.1 光功能高分子材料

一種對光傳輸、吸收、儲存和轉(zhuǎn)換的高分子材料。光功能高分子材料主要包括光致變色材料和隱身材料。

光致變色材料：在一定波長光的照射下，能夠發(fā)生顏色變化的材料。它的原理是在一定波長光的照射下，化合物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，光的吸收峰值即顏色發(fā)生改變，并且這種改變一般是可逆的。把光致變色材料制作成涂層，可以應(yīng)用于很多產(chǎn)品中，如游泳衣、工作服、兒童服裝等。東華大學(xué)教授研制的光致變纖維，經(jīng)紫外線照射由無色變?yōu)樗{(lán)色，停止光照后變?yōu)闊o色，且具有良好的光照耐久性。

隱身材料主要有以下3種，紅外隱身材料、可見光隱身材料和激光隱身材料。在透過紅外線的粘結(jié)劑中，加入鋁粉和二價(jià)鐵離子，構(gòu)成紅外隱身涂料。金屬氧化物粉、鋁粉和有機(jī)物復(fù)合而成可見光隱身材料。紅外隱身材料有堅(jiān)固耐用、成本低廉和制造方便等優(yōu)點(diǎn)，成為近些年來發(fā)展最快的熱隱身材料。如美國的陸軍裝備研究司令部、澳大利亞國防科技組織的材料研究室、英國的BTRRLC公司材料系統(tǒng)部和瑞典的巴拉居達(dá)公司都已開發(fā)了第二代產(chǎn)品。

2.2 生物材料

與生命系統(tǒng)相接觸和發(fā)生相互作用的材料統(tǒng)稱為生物材料。生物材料分為天然材料、人工合成材料、單一材料、復(fù)合材料、活體細(xì)胞或天然組織與無生命的材料結(jié)合而成的雜化材料。人工合成材料的應(yīng)用已非常成熟，本文主要介紹新興的天然材料。

2.2.1 細(xì)菌材料

麻省理工學(xué)院BioLogic團(tuán)隊(duì)開展了新項(xiàng)目，用微生物為服裝增加科學(xué)功能。BioLogic團(tuán)隊(duì)使用納豆枯草芽孢桿菌，和松果一樣，納豆枯草芽孢桿菌根據(jù)空氣的濕度自動(dòng)膨脹和收縮。根據(jù)這個(gè)原理，BioLogic團(tuán)隊(duì)發(fā)明了稱為“第二皮膚”的新式服裝，此服裝隨穿著者體溫和濕度的增加膨脹而變得更加透氣。BioLogic團(tuán)隊(duì)把納豆枯草芽孢桿菌制成生物膜，與氨綸布料整合在一起，生物膜的形狀不一樣，效果也不同。而且，生物膜的透氣效果與濕度是成正比，當(dāng)濕度達(dá)到100%，生物膜會完全敞開，透氣達(dá)到最大化。

2.2.2 生物基材料

生物基纖維是用生物本身或者它的提取物制成的纖維。聚乳酸纖維是以玉米、甜菜、小麥等為原料，在力學(xué)性能、生物降解性、抗菌性和導(dǎo)濕排汗性等方面，聚乳酸纖維比傳統(tǒng)纖維表現(xiàn)出良好的性能。海藻酸鹽纖維以褐藻類植物為原料，這類纖維不但環(huán)保，且性能優(yōu)良。海藻酸鹽纖維是生產(chǎn)高吸濕性醫(yī)用敷料的原材料，因此在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價(jià)值。

2020年，國家發(fā)改委印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》，提出限塑時(shí)間表。以玉米、秸稈等加工而成的聚乳酸纖維很快被大眾知悉。聚乳酸纖維具有與人體皮膚相近的弱酸性，因此在內(nèi)衣和家紡等領(lǐng)域具有優(yōu)勢，但是還不成規(guī)模。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)ibFab項(xiàng)目開發(fā)了一種新的生物基化合物，該生物基化合物不但能夠滿足服裝領(lǐng)域?qū)w維的性能要求，而且適用于工業(yè)用纖維的生產(chǎn)。

2.2.3 生物抗菌材料

生物抗菌材料大多數(shù)是從動(dòng)植物材料里提煉而成，其主要有殼聚糖、桂皮油、羅漢柏油和魚精蛋白等，具有耐候性強(qiáng)、低毒性和使用安全等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是藥效持續(xù)時(shí)間短和耐熱性差。其中典型代表是殼聚糖。目前提出的殼聚糖抗菌機(jī)理有以下兩種：a.低分子量的殼聚糖分子入侵微生物細(xì)胞，阻礙微生物遺傳密碼DNA到RNA的復(fù)制；b.殼聚糖的氨基陽離子與構(gòu)成微生物細(xì)胞壁的唾液酸磷酯等陰離子相互吸引，束縛了陰離子的自由度。在紡織品生產(chǎn)過程中，賦予織物抗菌性能的殼聚糖用作后處理整理劑。據(jù)報(bào)道，縮水甘油三甲基氯化銨和甲殼素反應(yīng)生成季銨鹽，用季銨鹽處理后的短纖單絲具有抗菌性，對表皮葡萄球菌的滅菌率達(dá)到99.8%至100%。

2.3 熱力學(xué)材料

2.3.1 熱致變色材料

熱致變色材料是把液晶材料封閉在微膠囊之中，形成涂層制得。其原理是在面料內(nèi)附著直徑約為2μm的微膠囊，內(nèi)貯因溫度而變色的染料和液晶材料，這些微膠囊分散在液態(tài)樹脂粘合劑中，把它們涂在纖維上。

日本東麗株式會社把微膠囊和樹脂涂在基布上面，得到在低溫下顯色，在高溫下消色的織物。當(dāng)溫度達(dá)到0℃及以下，紡織物變成黑色，從而可以吸收陽光起到保暖作用，當(dāng)溫度達(dá)到5℃以上，紡織物變成白色，從而抑制對陽光的吸收。

2.3.2 保溫材料

早期的保溫材料是由于金屬具有反射性能，從而抑制熱量散發(fā)。鍍有金屬鋁的“金屬棉”有良好的保溫性能，但是有一些缺點(diǎn)，比如熱傳導(dǎo)強(qiáng)、缺乏著色性、透濕透氣性差和不能洗滌等。20世紀(jì)80年代開發(fā)了碳化鋯保溫纖維，其吸收可見光，反射紅外線。此材料吸收太陽光中95%的2μm以下波長的能源，通過熱轉(zhuǎn)換，能源被儲存在里面。人體產(chǎn)生紅外線，波長為10μm左右，將碳化鋯系化合物和高聚物混合紡織成纖維制成服裝，從人體散發(fā)的熱量被服裝反射，阻止熱量向外擴(kuò)散，起到保溫作用。

近年來，新型保溫材料主要有陽光蓄熱保溫纖維和遠(yuǎn)紅外纖維。美國3M公司制造的保溫纖維“新雪麗”，和傳統(tǒng)保溫材料相比，它非常保暖，厚度為1厘米，保暖性為羽絨的約1.5倍，是其他保溫材料的約兩倍。其功效是源于它的超細(xì)纖維，它的直徑是普通纖維的約十分之一，纖維間留存出更多的空氣，在同樣大的空間，有更多的纖維，因此非常保暖。同時(shí)，它的吸水量是自重的1%，在潮濕的環(huán)境中具有很好的保暖性。

2.3.3 溫控材料

其原理是物質(zhì)在相轉(zhuǎn)變的過程中，自動(dòng)釋放或者吸收熱量，使用充填法、浸軋法和微膠囊法將相變物質(zhì)處理到纖維或者纖維制品中。

把一種能貯存熱量并且在低溫的時(shí)候保持熱量的相變物質(zhì)制作成微膠囊加到高聚物溶液中，紡絲制成纖維，這就是微膠囊法。某些塑性晶體在固一固轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生熱變化，可以制作成塑性晶體類的溫控纖維。把季戊四醇加到中空纖維里或者用傳統(tǒng)涂層法處理到纖維織物上，賦予纖維所需的貯熱和釋熱性能。試驗(yàn)證明，改性后的尼龍纖維熱含量是改性前的3.5～4倍，改性后的聚丙烯纖維熱含量是改性前的2倍，將以上改性后的纖維制成溫控織物，溫度在5℃～100℃。把導(dǎo)電樹脂涂在織物表面，通過電流時(shí)織物會發(fā)熱，可通過調(diào)節(jié)電流大小和織物的密度來控制織物的溫度。日本東麗公司根據(jù)以上原理制成了一種雙層結(jié)構(gòu)的纖維織物，此織物被用在醫(yī)療加熱的被單、電熱地毯和車輛用的加溫墊等。

2.4 電磁材料

2.4.1 防輻射材料

防輻射服的防輻射材料主要有金屬纖維材質(zhì)和銀纖維材質(zhì)，由于銀纖維含量的不同銀纖維材質(zhì)分為半銀纖維材質(zhì)和全銀纖維材質(zhì)。全銀纖維材質(zhì)是由100%的銀纖維混紡優(yōu)質(zhì)棉織物制作而成。全銀纖維材質(zhì)不但具有防輻射性能，還具有很強(qiáng)的抗菌和除臭功效，是制作防輻射服的理想面料。

2.4.2 防靜電材料

防靜電面料的消電機(jī)理是基于電荷的泄放和中和。在接地的時(shí)候， 一方面導(dǎo)電纖維的電暈放電和面料上的靜電中和，另一方面經(jīng)導(dǎo)電纖維向大地泄放；不接地時(shí)，則由導(dǎo)電纖維的電暈放電來中和。

防靜電織物很多都是用導(dǎo)電纖維制作而成的，導(dǎo)電成分復(fù)合纖維使用較為廣泛。防靜電服裝廣泛應(yīng)用在電子、制藥、微生物、儀器等行業(yè)。

日本鐘紡公司公布了最新研究成果9R和BR系列。這是第二代導(dǎo)電纖維的代表。熔融態(tài)的尼龍和碳粉混合后經(jīng)噴絲孔和基體尼龍復(fù)合，形成雙組分導(dǎo)電纖維。雙組分導(dǎo)電纖維的優(yōu)勢在于不會因?yàn)槟Σ梁拖礈鞂?dǎo)致碳顆粒脫落，它有著良好的耐洗、抗彎曲和耐磨損等性能。其導(dǎo)電表面積越大，導(dǎo)電性越好。

2.5 石墨烯材料

石墨烯是導(dǎo)電性能極佳的新型納米材料，它具有極好的強(qiáng)度、柔韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和光學(xué)性質(zhì)，在物理、化學(xué)、環(huán)境、材料和能源等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。

把石墨烯加入到人造纖維溶液中或者附著在纖維上，制成石墨烯纖維。石墨烯纖維有非常好的導(dǎo)電性、保暖性和抑菌性，和棉織物一樣吸濕透氣，穿著親膚舒適。夏季可抵擋紫外線。石墨烯纖維還可與棉、莫代爾和粘膠纖維混紡，用于制作高檔的服裝、運(yùn)動(dòng)裝、襪子和嬰兒服裝。石墨烯纖維還可以做棉被、睡袋和羽絨服等的填充物。

2.6 納米材料

納米粒子是指粒徑在0.1mm～100mm間的微粒。納米粒子在光學(xué)、催化、化學(xué)、磁性、蒸汽壓、相變溫度和超導(dǎo)等方面表現(xiàn)出特殊的性能，近年來，越來越多地將納米材料應(yīng)用在服裝的生產(chǎn)中，納米服裝具有防水、防油和防塵的性能。納米級的微粒覆蓋在纖維表面或者鑲嵌在纖維甚至分子間隙間，由于微粒小、表面積大和表面能高，在物質(zhì)表面形成均勻的、極薄的“氣霧狀”保護(hù)層，正是由于保護(hù)層的存在，使常溫下大于100nm的水滴、油滴、塵埃、污漬甚至細(xì)菌都很難進(jìn)到布料的內(nèi)部。同時(shí)，由于形成保護(hù)層的納米級微粒極其微小，不會改變原布料的舒適度和透氣性等。

3 總結(jié)

新型功能材料特異性突出，往往針對極端的環(huán)境研發(fā)，用在紡織服裝領(lǐng)域面臨使用環(huán)境單一、使用條件嚴(yán)苛、高成本和高消耗的窘境。在研發(fā)方面初始投入很大，大部分技術(shù)尚不成熟，目前大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化率較低。

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)市場對服裝安全、舒適和時(shí)尚性提出更高的要求，新型功能材料在紡織服裝領(lǐng)域的市場不斷擴(kuò)大。服裝設(shè)計(jì)方面更依賴新型功能材料的開發(fā)。尤其是智能穿戴概念的興起，復(fù)合材料越來越為纖維制品生產(chǎn)商所接受，一方面提供了更多的功能選擇，另一方面纖維紡織品結(jié)構(gòu)的多層設(shè)計(jì)帶來了更加舒適的消費(fèi)體驗(yàn)。技術(shù)和時(shí)尚完美融合于現(xiàn)代社會的日常生活中。