智能纖維的生產(chǎn)及其發(fā)展前景

張?jiān)埔?/p>

（天津工業(yè)大學(xué),天津 300160）

智能纖維的生產(chǎn)及其發(fā)展前景

張?jiān)埔?/p>

（天津工業(yè)大學(xué),天津 300160）

將智能纖維就其功能性分為六大類(lèi),并分別詳細(xì)地介紹了各種智能纖維的制備方法、功能及其實(shí)現(xiàn)機(jī)理,對(duì)由這些纖維制成的部分智能紡織品也進(jìn)行了介紹,同時(shí)對(duì)智能紡織品的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

智能纖維;智能紡織品;生產(chǎn);發(fā)展

智能紡織品,是指對(duì)外界刺激具有感知能力或兼具反應(yīng)能力的紡織品。智能纖維是集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體,具備自感知、自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)等智能性功能的纖維。智能紡織品可以由智能纖維經(jīng)紡紗、織造獲得,也可將其他智能材料復(fù)合到紡織品上,使紡織品獲得智能性,本文從智能纖維的角度分六類(lèi)介紹智能纖維及智能紡織品。

1 壓敏智能纖維及其智能紡織品

1.1 壓敏智能纖維的制備技術(shù)

熔融—凝膠法制備壓電陶瓷纖維的技術(shù)較為成熟,可制成直徑在30μm以下的纖維。利用這種纖維中的壓電晶體粉末受外力作用后發(fā)生壓電效應(yīng),壓電效應(yīng)產(chǎn)生的極化電荷與空氣接觸可以電離空氣從而產(chǎn)生負(fù)氧離子,可以使纖維具有良好的消除疲勞、抗菌、防臭性能。

1.2 壓敏智能紡織品

1.2.1 熔融—凝膠法制備的壓電陶瓷纖維

應(yīng)用此技術(shù),麥滿(mǎn)芳發(fā)明了 PZT（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷）纖維。PZT與其他種類(lèi)的壓電陶瓷相比,壓電系數(shù)更大,居里溫度在300 ℃以上,各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小,時(shí)間穩(wěn)定性好,廣泛應(yīng)用于壓電復(fù)合材料。

1.2.2 壓敏粘合纖維

多層結(jié)構(gòu)的壓敏粘合纖維是一種含有共聚單體的丙烯酸酯共聚物的混合組分的新型纖維。用熔紡的紡粘法或熔噴法,可制得直徑約為50μm的纖維。在紡粘法工藝中,這種纖維先被擠出制成一種非粘結(jié)的纖網(wǎng),再被粘結(jié)。在熔噴法工藝中,纖維在被拉長(zhǎng)之前先高速運(yùn)行穿過(guò)噴絲孔經(jīng)噴氣噴吹,再被收集在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓筒上,成為自熔粘結(jié)纖網(wǎng)。熔紡工藝常會(huì)造成聚合物分子量降低,而壓敏粘合材料尤為突出,會(huì)造成纖維粘結(jié)強(qiáng)度下降,用一種丙烯酸酯共聚物作為纖維的結(jié)構(gòu)組分可以解決這個(gè)問(wèn)題。丙烯酸酯共聚物纖維可以成為單官能自由基可共聚的單體,其均聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于烷基（甲基）丙烯酸酯單體制成的聚合物的玻璃化溫度,這樣就有效地增加了纖維的粘結(jié)強(qiáng)度。

2 形狀記憶智能纖維及其智能紡織品

所謂“形狀記憶”,是指具有某一原始形狀的制品,發(fā)生形變后,在特定的外界條件下,如加熱等外部刺激手段,又可使其恢復(fù)初始形狀的現(xiàn)象。

2.1 形狀記憶智能纖維的制備技術(shù)

由形狀記憶聚氨酯制備的形狀記憶纖維是先在溶劑如甲苯、二甲亞砜（DM SO）、N,N-二甲基甲酰胺（DM F）或甲基異丁基甲酮（M IBK）等極性溶劑中,讓聚合多元醇和二異氰酸酯預(yù)先反應(yīng)生成端氰酸酯基預(yù)聚體,然后再進(jìn)行擴(kuò)鏈、聚合等步驟從而生成聚氨酯;在得到的聚氨酯中加入封端劑,得到封端的形狀記憶聚氨酯,然后紡絲制備得到形狀記憶纖維。此形狀記憶纖維溫度調(diào)節(jié)范圍極寬,其在彈性、強(qiáng)力以及形狀記憶性能等方面具有很好的實(shí)用性能,并且手感舒適,可單獨(dú)紡,也可與其它合成纖維、天然纖維混紡,在紡織服裝、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2.2 形狀記憶智能紡織品

用SM聚合物（形狀記憶聚氨酯 Shapw Memory Polyurethame）紡制成的SM纖維,其斷裂強(qiáng)度可達(dá)0.9～1.4 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率30%～200%,線密度 44～77 dtex,轉(zhuǎn)變溫度 50～60℃,形狀記憶固定率85%～95%,形狀記憶恢復(fù)率90%～100%,用環(huán)錠紡或摩擦紡制成的 SM包芯紗,其中SM纖維成分為45%,斷裂強(qiáng)度分別可達(dá)2.3和1.6 cN/tex,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)260%,SM固定率分別為97.5%和94.5%,SM恢復(fù)率分別為86%和87%。

香港理工大學(xué)形狀記憶紡織品中心研發(fā)的SM織物對(duì)溫度敏感,在施加外部熱刺激下可由變形形態(tài)恢復(fù)到原初形態(tài)。

3 溫敏智能纖維及其智能紡織品

纖維的某些性能隨溫度改變而發(fā)生可逆變化的纖維成為溫敏纖維。

3.1 溫敏智能纖維的制備技術(shù)

3.1.1 中空纖維填充法

在織造前,將M icro-PCM（微膠囊包覆石蠟類(lèi)相變材料）填充到中空纖維的中空部分,利用特殊方法將中空部分密封,再用樹(shù)脂將纖維進(jìn)行包覆,防止相變膠囊外泄,利用相變材料的可逆蓄熱和防熱性能,可以達(dá)到持久調(diào)溫效果。采用中空纖維填充法生產(chǎn)智能調(diào)溫紡織品所用相變材料有無(wú)機(jī)水合鹽、聚乙二醇、塑晶物質(zhì)等。

3.1.2 紡絲法

將含有M icro-PCM的紡絲組分作為島或芯組分,聚酯、丙綸等作為皮組分進(jìn)行紡絲或?qū) icro-PCM直接分散在紡絲溶液或熔體內(nèi)制備耐久效果更好的相變纖維,現(xiàn)階段主要應(yīng)用溶液紡絲和熔融紡絲技術(shù)。目前研究的熱點(diǎn)為采用熔融紡絲工藝。

3.1.3 泡沫法

使用水吹法可以得到柔軟的泡沫材料,雖然蓄熱調(diào)溫微膠囊均勻分布,增重約35%～48%,但撕破強(qiáng)力很低,通常做服裝襯里比較合適。

3.2 溫敏智能紡織品

空調(diào)纖維的調(diào)溫原理是利用能吸收儲(chǔ)存和釋放熱量的熱敏相變材料碳?xì)浠c,采用微膠囊技術(shù),將其植入纖維內(nèi),制成一種新型的智能纖維Outlast空調(diào)纖維。Outlast公司科研人員在粘膠纖維中摻入Outlast微膠囊,開(kāi)發(fā)出了Outlast粘膠型空調(diào)纖維。該纖維適用于貼身內(nèi)衣等針織服裝,也適用于襯衫、罩衫和褲子等梭織服裝,另外Outlast粘膠纖維還適用于床單、毯子、被單和床墊布。

河北吉藁化纖有限責(zé)任公司協(xié)同北京巨龍博方科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的絲維爾 TM智能空調(diào)纖維其作用機(jī)理同Outlast空調(diào)纖維也十分相似。

4 納米技術(shù)智能纖維及其智能紡織品

4.1 碳納米管改性纖維的制備技術(shù)

碳納米管是在納米水平上操縱碳原子制成的超細(xì)材料,數(shù)萬(wàn)根碳納米管并排起來(lái)也就一根頭發(fā)絲那么粗。在不需要附加任何電子設(shè)備的前提下,將普通的棉線放入碳納米管溶液當(dāng)中反復(fù)浸漬,再使其干燥。由于碳納米管具有良好的導(dǎo)電性,如此幾次之后,棉纖維就具有了導(dǎo)電性。而且吸附了碳納米管的棉纖維干燥之后,無(wú)論對(duì)其加熱或使用溶劑都不能將碳納米管分離出來(lái)。這表明加入的碳納米管起到了保證涂層穩(wěn)定的作用。此外,碳納米管的親水性也能保證紡織品穿著的舒適性。

4.2 納米智能紡織品

4.2.1 碳納米管改性纖維制備的智能紡織品

利用這種纖維（直徑在20μm左右）紡制出的紗線具備引導(dǎo)電流的功能,它能從電池中導(dǎo)出功率,讓二極管照明設(shè)備發(fā)光。這種智能紗線做成的面料可以用于高風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。一名身處危險(xiǎn)的警察,一名在工作中受傷的消防員,一名在前線受傷的戰(zhàn)士,他們可能無(wú)法發(fā)出求救信息,但是,利用智能紗線制成的服裝就能夠做到這一點(diǎn)。可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)服裝,儲(chǔ)存能源,這些能源可以啟動(dòng)小型電子設(shè)備,移動(dòng)電話(huà)或任何其他形式的附帶在服裝上的通信設(shè)備,把信息傳輸給一個(gè)指揮所。它也可以用在監(jiān)視健康的服裝上。

4.2.2 具有“選擇性傳輸”的納米智能紡織品

將納米層附著在天然纖維上,這些納米層的厚度僅為20 nm,由不同種類(lèi)的聚合體構(gòu)成,能夠?qū)νㄟ^(guò)的物質(zhì)進(jìn)行控制,這一過(guò)程被稱(chēng)為“選擇性傳輸”。這些納米層都是針對(duì)不同的化學(xué)物質(zhì)量身定做的。在阻止芥子氣、神經(jīng)毒氣、或工業(yè)化學(xué)制品通過(guò)的同時(shí),可以允許空氣、水分的通過(guò)來(lái)保持面料的透氣性。這一納米智能紡織品技術(shù)有大量潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。比如,涂有關(guān)節(jié)炎藥物的手套;具有抗菌層、可防止傷口感染的軍事制服;潛水艇艙位中的抗菌被褥,用于防止疾病傳播;針對(duì)多種化學(xué)和生物毒劑的防護(hù)衣;涂有抗癢聚合高分子電解質(zhì)的尿布和涂有抗敏藥物的衛(wèi)生紙。

5 p H響應(yīng)性凝膠智能纖維的制備技術(shù)

自從1978年 Tanaka發(fā)現(xiàn) PAAm（聚丙烯酰胺）水凝膠在V/V（水/丙酮）比例為一定值時(shí)存在相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象后,凝膠的研究就引起了相關(guān)科研工作者的廣泛關(guān)注。p H響應(yīng)性凝膠纖維是隨p H值的變化而產(chǎn)生體積或形態(tài)改變的凝膠纖維。

在40℃下,將紡絲原液真空脫泡,將紡絲原液擠入飽和Na2SO4凝固浴,凝固浴中加入1%（體積分?jǐn)?shù)）戊二醛水溶液和2.5%（體積分?jǐn)?shù)）硫酸。14 h后從20℃恒溫的凝固浴中取出絲條并將其長(zhǎng)度拉伸至初生纖維原長(zhǎng)的3倍,然后在室溫干燥24 h,制得干態(tài) HPAN/Ge（堿解聚丙烯腈/明膠）水凝膠纖維。實(shí)驗(yàn)表明 HPAN/Ge水凝膠纖維具有很快的響應(yīng)速度,其響應(yīng)時(shí)間隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少,其智能性更為突出。

6 光響應(yīng)智能紡織品介紹

在光的作用下,紡織品的某些性能,如顏色、力學(xué)性能等發(fā)生可逆變化,稱(chēng)為光響應(yīng)智能紡織品。這種紡織品目前在日本、美國(guó)有生產(chǎn),一般是在合成纖維生產(chǎn)過(guò)程中加入少量的蓄光劑（主要成分為氧化鉛和一些稀土元素,平均粒度在2～3 μm）。產(chǎn)品經(jīng)光線照射10～20 min,即可持續(xù)發(fā)光8～10 h,顏色有黃、綠、藍(lán)等,多種多樣。如美國(guó)Beaverindustries和 Glo～Tech兩大公司就分別以 Glosafety和 Glo～Tech商標(biāo)名出售其自發(fā)光產(chǎn)品。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步及多學(xué)科的相互交叉、滲透和融合,智能纖維正在向著高功能、高附加值的方向發(fā)展,它的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)新的領(lǐng)域。它在提高人們的生活質(zhì)量,改善人們的勞動(dòng)條件,增加服裝舒適性,滿(mǎn)足某些特殊行業(yè)和特殊場(chǎng)合的需要等方面正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。智能紡織品的加工技術(shù)也在不斷地深入,相信在不遠(yuǎn)的將來(lái),其品種會(huì)越來(lái)越豐富,應(yīng)用范圍也將越來(lái)越廣。

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Production and Development Prospects of Intelligent Fibre

ZHANG Yun-yi
（Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China）

The intelligent textiles w ere divided into six catego ries.The p reparation methods,functions and realization mechanism of various intelligent fibres were introduced in detail,as well as the intelligent textilesmade from those fibres.The developing Trend of intelligent textilesw ere exp lo red.

intelligent fibre;intelligent textiles;p roduction;development

TS102.5

A

1009-3028（2010）02-0044-03

2009-12-29

張?jiān)埔荩?987—）,男,天津人,學(xué)士。