多功能纖維材料的發(fā)展與展望

席滿意　周艷青　伍家衛(wèi)　楊興鍇　馬庭洲　王春磊　李昊遠

摘要：介紹了多種傳統(tǒng)纖維材料如天然纖維、化學(xué)纖維、金屬纖維、碳纖維等多方面的最新應(yīng)用，論述了纖維材料在阻燃、抗菌、抗紫外、熱管理與可穿戴新型多功能領(lǐng)域的發(fā)展，綜述了近年來功能纖維材料的最新研究進展，并對其在今后的發(fā)展應(yīng)用前景進行展望，多功能纖維材料朝著功能化、智能化與電子化方向快速發(fā)展，并在能源、環(huán)保、智能、可穿戴甚至對我國的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)升級都有至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：纖維材料? 阻燃? 抗菌? 抗紫外? 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TS106.6 文獻標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Development and Prospect of Multifunctional Fiber Materials

XI Manyi? ZHOU Yanqing? WU Jiawei? YANG Xingkai? MA Tingzhou? WANG Chunlei

LI? Haoyuan

（Lanzhou Petrochemical? University of Vocational Technical，Lanzhou，Gansu Province， 730060 China）

Abstract： Introduced a variety of traditional fiber materials such as natural fiber， chemical fiber， metal fiber， carbon fiber， many new applications， such as fiber materials are discussed in the flame retardant， antibacterial， ultraviolet resistant， thermal management and wearable new developments in the field of multi-function， in recent years were reviewed the latest research progress of functional fiber materials， and the application prospect of the development of in the future， Multi-functional fiber materials are developing rapidly in the direction of functionalization， intelligence and electronization， and play a vital role in energy， environmental protection， intelligence， wearable and even in China's industrial transformation and industrial upgrading.

KeyWords：Fiber material;Flame retardant;Antibacterial;Uv resistance;The development trend

纖維材料一般具有大長徑比（>500）、小直徑（<100μm），并且在某種程度上具有較強抗拉性與柔性[1]。提到纖維材料，人們最常想到的是天然纖維材料與化學(xué)纖維材料兩類。天然纖維的使用具有悠久的歷史，主要包括棉纖維、絲綢、木纖維等。盡管它們具有良好的柔韌性和力學(xué)性能，但仍然難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求與多樣化需要?；瘜W(xué)纖維的發(fā)展歷史雖然不長，但已經(jīng)成為纖維材料家族中極其重要的一部分。自1935年Carothers首次合成聚己二酰己二胺纖維（尼龍66）并成功實現(xiàn)工業(yè)化，化學(xué)纖維進入了高速發(fā)展階段[2]。隨后，新型高分子材料如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維（PET）、聚酰胺纖維（PA）、聚酰亞胺（PI）纖維[3]、聚乙烯醇纖維（PVA）、聚丙烯纖維（PP）、聚丙烯腈纖維（PAN）、聚氨酯纖維（PU）、聚四氟乙烯纖維（PTFE）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纖維（SBS）[4]等。化纖材料的發(fā)展極大地滿足了人們的生產(chǎn)與生活需要，并極大地提高了人們的生活質(zhì)量與生活水平，同時這些傳統(tǒng)纖維材料在新世紀(jì)也得到了快速發(fā)展。

進入21世紀(jì)后，金屬纖維與碳質(zhì)纖維得到迅猛發(fā)展，使得纖維材料在導(dǎo)電 [5]、熱管理[6]、電磁屏蔽[7]等多種方向得到進一步研究與應(yīng)用。纖維材料更是朝著功能化與智能化方向迅速邁進，在儲能、能源轉(zhuǎn)化、傳感器等方面都一展身手并得到了大量研究與應(yīng)用。因此，該文簡單介紹了傳統(tǒng)纖維材料的最新發(fā)展，綜述了近幾年纖維材料在阻燃、抗菌、抗輻射、熱管理與可穿戴方面的發(fā)展，并對纖維材料未來的發(fā)展與應(yīng)用前景進行展望。

1傳統(tǒng)纖維材料

傳統(tǒng)纖維材料是人們接觸最多的材料，可以分為天然纖維、化學(xué)纖維、金屬纖維與碳纖維四類。進入新世紀(jì)后，傳統(tǒng)纖維材料的研究與利用也逐漸轉(zhuǎn)向功能化、智能化方向。

1.1天然纖維

天然纖維包含棉、麻、絲、毛等，在人類早期的發(fā)展史上具有重要的地位。最近的研究表明，棉纖維與絲綢纖維已在光纖太陽能電池、超級電容器、傳感器[8]、儲能[9]等方面得到應(yīng)用，但需要對天然纖維進行一些處理。

1.2化學(xué)纖維

化學(xué)纖維又稱高分子纖維，是高分子材料的重要一類。隨著科技發(fā)展，化學(xué)纖維正在從傳統(tǒng)家紡織品逐漸拓展到新能源等尖端領(lǐng)域。聚合物纖維可采用熔融紡絲 、溶液紡絲、液晶紡絲、凝膠紡絲、共混紡絲等多種制備方法。使用熔融紡絲制備工藝對高分子纖維有一定的要求，以PET為例做簡要介紹：熔融紡絲需要聚合物的熔點低于分解溫度、分子量較大、加工溫度寬、熔體流動指數(shù)適宜等，在200℃左右對PET顆粒干燥，260℃～290℃熔化、過濾后從直徑0.9 mm的噴絲板中擠出，再使用水射流和空氣淬火得到PET纖維。由于化纖具有很強的柔性與拉伸性能，可制備可拉伸的電子設(shè)備。

1.3金屬纖維

金屬纖維又稱金屬線，與其他纖維相比具有突出的導(dǎo)電性能。金屬纖維可以由銅、鉑、金、鈦等材料進行制備，可用于紡織、電子產(chǎn)品、能源、環(huán)保等領(lǐng)域。Gu X Y等[10]將還原氧化石墨烯（rGO）與P25-TiO2納米顆粒（NP）結(jié)合制備纖維狀染料敏化太陽能電池（FDSSCs）。實驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DSSCs的短路電流密度從8.344 mA/cm2增加到12.935 mA/cm2，開路電壓從0.775V增加到0.798 V，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）從3.940%提升到5.364%。

1.4碳纖維

碳纖維主要由碳原子組成，通過聚合物纖維的炭化和石墨化制作完成的，具有重量輕、導(dǎo)電性好、機械強度高、環(huán)境穩(wěn)定等優(yōu)點。

2纖維的功能性

隨著社會發(fā)展的需要，人們希望纖維材料具有更強大的功能性，纖維材料的功能化利用受到持續(xù)關(guān)注。該節(jié)主要從阻燃、抗菌、抗紫外、熱管理、可穿戴這5個前沿研究與應(yīng)用進行探討。

2.1阻燃纖維材料

天然纖維與化學(xué)纖維都是有機成分，很容易在高溫條件下燃燒產(chǎn)生很大的人員損失與財產(chǎn)損失。正因為纖維材料的可燃性，限制了其在電子、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，賦予纖維材料阻燃性能顯得尤為重要。

2.2 抗菌纖維材料

現(xiàn)代生活中人們都致力于健康的生活方式，而具有抗菌作用的纖維織物無疑具有很大的消費市場。一些有機抗菌劑（包括?；桨奉悺⑦溥蝾?、噻唑類等）得到應(yīng)用。但無機金屬氧化物，例如：ZnO，MgO ，TiO2 、CuO、Fe3O4由于其穩(wěn)定性、堅固性、保存期長和更小的細胞毒性，得到了越來越多的應(yīng)用。

2.3 抗紫外纖維材料

太陽光的紫外線在長時間條件下不僅會使織物老化，也使得人的皮膚被紫外線所傷。經(jīng)過特殊處理的織物具有更長效、更強的抗紫外線性能。

2.4熱管理纖維材料

人類的社會活動中，大量的能源消耗在人體對舒適溫度的需求上。紡織纖維材料是人體與環(huán)境相互接觸的界面，開發(fā)具有熱管理的纖維紡織材料不僅可以節(jié)約大量的能源消耗，同時也可以提高人體的舒適度進而提高工作效率。

2.5可穿戴纖維材料

柔性可穿戴纖維材料是中國智能制造的主要發(fā)展方向，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的重要方式與途徑。隨著碳納米導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電高聚物纖維等新型材料的不斷發(fā)展，使得電子原件具有了柔性，甚至可以與輕型紡織品結(jié)合具有了很好的穿戴體驗。雖然新興的可拉伸電子傳感器已被證明是有前途的可穿戴功能設(shè)備，但在實現(xiàn)高度可伸縮和自供電的光纖式傳感器方面仍然存在挑戰(zhàn)。

3結(jié)語

進入新世紀(jì)后纖維材料得到了迅速發(fā)展，早已改變了人們對纖維固有的看法，正在朝著功能化、智能化與電子化方向快速發(fā)展，并在能源、環(huán)保、智能、可穿戴甚至對我國的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)升級都有至關(guān)重要的作用。但是，功能纖維的發(fā)展需要結(jié)合各種科學(xué)技術(shù)學(xué)科，并與人工智能、大數(shù)據(jù)、電子皮膚、軟機器人等多種前沿研究相關(guān)聯(lián)?？梢灶A(yù)見，在未來這些新科技的發(fā)展與應(yīng)用過程中，功能纖維材料一定不會缺席并擔(dān)任重要的角色。

參考文獻

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基金項目：甘肅省科技重點研發(fā)計劃項目《改性脂肪族石油樹脂生產(chǎn)工藝研究》（項目編號：19YF3GA002）;甘肅省高等學(xué)校產(chǎn)業(yè)支撐計劃項目《C5/C9共聚氫化石油樹脂工藝開發(fā)研究》（項目編號：2020C-33）。

通訊作者簡介：席滿意（1984—），男，碩士，講師，從事化學(xué)工藝及材料的研究，E-mail：1076552318@qq.com。