智能纤维的生产及其发展前景

张云逸

（天津工业大学,天津 300160）

智能纤维的生产及其发展前景

张云逸

（天津工业大学,天津 300160）

将智能纤维就其功能性分为六大类,并分别详细地介绍了各种智能纤维的制备方法、功能及其实现机理,对由这些纤维制成的部分智能纺织品也进行了介绍,同时对智能纺织品的发展方向进行了展望。

智能纤维;智能纺织品;生产;发展

智能纺织品,是指对外界刺激具有感知能力或兼具反应能力的纺织品。智能纤维是集感知、驱动和信息处理于一体,具备自感知、自适应、自诊断、自修复等智能性功能的纤维。智能纺织品可以由智能纤维经纺纱、织造获得,也可将其他智能材料复合到纺织品上,使纺织品获得智能性,本文从智能纤维的角度分六类介绍智能纤维及智能纺织品。

1 压敏智能纤维及其智能纺织品

1.1 压敏智能纤维的制备技术

熔融—凝胶法制备压电陶瓷纤维的技术较为成熟,可制成直径在30μm以下的纤维。利用这种纤维中的压电晶体粉末受外力作用后发生压电效应,压电效应产生的极化电荷与空气接触可以电离空气从而产生负氧离子,可以使纤维具有良好的消除疲劳、抗菌、防臭性能。

1.2 压敏智能纺织品

1.2.1 熔融—凝胶法制备的压电陶瓷纤维

应用此技术,麦满芳发明了 PZT（锆钛酸铅系压电陶瓷）纤维。PZT与其他种类的压电陶瓷相比,压电系数更大,居里温度在300 ℃以上,各项机电参数受温度影响小,时间稳定性好,广泛应用于压电复合材料。

1.2.2 压敏粘合纤维

多层结构的压敏粘合纤维是一种含有共聚单体的丙烯酸酯共聚物的混合组分的新型纤维。用熔纺的纺粘法或熔喷法,可制得直径约为50μm的纤维。在纺粘法工艺中,这种纤维先被挤出制成一种非粘结的纤网,再被粘结。在熔喷法工艺中,纤维在被拉长之前先高速运行穿过喷丝孔经喷气喷吹,再被收集在一个转动的圆筒上,成为自熔粘结纤网。熔纺工艺常会造成聚合物分子量降低,而压敏粘合材料尤为突出,会造成纤维粘结强度下降,用一种丙烯酸酯共聚物作为纤维的结构组分可以解决这个问题。丙烯酸酯共聚物纤维可以成为单官能自由基可共聚的单体,其均聚物的玻璃化转变温度高于烷基（甲基）丙烯酸酯单体制成的聚合物的玻璃化温度,这样就有效地增加了纤维的粘结强度。

2 形状记忆智能纤维及其智能纺织品

所谓“形状记忆”,是指具有某一原始形状的制品,发生形变后,在特定的外界条件下,如加热等外部刺激手段,又可使其恢复初始形状的现象。

2.1 形状记忆智能纤维的制备技术

由形状记忆聚氨酯制备的形状记忆纤维是先在溶剂如甲苯、二甲亚砜（DM SO）、N,N-二甲基甲酰胺（DM F）或甲基异丁基甲酮（M IBK）等极性溶剂中,让聚合多元醇和二异氰酸酯预先反应生成端氰酸酯基预聚体,然后再进行扩链、聚合等步骤从而生成聚氨酯;在得到的聚氨酯中加入封端剂,得到封端的形状记忆聚氨酯,然后纺丝制备得到形状记忆纤维。此形状记忆纤维温度调节范围极宽,其在弹性、强力以及形状记忆性能等方面具有很好的实用性能,并且手感舒适,可单独纺,也可与其它合成纤维、天然纤维混纺,在纺织服装、生物医用材料等领域有着广泛应用。

2.2 形状记忆智能纺织品

用SM聚合物（形状记忆聚氨酯 Shapw Memory Polyurethame）纺制成的SM纤维,其断裂强度可达0.9～1.4 cN/dtex,断裂伸长率30%～200%,线密度 44～77 dtex,转变温度 50～60℃,形状记忆固定率85%～95%,形状记忆恢复率90%～100%,用环锭纺或摩擦纺制成的 SM包芯纱,其中SM纤维成分为45%,断裂强度分别可达2.3和1.6 cN/tex,断裂伸长率达260%,SM固定率分别为97.5%和94.5%,SM恢复率分别为86%和87%。

香港理工大学形状记忆纺织品中心研发的SM织物对温度敏感,在施加外部热刺激下可由变形形态恢复到原初形态。

3 温敏智能纤维及其智能纺织品

纤维的某些性能随温度改变而发生可逆变化的纤维成为温敏纤维。

3.1 温敏智能纤维的制备技术

3.1.1 中空纤维填充法

在织造前,将M icro-PCM（微胶囊包覆石蜡类相变材料）填充到中空纤维的中空部分,利用特殊方法将中空部分密封,再用树脂将纤维进行包覆,防止相变胶囊外泄,利用相变材料的可逆蓄热和防热性能,可以达到持久调温效果。采用中空纤维填充法生产智能调温纺织品所用相变材料有无机水合盐、聚乙二醇、塑晶物质等。

3.1.2 纺丝法

将含有M icro-PCM的纺丝组分作为岛或芯组分,聚酯、丙纶等作为皮组分进行纺丝或将M icro-PCM直接分散在纺丝溶液或熔体内制备耐久效果更好的相变纤维,现阶段主要应用溶液纺丝和熔融纺丝技术。目前研究的热点为采用熔融纺丝工艺。

3.1.3 泡沫法

使用水吹法可以得到柔软的泡沫材料,虽然蓄热调温微胶囊均匀分布,增重约35%～48%,但撕破强力很低,通常做服装衬里比较合适。

3.2 温敏智能纺织品

空调纤维的调温原理是利用能吸收储存和释放热量的热敏相变材料碳氢化钠,采用微胶囊技术,将其植入纤维内,制成一种新型的智能纤维Outlast空调纤维。Outlast公司科研人员在粘胶纤维中掺入Outlast微胶囊,开发出了Outlast粘胶型空调纤维。该纤维适用于贴身内衣等针织服装,也适用于衬衫、罩衫和裤子等梭织服装,另外Outlast粘胶纤维还适用于床单、毯子、被单和床垫布。

河北吉藁化纤有限责任公司协同北京巨龙博方科学技术研究院研发的丝维尔 TM智能空调纤维其作用机理同Outlast空调纤维也十分相似。

4 纳米技术智能纤维及其智能纺织品

4.1 碳纳米管改性纤维的制备技术

碳纳米管是在纳米水平上操纵碳原子制成的超细材料,数万根碳纳米管并排起来也就一根头发丝那么粗。在不需要附加任何电子设备的前提下,将普通的棉线放入碳纳米管溶液当中反复浸渍,再使其干燥。由于碳纳米管具有良好的导电性,如此几次之后,棉纤维就具有了导电性。而且吸附了碳纳米管的棉纤维干燥之后,无论对其加热或使用溶剂都不能将碳纳米管分离出来。这表明加入的碳纳米管起到了保证涂层稳定的作用。此外,碳纳米管的亲水性也能保证纺织品穿着的舒适性。

4.2 纳米智能纺织品

4.2.1 碳纳米管改性纤维制备的智能纺织品

利用这种纤维（直径在20μm左右）纺制出的纱线具备引导电流的功能,它能从电池中导出功率,让二极管照明设备发光。这种智能纱线做成的面料可以用于高风险专业领域。一名身处危险的警察,一名在工作中受伤的消防员,一名在前线受伤的战士,他们可能无法发出求救信息,但是,利用智能纱线制成的服装就能够做到这一点。可以根据需要设计服装,储存能源,这些能源可以启动小型电子设备,移动电话或任何其他形式的附带在服装上的通信设备,把信息传输给一个指挥所。它也可以用在监视健康的服装上。

4.2.2 具有“选择性传输”的纳米智能纺织品

将纳米层附着在天然纤维上,这些纳米层的厚度仅为20 nm,由不同种类的聚合体构成,能够对通过的物质进行控制,这一过程被称为“选择性传输”。这些纳米层都是针对不同的化学物质量身定做的。在阻止芥子气、神经毒气、或工业化学制品通过的同时,可以允许空气、水分的通过来保持面料的透气性。这一纳米智能纺织品技术有大量潜在的应用领域。比如,涂有关节炎药物的手套;具有抗菌层、可防止伤口感染的军事制服;潜水艇舱位中的抗菌被褥,用于防止疾病传播;针对多种化学和生物毒剂的防护衣;涂有抗痒聚合高分子电解质的尿布和涂有抗敏药物的卫生纸。

5 p H响应性凝胶智能纤维的制备技术

自从1978年 Tanaka发现 PAAm（聚丙烯酰胺）水凝胶在V/V（水/丙酮）比例为一定值时存在相转变现象后,凝胶的研究就引起了相关科研工作者的广泛关注。p H响应性凝胶纤维是随p H值的变化而产生体积或形态改变的凝胶纤维。

在40℃下,将纺丝原液真空脱泡,将纺丝原液挤入饱和Na2SO4凝固浴,凝固浴中加入1%（体积分数）戊二醛水溶液和2.5%（体积分数）硫酸。14 h后从20℃恒温的凝固浴中取出丝条并将其长度拉伸至初生纤维原长的3倍,然后在室温干燥24 h,制得干态 HPAN/Ge（碱解聚丙烯腈/明胶）水凝胶纤维。实验表明 HPAN/Ge水凝胶纤维具有很快的响应速度,其响应时间随着明胶质量分数的增加而减少,其智能性更为突出。

6 光响应智能纺织品介绍

在光的作用下,纺织品的某些性能,如颜色、力学性能等发生可逆变化,称为光响应智能纺织品。这种纺织品目前在日本、美国有生产,一般是在合成纤维生产过程中加入少量的蓄光剂（主要成分为氧化铅和一些稀土元素,平均粒度在2～3 μm）。产品经光线照射10～20 min,即可持续发光8～10 h,颜色有黄、绿、蓝等,多种多样。如美国Beaverindustries和 Glo～Tech两大公司就分别以 Glosafety和 Glo～Tech商标名出售其自发光产品。

7 结束语

随着科技的进步及多学科的相互交叉、渗透和融合,智能纤维正在向着高功能、高附加值的方向发展,它的研究开发已经进入到一个新的领域。它在提高人们的生活质量,改善人们的劳动条件,增加服装舒适性,满足某些特殊行业和特殊场合的需要等方面正在发挥越来越重要的作用。智能纺织品的加工技术也在不断地深入,相信在不远的将来,其品种会越来越丰富,应用范围也将越来越广。

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[6] 尉霞.智能纺织品[J].山东纺织科技,2003,（3）：54—56.

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

张云逸（1987—）,男,天津人,学士。