新型保暖纤维的研究与应用

宁翠娟

(中国化学纤维工业协会，北京 100020)

0 引言

进入冬季，御寒保暖成为人们生活的一大关注点。早在几千年前，天然纤维就已经被用于传统的保暖、隔热服装。例如，棉纤维、木棉纤维、羊毛、羊绒、羽绒等由于其中空、卷曲等特殊的纤维结构，能够保留尽可能多的静止空气，故具有良好的保暖性。随着化学纤维技术进步与人们生活水平的提高，研究人员开始探索更多保暖纤维的实现途径与方法，越来越多的新型保暖纤维被研发出来，以满足消费者更高的保暖追求。

根据研发设计原理[1-3]，研究人员将保暖纤维大致归为消极保暖纤维和积极保暖纤维两大类。前者是通过增加静止空气或阻挡热辐射等，尽量减少热量散失，实现御寒保暖；后者是纤维材料能够根据环境温度或人体需求，通过吸收或储存太阳能、电能、化学能等散发热量，实现人体热平衡。而根据发热机理，后者一般可分为吸湿发热纤维、电能发热纤维、光能发热纤维、化学发热纤维和相变调温纤维。近年来，异形纤维、气凝胶纤维、吸湿发热纤维、光能发热纤维以及相变调温纤维的研发热度较高，且获得了一定的市场应用，故下文将详细介绍这五类新型保暖纤维的研究与应用。

1 异形纤维

中空异形纤维通过模仿天然纤维的空腔结构，降低纤维的热传导率，以提高保暖特性，如日本旭化成公司的Twinari纤维、泉州海天轻纺有限公司的Sunilte纤维等[4]。受北极熊毛的启发，美国杜邦公司研制出一种十字形中空聚酯纤维(Themrolite纤维)，集十字形截面纤维和中空纤维两者的优良性能于一体，在储存大量静止空气的同时，可将湿气迅速排出，表现出导湿、透气、蓬松、轻质保暖等诸多优点，适用于生产保暖内衣、衬衫、袜子和防寒服等。2018年，浙江大学柏浩团队利用“冷冻纺丝”法制备了一种仿北极熊毛的新型纤维，热导率为22 mW/(m·K)，隔热性能优异。该纤维的制备方法是：首先将蚕丝蛋白溶液从针头挤出，缓缓穿过一个低温的铜环，由于溶液中的水受冷结冰，冰晶将蚕丝蛋白挤压到相邻的冰晶中间，在纤维内部产生了复杂的结构，再经过冷冻干燥，冰晶因升华而除去，得到具有多孔结构的纤维。

山东银鹰化纤有限公司研发的中空异形再生纤维素纤维的纤维截面为椭圆形中空状结构，蓬松性好，同样保暖性能下面料克重低，在下游应用时可以与棉、差别化再生纤维素纤维、羊毛、涤纶等进行混纺，使用配比为30%～70%。该纤维的制备方法是：在纺丝液中添加发泡剂，当纺丝原液进入凝固浴中，纺丝原液细流中的发泡剂在纤维凝固成形时与凝固浴中的硫酸发生反应生成CO2气体溢出，从而在纤维中形成微孔，赋予纤维疏松多孔的结构，进一步提升了纤维的吸湿、保暖性能。

2020年年底，一股属于“德绒”的热潮席卷而来。德绒(dralon)源于德国拜耳公司推出的一种超细异形腈纶[5]，哑铃型结构使得单根纤维不易紧密聚集，增加了纤维间的静止空气，同等质量下，保温性能可比羊毛高出20%；同时其纤度低于0.9 dtex，单根纤维间存在着大量的毛细管区，水分芯吸能力好，能快速导出身体产生的湿气。由于德绒具有柔软、质轻、保暖等特性，非常适合保暖内衣、衬衣、毛衫、休闲打底衫、无缝保暖裤以及家纺等领域，有较高的产品附加值。例如，北京铜牛集团有限公司结合针织保暖功能面料轻、暖、柔的设计思路，选用德绒与棉、莫代尔、羊毛等多种纤维的混纺纱[6]，开发出德绒提花双面系列、毛绒弹力保暖等功能性保暖针织面料，为提升秋冬针织居家产品档次开辟了新的途径。

2 气凝胶纤维

气凝胶是一种三维网状纳米多孔材料，一般采用溶胶-凝胶工艺制备，采用超临界萃取等干燥技术，在最大限度保持凝胶三维框架结构条件下将溶剂提出，完成空气与溶剂的置换。独特的纳米多孔结构使其孔隙率极高、密度超低，表现出高比表面积、低导热系数、优异的绝缘性和隔热性等特征[7-8]。由于纤维材料的保暖性能与纤维材料内部静止空气含量成正比，与纤维直径大小成反比，与整体材料密度成反比，故目前理论上气凝胶纤维是隔热保温效果最好的一种纤维，是下一代保暖纤维最重要的发展方向。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同团队以溶解后的凯夫拉(Kevlar)纤维为纺丝原料，经湿法纺丝、特种干燥等过程制得Kevlar气凝胶纤维，孔隙率可达98%，比表面积可达240 m2/g，常温下热导率仅为27 mW/(m·K)，可在极端环境(-196～300 ℃)下长时间发挥隔热保温性能，且可以任意弯曲、打结、编织等，还能够染色、疏水化、化学镀等多种改性。东华大学朱美芳团队采用氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液为溶剂、细菌纤维素(BC)为纺丝材料、稀硫酸溶液(0.25 mol/L)为凝固浴，经湿法纺丝工艺制备出BC凝胶纤维，再经水洗、溶剂置换和冷冻干燥，最终制得BC气凝胶纤维[9]。该气凝胶纤维内部呈多孔网络结构，孔隙率达86%，比表面积达192 m2/g，断裂强度和杨氏模量高，承重可达本身质量的5×104倍。

此外，在聚合物合成的过程中将气凝胶粉体加入聚合体系，聚合反应完成后即得到含有气凝胶的聚合物，再将该聚合物经纺丝便可制成含有气凝胶的纤维材料。或者以聚合物为载体，在纺丝液中加入气凝胶粉体，再经纺丝也可制成含有气凝胶的纤维材料。例如，常州旭荣针织印染有限公司等采用后者制备出新型气凝胶纤维(聚合物载体为涤纶)[10]，并从组织结构、织造、染色、印花等方面对气凝胶纤维面料进行设计开发，进而测试了其保暖等性能。测试表明，由于气凝胶纤维能够保留住更多的静止空气，故与同样线密度的纤维相比，其克重更低、保暖性能更好。

3 吸湿发热纤维

一般认为，吸湿发热纤维的发热机理是吸收外界环境或人体产生的水汽，形成氢键放出热量，故其吸湿发热性能与纤维的回潮率有很大关系，纤维的回潮率大则吸湿发热性能强，且多用于内衣、文胸、袜子及运动服等产品中[11-12]。日本的吸湿发热纤维研究较为成熟，已推出的有东丽公司的Softwarm纤维、旭化成公司的Thermogear纤维、三菱公司的Renaiss α纤维、敷纺公司的Thermostock纤维、东洋纺公司的N38纤维和EKS纤维等。其中，Softwarm纤维、Thermogear纤维、Renaiss α纤维均是将腈纶和吸湿性较好的纤维(如粘胶纤维、铜氨纤维、醋酸纤维等)结合，可在实现吸湿发热的同时，尽量减少热量散失。而EKS纤维、N38纤维均是通过纤维改性得到的，前者是在聚丙烯酸分子中引入氨基、羧基等亲水性基团，并进行交联处理制得的“亚丙烯酸盐系纤维”；后者是以聚丙烯酸纤维为原料，进行分子超亲水化并高度交联制得的“高度交联聚丙烯酸酯纤维”。此外，EKS纤维表面的纵向沟槽可提升纤维表面性能，将人体汗气及时吸收，以达到干爽舒适的效果[13]。

近年来，国内在吸湿发热纤维的开发上也涌现出一些研究成果。青岛大学王军伟通过在纺丝液中加入具备吸湿发热功能的添加剂得到吸湿发热粘胶纤维，并综合生产成本及吸湿发热性能，选定了吸湿发热剂的最佳添加比例。该纤维不仅没有破坏原纤维素的结构，还为纤维素结构中引入了吸湿发热剂的基团，与普通粘胶纤维相比，升温幅度可高出2～3℃[14]。上海洁宜康化工科技有限公司推出的舒热丝是一种丙烯酸纤维，含有丙烯酸、丙烯酸钠和丙烯酰胺等基团，吸湿发热效应明显。上海正家牛奶丝科技有限公司通过引入—OH、—NH3、—COOH、—CONH等亲水性基团制备出高回潮改性腈纶(易热宝纤维)，大大提高了其吸湿性。该纤维吸湿的同时可产生吸附热，加快平衡皮肤与服装的温度。

此外，研究人员还对吸湿发热纤维的纺纱工艺和面料开发等进行了研究。东华大学葛露露以EKS纤维、舒热丝为功能原料制备出混纺纱，进而设计织造了相应的织物，并对织物的吸湿发热性能、保暖性能等进行测试[13]，一系列的实验数据为热湿舒适性毛型面料设计及产业化开发提供了理论指导和经验参考。浙江理工大学于倩倩等采用不同组分配比的Softwarm纤维制备吸湿发热功能针织内衣面料[15]，并提出基于热湿舒适性分区设计的针织内衣面料拼接设计思路。江苏工程职业技术学院瞿建新等以棉纱为经纱、腈纶/铜氨纤维混纺纱为纬纱设计开发出腈纶基吸湿发热单面绒面料[16]，测试表明以吸湿发热纤维为基材，配合粗支纱线、起绒及紧密组织等，可使面料保暖效果进一步提升。

4 光能发热纤维

光能发热纤维是能够吸收太阳辐射中不同波长光线的能量并转化为热能，或反射人体热辐射，具有保温功能的材料[17]。根据纤维可吸收光谱的范围，其可分为两种纤维，一是远红外光能发热纤维，二是可见光近红外光能发热纤维。

添加IV族过渡金属碳化物如ZrC、TiC、HfC等，是可见光近红外光能发热纤维的实现途径之一。日本德桑特公司和尤尼吉可公司合作研发的Solar-α纤维、尤尼吉可公司推出的Thermotron纤维均是通过在纤维中添加碳化锆(ZrC)微粒来实现积极保暖的，因为ZrC能够吸收可见光，并将光能转换成热能，同时反射出远红外线，一定程度上能够提升服装的温度。不同的是，Solar-α纤维为皮芯结构，ZrC添加在芯层，主体聚合物为聚酰胺或聚酯。目前，这两种纤维均已经应用在滑雪服、内衣、运动衫等产品上。此外，通过吸收可见光实现积极保暖的还有东丽公司的Torayheat纤维，该纤维同时具备抗起球和防静电功能。而三菱人造丝公司将氧化锡与氧化锑的复合物微粉添加在腈纶纺丝原液中制备的Thermocatch纤维，能够实现近红外线吸收，同样能够实现保暖功能。

远红外光能发热纤维能够吸收远红外光辐射的能量或人体产生的热量，进而辐射一定波长范围的远红外线，激发人体局部的温热效应，达到储温保暖的作用[18]。钟纺合纤公司的Ceramino纤维中添加了均匀的远红外吸收物质、日本小松精练公司的DynaLive纤维中添加了红外线吸收剂和玻璃微粉、富士纺公司的INSERARED纤维和可乐丽公司的LONWAVE纤维中添加了陶瓷成分，均可实现吸热储能的目的；帝人公司的WARMAL纤维外层加入了“硅酸锆系陶瓷”，是一种远红外涤纶，可二次放出远红外能量，且可反复洗涤；纳米竹炭纤维、石墨烯纤维、太极石纤维等利用添加物的远红外线效应，实现蓄热保温及促进血液循环的功能。此外，上海德福伦化纤有限公司运用红外压电晶体材料的压电和热释电特性，采用高科技粉碎技术，将其研磨成微纳米超细粉末，添加到纺丝溶液中制备出的纤维，能产生与人体相匹配的红外线，发热效果明显。

5 相变调温纤维

相变是指物质从一种相态转变为另一种相态。相变调温纤维通过物相变化吸收或放出热量，从而实现温度调节[19-20]。由于相变材料(PCM)在液态时易于流动散失，故在相变调温纤维开发时多采用微胶囊技术，即用成膜材料把固体或液体包覆成具有核壳结构微粒。美国Outlast技术公司等使用微胶囊包裹热敏相变材料(碳氢化腊)研发出新一代Outlast纤维，通过相变材料的固液转化，达到吸热、放热的效果，实现双向温度调节，尽可能地让人体保持在舒适的微气候中。四川大学以聚乙烯醇(PVA)纺丝原液为分散介质，常温相变材料RT27石蜡为芯材，正硅酸乙酯(TEOS)为聚合单体形成SiO2囊壳，通过原位聚合直接制备含有石蜡微胶囊的PVA纺丝原液，再经湿法纺丝得到石蜡/PVA调温纤维[21]，相变焓值为45.39 J/g，具有优良的储能性及热稳定性。石墨烯联盟(CGIA)纺织新材料及产业应用研究院采用成型良好的相变微胶囊(相变温度控制在25℃左右)制备出中空石墨烯保温聚丙烯纤维，再将该纤维以非织造絮片形式用于服装填充，以满足保暖需求。上海美纤智能科技有限公司将纳米蓄热胶囊注入纺丝原液，经湿法纺丝制备具有自主吸热-蓄热-反馈热性能蓄热腈纶(傲纶)，用于保暖内衣、防寒服、床品等。恒天海龙股份有限公司、青岛邦特生态纺织科技有限公司等采用微胶囊技术分别研发出相变调温再生纤维素纤维，在婴童、衬衫、内衣、T恤衫、家纺等领域应用广泛。

此外，华中科技大学陶光明团队通过在纤维孔隙中填充相变材料制备出新型的相变调温纤维。该纤维的制备方法是：以蚕丝、壳聚糖为纺丝原料，采用“冷冻纺丝”法制得具有多孔微结构的纤维，再将相变材料聚乙二醇(PEG)填充在纤维内的孔隙中。为防止PEG在液态时漏出，还需要在纤维上涂覆有机聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)。研究人员还将该纤维制成面料缝在聚酯手套上以测试其相变调温性能。实验表明，在122 ℉(50 ℃)的条件下，PEG会融化成液体，并吸收周围环境的热量，给戴着手套的手降温；在50 ℉(10 ℃)的条件下，PEG就会凝固并释放出储存的热量，让戴着手套的手变暖。

6 结语

新型保暖纤维的种类越来越丰富，为下游面料、服装企业提供了更多原料选择，即从纤维源头上为终端产品注入创新活力。随着2022年北京冬奥会的到来，人们将更加关注高效保暖轻便的冬季服装，对保暖纤维的需求量也会大大增加。但关于保暖纤维及其在纺织服装上的应用仍然存在一些问题需要解决，例如：深入研究纤维的发热机理，为今后新型纤维材料和新产品的研发提供理论参考；建立发热纤维的评价体系及进一步改善保暖持久性；充分考虑保暖纤维在纺纱、织造、印染等后道加工中的适用性；提高保暖纤维的经济性，降低保暖纤维的使用门槛；开发集抗静电、防水透湿等多功能为一体的保暖纤维，以适应更多复杂场景的需求等。目前来看，保暖纤维的开发及产业化应用虽然已经有一定成果，但仍任重而道远，研究人员需要从上述方面出发，加大研发力度，不断提升保暖纤维的应用水平，让保暖纤维切切实实走进消费市场中。