氨纶功能化改性的研究进展

汪清漩 刘湲秋 王哲 朗根强 潘宏军 俞成丙

摘 要：为扩大氨纶的应用领域，更好地满足人们生活用品消费水准，解决常规氨纶制品无法满足应用要求的问题，有必要针对应用需要开发更多性能优异的功能化氨纶，本文全面阐述了氨纶功能化改性的发展趋势，概述了氨纶功能化对纺织行业的意义，着重以耐热氨纶、抑菌氨纶、耐氯氨纶、导电氨纶和智能氨纶等功能化氨纶为例，综述了国内外氨纶功能化改性的研究进展，强调氨纶功能化改性是氨纶开发、生产和应用的必然趋势，也是提高氨纶制品在市场上竞争力的核心所在。

关键词：氨纶;弹性;纤维;纺丝;功能化

中图分类号：TS102.527.3;TQ340.64

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）02-0085-06

Abstract：To expand the application range of spandex， meet peoples increasing consumption level of daily necessities， and solve the problem that conventional spandex products cannot satisfy the application requirements， it is of great necessity to develop more functional spandex with excellent performance. In this study， the development trend of functional modification of spandex is elaborated comprehensively， and the significance of spandex functionalization for the textile industry is summarized. In addition， the research progress of spandex functional modification at home and abroad is reviewed based on examples of functional spandex such as heat-resistant spandex， antibacterial spandex， chlorine-resistant spandex， conductive spandex， and intelligent spandex. Lastly， functional modification of spandex is pointed out to be an inevitable trend in spandex development， production， and application， as well as the core for enhancing the competitiveness of spandex products in the market.

Key words：spandex; elasticity; fiber; spinning; functionalization

作者簡介：汪清漩（1997-），女，安徽宣城人，硕士研究生，主要从事氨纶功能化改性方面的研究。

氨纶是一种重要的弹性纤维，具有软硬段交替排列的结构特点，一般软段结构占比80%以上，是目前市场上弹性最好的合成纤维[1]。该纤维具有高回弹率、高断裂伸长率、耐候性好、耐紫外光、高抗张强度等[2]优异性能且织物的抗撕裂强度高，目前在塑形衣、外科用绷带和游泳服等纺织品上已得到广泛应用。

随着氨纶制品使用范畴逐渐拓展，常规的氨纶制品已不能满足消费者日益提高的需求，制备功能化氨纶并提升其性能已迫在眉睫。功能化氨纶是对普通氨纶改性，提高氨纶的耐热性、耐氧化性等理化性能，或加入特殊材料，制备出满足特殊要求的功能纤维用品，在保留氨纶制品高弹、柔软等优点的同时，扩大了氨纶制品的应用领域。现有的功能化氨纶综述，通常集中于超柔氨纶、防脱散氨纶、彩色氨纶等进一步提高氨纶制品的产品质量、使用寿命的功能化氨纶，而对抑菌氨纶、耐氯氨纶等有特定功能的功能化氨纶涉及较少，也缺少导电氨纶、智能氨纶等与纳米技术结合，及更为先进的高科技、智能化的功能化氨纶。本文以耐热、抑菌、耐氯、导电、智能氨纶为例，综述了国内外新型功能化氨纶研究进展，并对其未来发展进行了展望。

1 耐热氨纶

氨纶在高温下硬段降解，交联结构被破坏，在与涤纶做混纺时，往往需要在140℃左右的温度下进行多次染色，结果使氨纶制品的弹性下降，纱线断裂，制品性能受到影响。而耐热氨纶在高温下（140℃以上）经多次染色，其弹性和强度仍无明显下降趋势，因而研发耐高温的氨纶是氨纶制品的一个重要方向。

1.1 提高硬段比例法

氨纶的耐热性能可以在制造纺丝原液和纺丝过程两个步骤提高。在制造纺丝原液时，提高聚合物的分子量和硬段比例，使聚合物即使降解也能保留较长的链段。在纺丝过程中，可以改变甬道风量和卷绕方法等方法改善工艺流程。陆华琴等[3]在制备原液时提高了芳环的占比，刚性上升，同时加入了防黄剂UDT，防黄剂在高温时优先降解对聚氨酯链上的脲基起到保护作用。在干法纺丝工艺过程中降低了甬道温度和卷绕牵伸比，避免了张力过大而丝线断裂的情况。Mehdipour等[4]合成了一种新的基于酰亚胺的二醇扩链剂，并与异氰酸酯封端的预聚物反应，聚合物主链中酰亚胺单元的存在，提高了芳环的占比，刚性上升（图1），在230℃的高温下仍未发现明显的失重现象。

1.2 添加剂改性法

通过添加剂同样可以改善耐热性能，如抗氧化剂改善端基，降低降解速度或直接加入有机硅等耐高温基团。Lin等[5]用二苯基硅烷二醇（DSiD）作为添加剂制备了一系列含硅的聚氨酯，如图2所示。掺入聚合物主链的DSiD改善了聚氨酯的热稳定性，与改性前相比，弹性回复率提高了20%～30%，且随DSiD含量的增加而增加。陈龙等[6]分别制备羟基封端和氨基封端的第一预聚物和第二预聚物，经溶解后，添加扩链剂和终止剂以获得聚氨酯溶液并纺丝，获得了断裂伸长率高达480%～540%的耐热聚氨酯弹性纤维。

2 抑菌氨纶

氨纶在潮湿环境中使用和存储时，与其他纺织品一样，易于滋生细菌。随着人们对细菌的致病认识和卫生意识的不断提高，对氨纶制品的抑菌性要求也逐步上升，开发有抑菌功能的聚氨酯迫在眉睫。纺织品中微生物污染是一个严重的健康问题，拥有抑菌性能的纺织品不仅满足了日常衣物的抑菌需求，还可应用于伤口敷料、医疗器材等医学领域。

2.1 改性法

抑菌氨纶主要是将具有抑菌性能的粒子、基团通过物理或化学的手段引入氨纶以及复合纤维中。

苑亚楠等[7]使用1%生物质石墨烯为添加剂，在氨纶强度和回弹率无明显变化的同时，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌率都达到了98%以上，提升了氨纶的抑菌能力。Qu等[8]制备了银纳米/聚氨酯复合纤维，为了避免银纳米粒子的脱落，利用聚氨酯中的末端反应基团，原位还原纳米银（图3），在纳米银含量为0.030%时制得的复合纤维不仅有较好的抑菌效果（抑菌率95.2%），断裂伸长率也提高至608%。Wen等[9]将茶多酚包埋在聚氨酯/聚丙烯腈复合纤维中，证实平均直径约120μm的茶多酚复合纤维具有较好的细胞相容性、抑菌性（抑菌率98%）和抗氧化能力（对DPPH的清除率高达97%），可应用于伤口敷料。Karthikeyan等[10]利用氧化锌纳米颗粒对氨纶进行前处理，24h内对幽门螺杆菌产生明显抑菌性，36h后抑菌率达到96%。

2.2 包裹法

除引入抑菌粒子或基团进行改性外，包裹法也是一种常见的制备抑菌氨纶的方法。包裹法是指采用双层/多层纺纱，在氨纶织物外层包裹有抑菌性能的材料，以达到抑菌的效果。蒋洪亮[11]使用一种碳纤维编织层内部具有的阻燃层的新型碳纤维编织套，包裹于氨纶外侧，形成弹性抑菌层。魏从中[12]则制备了抑菌保湿的包芯纱，芯纱为螺旋结构的氨纶长丝，外包纱为具有防水膜的牛奶蛋白纤维纱，不仅可抑菌和去除异味，还能长时间保持氨基酸不流失，具有优异的保湿性能。

3 耐氯氨纶

氨纶制品的一大缺陷就是耐氯性差，市面上的含氯洗衣剂、漂白剂会使氨纶制品受到损伤，制得的泳衣在泳池里长久使用也会出现弹性下降的缺点。氨纶耐氯性差的原因是氯原子会取代酰胺结构上的H原子，新的“氯胺”会使制品发黄、强度下降。聚醚形聚氨酯因为多元醇在光和氯气的作用下降解（图4）[13]，化学键断裂，耐氯性较聚酯形更差。为了提升制品的使用寿命，避免在含氯环境中结构破坏而使原有制品的弹性下降，耐氯氨纶应运而生。

目前制备耐氯氨纶的方法是在纺丝过程中加入碳酸钙、水滑石化合物等作为耐氯添加剂。郑贤基等[14]是在纺丝原液加入了少于10%的无机耐氯剂（过多的水滑石会使氨纶的回复率和模量降低），同时加入1%～4%的对称形双受阻酚类化合物添加剂，后制备溶液、脱泡、干法纺丝、卷绕，所得制品在活性氯含量为3.5×10-3 g/L的环境中弹性和强度未出现明显下降情况，与改性前相比，耐氯性大幅提升。洪智慧等[15]在上述的基础上又加入了少量单受阻羟基苯基化合物和含氨基脲基化合物、含叔丁基的氨基甲酸酯基添加剂作为次级抗氧剂，使制品拥有抗氯和抗褪色能力，色牢度也提高了约20%。洪智慧等[16]同时发现，在纺织原液中加入无机耐氯剂和少量二烷基磺基琥珀酸盐，使氨纶制得的泳衣的耐氯性提升至89%，同时强度提升至1.6 g/d，减少了断丝的产生。于美花[17]在氨纶熔融纺丝前或熔融期间添加抗氧化剂增强剂，用静电喷涂抗氧化整理液后与涤纶纤维混纺，经过热定形等后处理制备了面料坚硬、抗氧化、抗紫外线性能优异的耐氯莱卡纤维。

4 导电氨纶

纺织的电子技术作为下一代智能可穿戴设备的一项有前途的技术，已引起越来越多的关注。纳米技术证明了保留纺织品轻巧、灵活、可拉伸等特性的同时在单一纤维、纱线或织物上构建各种电子功能或设备在技术上是可行的。到目前为止，已成功制 造出基于纺织品的传感器、能量收集/存储系统和通信设备。为了制备高性能的纺织电子器件，高导电柔性纤维的开发至关重要，导电氨纶就是其中发展迅速的一种。

导电氨纶早期是将氨纶和导电纤维复合而来，由于常见的导电纤维（铜、聚苯胺等）的变形能力较低，拉伸时不超过其原始長度的20%，并且表现出相对低的弹性和弹性恢复力，越来越多的人选择基于软聚合物的导电纤维。Kim等[18]用湿纺法制备了可拉伸导电聚氨酯/银/石墨烯复合纤维，并在150%应变下获得了82 874 S/m的高导电性。Guo等[19]将氨纶缠绕在聚苯胺纤维上，形成“弹簧”结构，制备了在200%的应变下仍可稳定导电的高弹性湿度传感器。Seyedin等[20]将PEDOT/PSS和聚氨酯湿法混合制备了高导电性的弹性复合纤维，这种纤维能够监测的应用应变高达260%，可用于应变传感器。Foroughi等[21]以氨纶/碳纳米管复合纱为原料，采用集成针织工艺制备了高拉伸、可操纵、导电的针织物。通过调整氨纶/碳纳米管的投料比，织物的导电率可以在870～7 092 S/m范围内变化。Zhang等[22]在氨纶/碳纳米管的基础上又加入了高导电银纳米线，湿法制备了复合纤维，将复合纤维的工作应变范围扩大至254%，电导率达到8 030 S/m。Lu等[23]用聚乙二醇衍生物对银纳米线进行表面改性，反应如图5所示，改善了聚氨酯与纳米银的相容性，使其在基体中均匀分散，形成有效的渗流网络，使复合纤维在拉伸至200%时仍具有一定的导电性。

5 智能氨纶

智能纤维制备的智能服装可以对外部环境或人体内部的变化做出反应，并自主调节服装的颜色、温度、松紧等，提高用户的体验感。随着科技水平的上升，生产智能产品是各个领域发展的大势所趋，智能氨纶不仅拥有传统氨纶制品轻巧、柔软的优势，并与先进的科技相结合，有巨大的发展前景[24]。其中变色纤维和形状记忆纤维是两大类常见的智能纤维，已初步实现工业化。

5.1 变色纤维

变色纤维主要有电致变色和热致变色两种，可用于生产自适应伪装、仿生、可穿戴设备。Invernale等[25]用PEDOT/PSS和氨纶制备了电致变色织物，在有色态之间切换需要的时间仅为数秒（图6）。Potuck等[26]制备了一种热致变色的运动服，通过在服装结构中有针对性地放置热致变色板，来实时监测耐力运动员的各项生理变化，作为运动员在剧烈运动中身体疲劳“警示灯”。

5.2 形状记忆纤维

形状记忆纤维是一种特殊的智能纤维，在热、光、pH、水分等外部环境改变时，纤维收到信号时会恢复原来的形状。Aslan等[27]成功制备了热敏性的形状记忆聚氨酯纤维，且纤维的回复率和固定率分别达到95%和71%。Banikazemi等[28]制备了用于基于聚己内酯的聚氨酯纤维，与传统聚氨酯形状记忆纤维相比，新型形状记忆纤维的回复率接近100%，固定率也由32%提升至66%。

除以上几种常见功能氨纶外，高弹氨纶、低温稳定氨纶、防脱氨纶、易染色氨纶等也扩展了氨纶制品的使用范围。低温易定形氨纶[29-30]解决了氨纶制品在热定形后弹力和强度下降的问题，超柔氨纶[31]和高弹氨纶[32]大大提高氨纶制品的手感和耐久性，防脱氨纶[33-34]可避免氨纶制品在伸展、刮擦过程中产生破洞、抽丝和脱散现象，易染色氨纶[35-37]则可以提高氨纶在酸性染料下的色牢度。

6 结 语

近年来，氨纶作为弹性最好的合成纤维已在国内快速发展。氨纶因弹性好、抗撕裂强度高、延展性好、手感平滑等优点深受消费者的喜爱，成为泳衣、紧身衣和绷带等产品的首选，拥有耐热、耐氯、抑菌和导电等功能化氨纶也已投入生产。然而，氨纶的制备工艺虽已工业化，但氨纶的性能仍需进一步提高和改变。随着氨纶制品应用范畴的不断拓展和人们对生活用品消费水准的不断提高，开发更多性能优异的功能化氨纶，这已成为将来氨纶及其制品的研究热点与发展趋势。

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