凉感聚乙烯纤维在凉爽功能纺织品中的应用与展望*

谢 婷 钱 娟 张佩华

1. 东华大学纺织学院，上海 201620;2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620

随着全球气候变暖问题的日益严峻和消费者对服装热湿舒适性要求的提高，凉爽功能纺织品的开发成为研究热点。凉爽功能纺织品通过调控服装与人体形成的微环境而提高服装的穿着舒适性，具有节能和促进能源可持续发展[1-2]的优点。目前，实现织物凉爽功能的途径主要包括原料和织物组织结构的选择与设计，以及采用功能助剂对织物进行后处理等[3-5]。

聚乙烯经凝胶纺丝和热拉伸后可成为具有高强度、低密度、抗冲击、耐化学腐蚀、抗紫外线等特性的高性能聚乙烯纤维材料，且该纤维已进入规模化工业生产阶段，广泛应用于安全防护、航海、航空航天、医疗、建筑等工业用纺织品的制备中[6]。凉感聚乙烯纤维属于本征导热纤维，其导热性能与超倍拉伸工艺有关[7-9]。与市场常见的凉感纤维，如异形凉感纤维和添加有导热性良好的矿石类纳米级母粒凉感纤维相比，凉感聚乙烯纤维在制备过程中无需添加功能性凉感颗粒，从而能确保原纤维固有的可纺性和力学性能[10]。研究发现，凉感聚乙烯纤维具有较高的人体红外透过率，当环境温度大于皮肤表面温度时能够加速皮肤的辐射散热，因此，凉感聚乙烯纤维是制备凉爽功能纺织品的良好原材料。近年来，凉感聚乙烯纤维产量的增加和成本的下降也促进了其在民用领域的开发和应用[11]。

1 国内外凉感聚乙烯纤维的凉爽功能机制

凉感聚乙烯纤维较高的人体红外透过率和热导率是其具有凉感的主要原因。红外透过率是红外辐射透过物体的能量占入射总能量的比值。热导率(又称导热系数)是指单位温度和单位时间内透过单位导热面所传递的热量，单位是W/(m·K)。目前，国内外普遍通过测量蓄热板向低温织物试样传递的最大热流量，即瞬态热流量峰值Qmax表征人体皮肤对织物的接触冷暖感[12]。

1.1 人体红外透过率

人体热量主要通过传导、对流、辐射、蒸发以及它们的耦合方式向周围环境进行散热和传递[13]。室内环境的热辐射占人体热量损失的50%以上[14-15]。人体红外辐射波长范围为7.0～14.0 μm，峰值在9.5 μm附近，大多纺织材料在这一波长范围内有很强的吸收峰。聚乙烯仅含有C—C和C—H键，在3.4、3.5、6.8、7.3和13.7 μm波长处有狭窄的吸收峰，这些吸收峰与聚乙烯分子结构中亚甲基的伸缩振动、变角振动和摇摆振动有关。聚乙烯分子在7.0～14.0 μm波长范围内只有两个狭窄吸收峰且远离人体红外辐射波长峰值。因此，聚乙烯具有较高的人体红外透过率[16-17]

国内外学者利用聚乙烯较高的人体红外透过率开发了许多新型凉爽织物，如Hsu等[8]1021设计了一种纳米多孔聚乙烯复合材料(PDA-nanoPE-mesh)，制备流程如图1。聚多巴胺亲水剂和棉网的添加提高了PDA-nanoPE-mesh的综合使用性能。结果表明，PDA-nanoPE-mesh的人体平均红外透过率高达78%，而传统纺织材料的人体红外透过率普遍低于10%。该复合材料也能对可见光产生明显散射，减弱太阳能对织物造成的升温作用(比同等厚度的纯棉织物低2.0 ℃)，但其耐用性有待进一步研究。Hsu等[18]结合不同金属的红外透过率，通过改变人体经织物向环境的辐射热量，设计了一种由纳米聚乙烯(NanoPE)和嵌入式双层辐射体(碳层和铜层)构成的人体辐射式加热/制冷双模织物(图2)。该双模织物贴近人体皮肤一侧的NanoPE的厚度较小，织物温度上升较快，外层红外透过率高，织物向环境辐射的热量大[19]。通过人体皮肤温度模拟器测试发现[20]，在22.0 ℃的环境温度下，将双模织物中的碳层朝外穿着时，人体的体表温度比织物低3.1 ℃，将铜层朝外穿着时，人体的体表温度却比织物约高3.4 ℃。

图1 纳米多孔聚乙烯复合材料的制备流程

图2 人体辐射式加热/制冷双模织物

Song等[21]设计了一种由纳米多孔聚乙烯薄膜和纳米尼龙6串珠纤维层制成的纳米聚乙烯/尼龙(PANF-PEMN)双层织物，其结构如图3所示。该PANF-PEMN双层织物兼具较高的人体红外透过率和可见光反射率、透气及防水功能。测试结果表明，增加该双层织物的厚度会增大其红外辐射的光路，降低人体红外透过率，增加其对可见光的反射率。在30.0 ℃环境条件下，PANF-PEMN双层织物的降温功能是棉、麻和奥戴尔纤维机织布的2.00倍[22]。Yang等[23]研发了一种由尼龙6和纳米聚乙烯复合的双层口罩，可在有效过滤空气污染物的同时可提高其穿戴热舒适性。

图3 纳米聚乙烯/尼龙双层织物结构示意

张馨等[24]分别采用静电纺丝法和涂覆法制备了含CaF2、ZnO、MgF2质量分数不同的聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚乙烯3种薄膜辐射制冷材料。通过辐射制冷装置测试了这3种材料的辐射制冷效果，结果表明，与未添加CaF2的聚乙烯薄膜相比，添加了0.2 g CaF2的聚乙烯薄膜的加热片的平衡温度降低了3.1 ℃，其辐射制冷效果最好。

1.2 导热性能

高分子聚合物的热传导主要以晶格振动的形式进行，声子作为主要热能载体，通过不规则扩散传递热能[25]。高分子结构中晶格间的耦合作用、声子间的碰撞是其平均自由程下降和晶格产生热阻的主要原因。晶格的缺陷、杂质以及晶粒界面都会降低高分子聚合物的热导率。因此，高分子链中的非晶部分、相对分子质量的分散性、分子大小的不一及声子散射都是导致高分子聚合物热导率普遍较低的原因之一[26-29]。

Porter[30]指出，高分子结构中分子链的取向和伸展变化是其导热性能发生显著变化的诱因。普通聚乙烯的热导率低于0.2 W/(m·K)，通过成型工艺改变分子链结构能提高其热导率。聚乙烯经拉伸作用后，分子链在外力方向上发生取向排列，晶体结构改变，声子的集中效应导致其表面散射和传播阻力变小，自由程增大，导热系数升高[31]。

Choy等[32-33]发现在室温下拉伸聚乙烯超过25.00 倍时，聚乙烯沿分子链方向的热导率可达13.4 W/(m·K)。 经凝胶纺丝-热拉伸工艺制备的聚乙烯纤维，其轴向热导率随轴向模量呈线性增加，这与拉伸过程中长伸直链晶体的大量出现有关，伸直链晶体的长度和体积分数的增加会进一步提高聚乙烯的热导率。

蔡忠龙等[34]研究了超倍拉伸聚乙烯在轴向和径向的导热性能，发现当拉伸比等于200时，聚乙烯轴向的导热系数为拉伸前的2.00倍。这是由于在高拉伸作用下，聚乙烯分子链转变为针状晶体-晶桥结构，且晶桥数量随拉伸倍数的增加而增长。

李丽[35]采用瞬变平面热源法(TPS)测试了环氧树脂与超高分子模量聚乙烯纤维两相复合结构体系的导热性能，利用串并联等效理论模型计算得到单纤维轴向及其径向的热导率，并探究了超高分子模量聚乙烯纤维的导热性能与其结构的关系，发现：纤维的热导率随其线密度的增加而增大；纤维轴向的等效热导率随所受牵伸倍数的增加而显著增加，当牵伸比为12.20倍时，纤维轴向的等效热导率可达到原丝轴向等效热导率的7.86倍；通过热牵伸处理可以提高超高相对分子质量聚乙烯纤维的结晶度和结晶规整性。

包玉秀等[36]对凉感聚乙烯织物的导热性能进行了研究。采用高热导率的超高相对分子质量聚乙烯纱线与涤纶交织制备了不同组织结构的机织物，探究了纤维种类、纱线线密度、织物密度以及织物组织结构等因素对织物导热性能的影响，结果表明：超高相对分子质量聚乙烯纤维的导热性明显好于涤纶和锦纶；织物组织单元内纱线交织次数越少，织物的导热性越好；超高相对分子质量聚乙烯纱线的线密度越大，织物的导热性越好；织物密度越大其导热性越好。

2 凉爽聚乙烯纺织品国内专利的申请情况与分析

在国家知识产权公共服务网专利检索及分析系统(http://pss-system.cnipa.gov.cn/sipopublicsearch/portal/uiIndex.shtml)中以 “[(纺织品or织物or面料or纤维)and凉感]” 为检索式获得的检索结果为分析样本，对国内凉爽聚乙烯纺织品的专利申请情况进行整理分析。

自2013年国内开始出现凉爽聚乙烯纺织品的专利申请以来，授权发明专利有6项，受理发明专利19项， 实用新型专利9项，总体数量较少，但呈现逐年上升的趋势。授权发明专利主要涉及凉感聚乙烯纤维和其他纺织纤维交织面料的设计和开发；受理发明专利主要涉及凉爽聚乙烯交织、涂层面料和凉感聚乙烯改性纤维的发明；实用新型专利主要涉及凉爽聚乙烯交织面料的制备。

为改善凉感聚乙烯纤维的染色性、吸湿性和手感，相关专利主要从纤维改性、纱线复合、织物组织设计、涂层后处理这4个技术途径制备凉爽聚乙烯纺织品，下面将对专利申请涉及的主要技术途径进行分析。

2.1 纤维改性

通过对聚乙烯纤维进行改性制备凉爽聚乙烯纺织品的工艺主要包括制备复合纤维、纤维截面异形化和纤维接枝改性。

《一种复合纤维及其冷感织物》[37]公开了一种将易染色纺织材料填充在聚乙烯异形纤维体中心外围而制备的复合纤维(图4)，该复合纤维具有较好的上染率和染色均匀度。《一种一步法花色异染凉感复合纤维及其制备方法》[38]公开了一种由具有吸湿排汗功能的聚酰胺芯层和导热功能良好的聚乙烯皮层构成的不完全包覆皮芯结构的复合纤维。《一种皮芯型凉感长丝的复合纤维及其制备方法》[39]公开了一种以高黏度聚酰胺为芯层，添加了氧化锆的高密度聚乙烯为皮层的凉感复合纤维的加工技术。

图4 复合纤维横截面示意

《一种半消光异形超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法》[40]介绍了一种“十”字截面半消光超高相对分子质量聚乙烯纤维。通过在聚乙烯和白油原料中添加纳米级二氧化钛消光剂进行深色化处理，制备了热导率大于0.15 W/(m·K)的异形纤维，其断裂强度为20 cN/dtex，透气性优于常规圆形纤维。《一种超高分子量聚乙烯床品面料的涂料印花工艺》[41]报道了一种对聚乙烯面料进行正庚烷溶胀、丙酮提抽、二苯甲酮浸泡、紫外线辐射以及乙醇洗涤的表面改性工艺，所得面料亲水性提高的同时还被赋予了一定的黏结性，方便了后续涂料印花色浆的吸附。《一种凉感材料用改性聚乙烯配方和制造方法及其应用》[42]阐述了一种在纺丝液中按一定比例添加氢氧化铝、聚乙烯醇缩丁醛、环氧树脂胶和抗氧化剂制备凉感聚乙烯改性纤维的方法。

2.2 纱线复合

《一种PE包覆面料及其制作方法》[43]公开了一种以高强度丙纶丝为芯体，聚乙烯为皮层的复合纱线，该纱线可用于制备轻量、光滑凉爽、高强力、抗紫外线、耐老化、环保性能好的窗帘面料。《一种高强聚乙烯工装面料的染色方法》[44]，采用超高相对分子质量聚乙烯和黏胶纤维混纺比为30∶70的双股线为工装面料的经纬纱线，发挥了聚乙烯纤维优异的导热性能、力学性能和耐化学性能与黏胶纤维良好的吸湿性与染色性。《一种功能性强捻彩点丝的制备方法》[45]公开了一种将铜氨长丝与超高相对分子质量聚乙烯有色长丝并丝，加入夜光锦纶纤维一起进行强加捻的技术，制备得到的彩点丝兼具凉爽、透气、吸湿、高强、耐磨、色彩丰富等优点。

2.3 织物组织设计

涉及凉爽聚乙烯织物开发的相关专利主要是将凉感聚乙烯纤维与其他纺织纤维纱线交织，或通过对织物组织结构设计制备新型凉爽织物。

《一种凉爽面料》[46]介绍了一种利用棉纤维、竹纤维等吸湿性和服用舒适性良好的服装材料与凉感聚乙烯纬纱交织制备的服装面料。《超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维纺织品及其坐垫、靠垫、床单、被面、枕套、枕巾》[47]公开了一种通过采用纯UHMWPE纤维，或与其他纺织纤维如棉纤维、涤纶等并线或间隔排列织造，再结合亲水处理制备家用凉爽纺织品面料的技术。《一种可洗涤可折叠高档保健凉席的制备方法》[48]公开了一种将超高相对分子质量聚乙烯短纤维纱线与罗布麻纤维纱线以斜纹组织交织制备凉席的方法。

《一种单向导汗凉爽运动面料》[49]公开了一种以凉感聚乙烯纱线编织的单向导汗凉爽运动面料的制备方法(图5)。其中，内层(1)为亲水性聚酯纱线编织的平针组织，外层(2)为双层单向导汗凉爽纬编面料。内层具有良好的接触凉感和干爽透气功能，结合亲水性聚酯平针外层，能迅速将汗液传递到外层。《一种复合功能织物》[50]阐述了一种接触面积随相对湿度的增加而增加的超高相对分子质量凉感聚乙烯纤维内层，且与高吸湿纤维中间层和低吸湿纤维的外层构成3层织物。将该多层织物中聚乙烯纤维的比例控制在15%以内可有效降低材料成本。

图5 单向导汗凉爽运动面料剖视结构

2.4 涂层后处理

授权发明专利《一种具有较高人体红外透过性的凉爽面料及其制备方法》[51]将聚乙烯与稀释剂的混合熔融液涂覆在织物表面，经等离子体亲水剂处理后，以萃取稀释剂的方式制备涂层表面含透气孔隙的凉爽面料。《降温隔热吸湿排汗凉席面料》[52]展示了一种由3层不同材质构成的具有降温隔热、吸湿排汗功能的凉席面料的制备方法(图6)，该面料的底层(1)由吸湿排汗纤维纱线与冷感纤维纱线混纺织造，中间层(2)为竹炭纤维纱线和木纤维纱线混纺织造的固定层，外层(3)为含有反射隔热功能的凉感聚乙烯黏胶涂层。

图6 降温隔热、吸湿排汗凉席面料的断面结构示意

利用凉感聚乙烯对织物进行涂层后处理也可以充分发挥该材料优异的人体红外透过率。相较于凉感聚乙烯纱线编织的织物，聚乙烯涂层薄膜与人体的接触面积更大，接触凉感更强烈。但涂层织物因黏结剂的引入受到耐洗性的限制，手感也较差，一般在凉席、床品面料等家纺领域中应用较多，在服用面料中未曾出现。相较于其他技术途径，利用凉感聚乙烯对织物进行涂层后处理制备凉爽织物的专利申请最少。

3 结论和展望

目前对于聚乙烯的导热性能和人体红外透过率已有较多的研究，但对聚乙烯纤维、纱线和织物的相关性能研究较少，理论支撑的缺乏也限制了其在服用领域的应用。为进一步拓展凉感聚乙烯纤维在服用领域中的应用，可从以下几个方面展开后续研究。

(1)在纤维层面上进行改性，如通过对聚乙烯纤维异形化改善其导湿性能；纤维细旦化提高其柔软性；与兼具高人体红外透过率和良好染色性的聚酰胺混合制备复合纤维等。

(2)在纱线层面上，可通过与具有良好服用舒适性、染色性能的纤维材料进行混纺制备凉爽聚乙烯复合纱线，改善其性能。

(3)在织物设计层面上，可通过与其他服用纱线交织，结合织物组织结构制备综合服用性能较优的织物。如以一定比例与吸湿性良好的服用纱线交织，内外层织物采用亲水性不同或毛细管直径不同的纱线形成压力差等。

(4)在确保织物具有优异的导热性与人体红外透过率的前提下，改善其染色性能和综合服用性能，同时控制好成本。服用织物在人体穿着时的实际凉爽程度不仅受织物本身性能的影响，还与人体活动时和织物接触面积的改变、织物与皮肤间的空间大小、环境温湿度等因素密切相关，在设计和制备织物时需要结合穿着场合综合考虑。