三大高性能纤维纺织品民用化推广的研究进展

邱靖斯 葛烨倩

摘 要：高性能纤维具有普通纤维不具备的高强高模、耐高温等特殊性能，可广泛应用于军用和高技术领域。然而此类纤维具有生产技术复杂、成本价格高和产品性能稳定性不足等局限，使其难以向大众民用推广。为了将高性能纤维及其纺织品引入大众生活中，促进高性能纤维在各个领域的利用率的深化和扩大，以碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维为代表，回顾介绍了此三大纤维及产品的低成本生产、着色印花、功能优化等技术进展。其中主要分析了这些技术的创新要点、产品的性能特点和应用，以及仍需进一步深入探究的问题，其中包括如何降低纺织产品成本、提升纺织产品性能以及增加纺织产品的附加值，为中国高性能纤维产品的技术竞争力提高和开发方向提供思路。

关键词：高性能纤维;碳纤维;芳纶纤维;超高分子量聚乙烯纤维

中图分类号： TS102.52

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）06-0001-06

Research Progress of Top Three High-performing Fibers and Textiles for Civil Use

QIU Jingsi， GE Yeqian

（School of Textile and Apparel， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China）

Abstract： High-performing fiber has special properties such as high strength， high modulus and high-temperature resistance which ordinary fiber does not have. It can be widely applied in military and high-tech fields. However， it is difficult to popularize this kind of fiber to the public due to its limitations such as complicated production technology， high cost and low stability of product performance. In order to introduce high-performing fiber and its textiles into public life， deepen and expand the utilization rates of high-performance fiber in various fields， we selected carbon fiber， aramid fiber and ultra-high molecular weight polyethylene fiber as the representatives， and reviewed the technical progress of these three fiber products in terms of low-cost production， dyeing and printing， and functional optimization. We mainly analyzed the innovation points of these technologies， the performance characteristics and application of the products， and the problems that need to be further explored， including how to reduce the processing cost， promote the performance and increase the added value of textile products. It is expected that these can provide ideas for the improvement of technical competitiveness and the development direction of high-performing fiber products in China.

Key words： high-performing fiber; carbon fiber; aramid fiber; ultra-high molecular weight polyethylene fiber

高性能纖维对来自外部的光、电、热、力等物理作用和氧化剂、酸碱等化学作用均具有较强的耐受力，具有高强高模、耐高温、阻燃等性能。高性能纤维可分为有机纤维和无机纤维两类[1]。有机纤维包括：芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维等;无机纤维主要包括：碳纤维、陶瓷纤维等。其中，仍处于高速发展期的三大纤维，即碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维，已逐渐并行进入了激烈的技术创新竞争期;他们的全球市场需求规模加速扩张。生产企业不断开拓其应用领域、开发适销新产品，以赢得竞争优势。

目前高性能纤维正处于蓬勃发展阶段，各种产品（复合材料，绳缆等）也陆续应用于军事、航空航天、航海、土木工程以及纺织服装等领域。本文对三大高性能纤维及纺织品的降低成本、提升功能和提高附加值的各种优化技术进行介绍分析，以促进高性能纺织品发展为社会共用、军民共享的优质产品。

1 碳纤维

碳纤维是由沿轴向堆叠的层状石墨微晶组成的一种纤维状碳基材料[2]，有着优异力学性能和轻质特性。经过几十年的发展，碳纤维的商业化应用已经遍布多个高新技术领域。

1.1 生产技术

目前，90%左右的商用碳纤维是由聚丙烯腈（Polyacrylonitrile， PAN）生产[3]，传统工业PAN基碳纤维价格高且产量有限，难以大幅度推广。为了降低成本，廉价的纺织级PAN和可再生的木质素等被用来作为碳纤维生产的前驱体材料。Jiang等[4]采用湿法纺丝制备了以麦草木质素和纺织腈纶共混物为原料的前驱体纤维，可降低碳纤维的生产成本;由于木质素具有较高的热反应温度，也可使木质素/PAN共混纤维的热稳定性得到提升。Huang等[5]使用了不含金属元素的盐酸胍来改性纺织腈纶，可使预氧化工序在较低温度下进行，降低了生产成本。同时，低温下腈基的环化反应形成的聚合物结构更稳定，使碳纤维有更好的力学性能。在预氧化前对含有光引发剂的PAN纤维进行紫外线照射，可增加环化反应速率而缩短氧化时间[3]。而Jo等[6]研究发现，对不含光引发剂的纺织级PAN纤维进行紫外线照射同样可以有效促进预氧化过程，用时仅需30 min。工艺简单的静电纺丝是制备碳纳米纤维（Carbon nanofibers， CNFs）的最佳方法，其工艺较多地取决于如PAN、沥青和木质素等前驱体[7]。Chen等[8]用酸酐对甘蔗渣进行均相酯化后与PAN共混来静电纺丝制备CNFs。酯化甘蔗渣有助CNFs的氮原子保留，使得纤维的热稳定性、导电率和表面活性均得到提高。该方法的原料中加入可再生和便宜的甘蔗渣，过程中简化了酯化后相分离步骤，都利于降低生产成本。

无论是传统的湿纺还是新颖的电纺，降低碳纤维生产成本的关键是原料和工艺，碳纤维研究的重点落在了碳基前驱体原料的筛选、改性以及工艺优化中工序的加减。当然，要想实现碳纤维低成本的大规模生产，生产率还有待提高。

1.2 着色技术

碳纤维的高结晶度和化学惰性使其难以用传统的染料或颜料来着色。光子晶体是一种采用不同折射率的材料在空间进行周期有序排列的介电材料，其具有的光子带隙使一定波长的光子被选择性地反射，反射光在晶体表面衍射产生颜色[9]。这种有色碳纤维可通过电泳沉积法将分散的带电胶体纳米粒子组装到碳纤维表面制得[10]，但在实际应用中机械耐久性不够。Niu等[11]将具有大折射率对比度的ZnO和Al2O3层作为周期组分，通过原子层沉积技术将其沉积在经等离子体活化的碳纤维表面，所制备的多色碳纤维具有优异的机械稳定性和耐洗性。在散射光条件下，该纤维的平纹机织物可表现出与角度无关的反射特性和色彩。

1.3 功能性技术

1.3.1 柔性纤维电极

随着可穿戴技术的快速发展，电子智能纺织品的研究工作近年来显著提升[12]。相应电子元件的研究和发展逐渐占据一席，比如基于碳纤维的织物是目前流行的柔性电极材料;此类电极的灵活性和优越性能等始终是智能纺织品发展中的一个重要问题[12]。Li等[13]通过动态模板煅烧工艺对涂有KOH的棉织物进行碳化，促使纤维壁上形成了分层有序的多孔结构，制作出的碳纤维织物机械强度优异、可作为超级电容电极。还有从其他角度开发超电容碳纤维织物电极，比如通过镍纳米粒子的选择性化学刻蚀和电化学剥落技术[14]使织物产生多尺度孔隙和反应基团，以及对碳纤维织物进行杂原子改性[15]。另外，CNFs有很好的导电性和大比表面积[7]，在电子器件的应用中极具潜力。Levitt等[16]将2D过渡金属碳化物Ti3C2Tx混入PAN溶液后采用静电纺制备碳纳米纤维毡，以此制作的复合电极的电容比纯碳纤维的要高，Ti3C2Tx的加入改善了复合电极的电化学性能，其导电性和耐用性也更强。

1.3.2 柔性传感器

随着大众健康意识和特殊领域的装备需求的提高，智能纺织品也逐渐融入监测系统以用于健康护理和监测，其中的关键元件之一是传感器。Azizkhani等[17]选择室温可固化的硅橡胶为基体、短切碳纤维为导电材料制备了电阻应变传感器，在高达25%的应变振幅内具有高灵敏度;且其恢复时间低于15 s。该类传感器用于人体监测时能保证信号稳定和较强的传感性能。类似的，压阻式短切碳纤维/聚二甲基硅氧烷复合传感器[18]的高灵敏度和可拉伸性使其适用于不同应用的应变传感检测，如人體运动、织物的褶皱等。但这类传感器需进一步改善，其压阻特性对负载结构敏感，施加的应变过高会导致灵敏度降低、压阻过渡延迟等问题。

2 芳纶纤维

芳纶全称为芳香族聚酰胺纤维，具有高强高模、低密度、耐磨、耐冲击和优良绝缘性等优点。由于酰胺键与苯环连接位置不同，芳纶存在分子结构的差异，常可分为对位芳纶、间位芳纶及芳纶Ⅲ[19]。

2.1 生产技术

近几年，国内外的芳纶纤维已经逐步实现高产值的产业化生产，并且产量逐年攀升。主要产品之一的芳纶1414（Poly-p-phenylene terephthamide， PPTA）纤维在纺纱过程中存在着控制成品质量好坏的关键点，陈洲榕[20]对此进行了生产工艺研究：纺纱前加入水和抗静电剂对PPTA纤维做预处理以减少静电;在梳棉时选用齿深浅齿密小、移动速度快的锡林、道夫等器件以解决纺纱中易生粉末、结节的难题，同时调整器件隔距以加快纤维转移。开发生产更高机械性能的芳纶纤维是拓展芳纶的应用领域值得研究的课题。Teng等[21]在浓硫酸中将商用PPTA与h-PPTA（高分子量PPTA）共混，干喷湿纺时h-PPTA可增强大分子间作用，而且对PPTA短链沿纤维轴的取向产生了诱导，所生产的芳纶纤维的拉伸强度和初始模量得到提高。此外，任仲恺等[22]对高强芳纶1313进行了研究制备，常规的芳纶1313断裂强度低于芳纶1414，通过提高纺丝液黏度和降低含固量可以增加聚合物分子量，并且添加改性剂能增加纤维的取向度和结构均匀度，同时逐步升温的分段水洗方式保证了纤维结构的致密性，这些多方面的工艺改进使纤维更高强耐用。

2.2 着色技术

芳纶的结构紧密、玻璃化温度高，难以用常规工艺染色。因此当纤维大分子链流动性增加，无定形区增多时，染料才易进入纤维内部与其结合。Azam等[23]提出近年芳纶染色的得色深度都较低，因此其采用苯甲醇作为膨胀剂对阳离子染料上染间位芳纶的工艺进行优化，所得织物的染色深度高且强度损失小。另外，Kale等[24]在染色芳纶表面进行二氧化钛纳米粒子涂层处理来解决染色芳纶耐光性差的问题。而对于芳纶纺织品的印花，用分散染料进行载体印花[25]是一个很好的尝试，但仍需进一步优化工艺以提高色牢度。

2.3 功能性技术

2.3.1 织物结构优化

随着个人和工业防护用品领域的需求增加，用芳纶制造的高性能防护织物的研究也应运而生。Moure等[26]基于芳纶织物纱线间的摩擦对抗冲击性能的较大影响，从纱线到组织的不同层次比较了不同结构的对位芳纶织物的力学性能和纱线摩擦系数。该研究发现，即使纱线的力学性能基本相同，其织物的力学性能也不同;当芳纶纤维在增强织物上按垂直角度叠层交织时可吸收大量的能量，大于一般柔软织物吸收的;并且，织物有较高的吸收能量密度和摩擦系数时，其防护性能也较佳。

2.3.2 织物性能提升

对于防护服实用性能的提升，Nayak等[27]对芳纶织物进行碳化硼涂层处理，虽然织物的整体抗刺性能得到了提高，但也造成了应力集中使织物的局部防护性能受到影响;同时涂层限制了汗液蒸汽的流动，导致舒适性降低。对于芳纶织物的导湿排汗性能差的问题，可采取酸性高锰酸钾或等离子体改性结合导湿排汗整理的方法[28]，使织物纤维产生极性基团，提高纤维浸润性，整理剂可更好地在纤维上渗透和结合。一般来说，多功能产品在市场更受欢迎。Shen等[29]通过浸渍涂层方法将水性聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和氟代烷基硅烷的混合溶液涂布于芳纶织物上，所得织物兼具耐久的超疏水和化学防护功能。Liu等[30]对芳纶织物进行浸渍剪切增稠液（Shear thickening fluid， STF）和覆盖碳纳米管（Carbon nanotubes， CNT）的复合工艺，得到了具有优异的保护和传感功能的复合织物。其中，CNT增加了织物的导电和响应特性，可进行有效的检测;STF的加入，使得复合织物能承受更高的冲击力，提供更强的保护。

3 超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene fiber， UHMWPE）纤维具有许多优异的性能，如高拉伸强度、高模量、低质量密度等，且在化学溶剂中表现出惰性[1]。

3.1 生产技术

目前UHMWPE纤维的生产已经形成产业化，但这种规模化的生产方法只有凝胶纺丝法能实现[31]。这种方法会使用大量的有机溶剂而导致生产成本很高的环境污染问题。而工艺简单、无需有机溶剂、成本低的熔融纺丝（熔纺）制备工艺是相对较好的选择。Kakiage等[32]结合了熔纺和熔融拉伸的制备方法来提高UHMWPE纤维的拉伸强度，熔融拉伸加速了纤维中伸直链晶体的取向增加，在145℃、拉伸比20和一定的应变速率条件下纤维的拉伸强度可达1.1GPa。相比于凝胶纺丝，熔纺所制得的UHMWPE纤维其力学性能要弱得多[31]。但在满足中等强度纤维市场和纺织品大众市场的需求上，轻污染的熔纺所制得的中强UHMWPE纤维已经足够。

3.2 着色技术

从UHMWPE纤维的下游市场来看，颜色丰富的UHMWPE纤维可提高其产品附加值和扩大市场应用，从而提高产品竞争力。但由于UHMWPE纤维结晶度高、缺少官能团等特点，很难进行传统方法的染色。Ma等[33]尝试在120℃、20MPa的超临界二氧化碳（scCO2）条件下对UHMWPE织物进行染色，随着染色时间和染料浓度的增加，UHMWPE织物的可染性不断提高，织物的色牢度也随染色时间延长而增加。并且，将十氢萘作为助溶剂加入到scCO2中可得到更大的得色量。但加入十氢萘后，scCO2和十氢萘的复合增塑和溶胀作用会促使纤维分子链的重取向[34]，结晶度和断裂强度显著降低。

3.3 功能性技术

3.3.1 柔性纤维电子材料

高导电柔性纤维是将服装的灵活舒适性与智能电子器件的功能性结合在一起的重要材料。Gao等[35]通过接枝聚合技术和金属活化技术，在UHMWPE纤维表面引入银离子后进行化学镀铜，制得具有极好电稳定性和耐久性的导电UHMWPE纤维，其电阻率可低至1.40×10-5 Ω·cm。该方法中，接枝聚合过程以水为溶剂，活化过程选择银离子，均有利于降低成本和保护环境。另一个重要的柔性纤维电子材料分类是柔性电极。Du等[36]采用结合涂覆聚多巴胺（Polydopamine， PDA）和聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）的方法，先后对UHMWPE纤维进行PDA涂层、化学镀银和PEDOT：PSS沉积的连续改性，制作出拉伸强度高达3.72GPa的复合电极。同时，该电极具有超长循环寿命，经过2万次循环后仍可保持90%的初始电容。其中，PEDOT：PSS是成膜性很好的导电聚合物，将其沉积成膜于纤维表面是制备超级电容电极的方法[37]。而PDA涂层可有效提高基体纤维与材料的结合力[38]。

3.3.2 织物性能提升

UHMWPE织物有较高的抗冲击性，但纤维间的摩擦系数小，在受到冲力时织物纱线易移位造成刺穿。研究表明，UHMWPE织物浸渍STF后其柔韧性和防刺性得到提高[39]，并且STF中添加较高浓度的SiO2有利于提高织物的耐刺性[40]。Li等[41]的进一步研究发现，当SiO2粒径为15 nm、质量分数为25%时，STF/UHMWPE复合织物的抗刺穿性能达到最佳。对于UHMWPE纱线间的摩擦问题，Arora等[42]通过实验发现，纱线间摩擦增大不一定利于冲击能量的吸收，STF提高织物抗冲击性的效果更多的取决于织物结构，包括织物密度和纱线的线密度。

纳米多孔聚乙烯的薄膜是一种耐磨、可透过红外不可透过可见光、透气性和导湿性较差的材料[43]，不可直接用于制作服装等纺织品。Liu等[44]对此进行改进，用甲氧基聚乙二醇-氨乙基/聚多巴胺颗粒（mPPDAPs）、聚酯纤维（PET）和UHMWPE进行复合，制备了可应用于纺织品的纳米多孔UHMWPE/PET复合织物。这主要是因为织物的UHMWPE相中有许多连通孔和断开蜂窝孔保证了透气舒适性，用来增强的PET网同样有助于织物透气;而mPPDAPs的加入改善了织物的亲水性。这种纳米多孔复合织物用作人体热管理纺织品的材料，在后续产品的技术成熟和成本控制之下，将有望成为普通大众的一项重要消费。

4 结 语

碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维及其纺织品的研究越来越深入，生产工艺日趋成熟。未来这三大纤维及其纺织品面向大众市场的发展方向是生产环保和低成本化，产品多彩化、智能化和多功能化，以及纤维的纳米化应用开发，以适合民众的消费水平和满足多样的消费需求。其中，工艺创新带来的成本不断下降、功能不断改进和增多的优势，将使处于创新技术竞争期的三大纤维得到更广阔高速的发展。随着技术研究的深入和产业链的逐渐完善，相信在不久将来高性能纤维产品会走进普通民众的生活。

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