功能性面料的开发现状浅析

章佳杰 徐 壁 蔡再生

东华大学 化学化工与生物工程学院(中国)

随着科学技术与经济水平的迅速发展，人们的物质生活水平逐渐提高，对纺织品也提出了新的要求。目前，除服装和家居用纺织品外，运用于各产业领域的产业用纺织品也越来越多地受到人们的关注[1]。与此同时，人们对纺织品也提出了除美观、遮体和保暖以外的要求，如要求其具有高强度，可防辐射、抗静电等。伴随着技术和经济的发展，环境污染问题越来越突出，环境保护意识也逐渐深入人心，目前，保护环境已上升为中国的一项基本国策。基于此，除实用的功能性要求外，人们对纺织品也提出了环保的要求。在2019中国国际纺织面料及辅料(秋冬)博览会上，生物降解、生物原生质材料纺织品映入人们的眼帘，功能性面料受到人们的青睐，逐渐在目前的面料市场中占据一席之地。

功能性纺织品按照应用领域进行分类，可分为服装用功能纺织品、家用功能纺织品和产业用功能纺织品。服装用与家用功能纺织品通常要求纺织品具有抗静电、防辐射等防护功能，具有柔软、吸湿透气等服用舒适性，以及防水防油、免烫等易护理特性。产业用纺织品因特殊的用途及较恶劣的使用环境，普通面料难以满足其应用条件，故产业用纺织品多采用功能性面料制作。这促使功能性面料的研发逐渐成为面料开发的主流方向之一。

开发功能性面料的方式主要有两种，一种是通过后整理的方式，赋予面料各种各样的功能性，以满足人们对于面料的要求。通过后整理方式开发功能面料，其操作步骤简单，面料功能效果良好，目前主流的功能性面料主要是通过后整理的方式完成的，但经后整理处理的功能性面料的耐久性并不是很理想。另一种方式是先开发功能性纤维，再由功能性纤维直接织制功能性面料。功能纤维的开发可在很大程度上改善功能面料的耐用性问题，此外，由于是从纤维角度进行处理，这还可使面料获得其本身难以达到的其他功能，如纳米纤维面料的超高强度，生物降解面料的生物降解性能等。本文主要针对纳米纤维面料、防电磁辐射面料和导电面料，介绍其制备方法及最新加工技术。

1 纳米纤维面料

纳米纤维面料主要由纳米纤维织制而成，由于纳米纤维直径很小，因此纳米纤维面料具有较小的孔隙尺寸与较大的孔隙率，从而在过滤、吸声降噪及纳米纤维增强复合材料方面具有较好的应用前景。

目前，制备纳米纤维的方法主要有两种：一种是静电纺丝技术，另一种是先进熔纺技术。静电纺丝[2]是对聚合液通上几千伏特甚至上万伏特的静电，在施加强电压后，针头处的液滴将由球形变为圆锥形(形成泰勒锥)，当电场力足够大时，聚合物液滴战胜表面张力形成喷发细流。聚合液中的溶剂在喷发过程中蒸腾，导致聚合液细流固化，并最终落在接收板上，形成纤维直径为纳米级别的非织造布。先进熔纺技术则是通过精密控制聚合物流体，纺制海岛型共轭纤维，进而得到纤维直径小于150 nm的多边形纳米级织物。

静电纺丝技术方面，Malakhov等通过将聚丙烯(PP)与单价或二价的钠、镁或锌的硬脂酸盐共混，形成聚合液，再通过静电纺丝制得直径小于5 nm的纤维[3]。在纺丝过程中，钠、镁、锌的硬脂酸盐主要起降低PP熔体黏度的作用，从而提高可纺性，以更容易地制备纤维直径小的纳米纤维。采用这种纳米纤维制备织物后，对所得织物进行X射线衍射(XRD)分析，发现PP粒子的超分子结构不同于原先的PP粒子，在PP粒子中可观察到稳定的α型结晶结构，而该结构的存在，可使织物具有超疏水性。

先进熔融技术方面，采用海岛纺丝法[4]进行纺丝，纺制的纤维截面上包含基质成分(即海成分)与分散相成分(即岛成分)，如图1所示。去除海成分后，剩下的岛成分，可以是中空藕型纤维，也可以是超细纤维。其中中空的藕型纤维即海岛纤维。采用海岛纺丝法制备超细纤维主要是通过改进喷头，增加岛成分的百分比及海岛纤维中岛的数量，使海岛纤维中的岛成分成为纳米纤维。日本东丽公司开发的海岛共轭纺丝技术，即在海岛纺丝法的基础上，减小出料口面积，改变出料口的形状，减少纤维与出料口的接触面积，降低摩擦因数，使纺制的纤维直径更小，更易形成纳米纤维。

图1 海岛纤维截面示意图

2 防电磁辐射面料

当今生活中，电磁辐射对人们的影响越来越大，防电磁辐射织物的开发也逐渐受到重视。防电磁辐射材料按原理主要分两种，一种是防电磁辐射材料反射电磁波，使电磁波无法到达人体，从而达到防电磁辐射效果，即电磁屏蔽。另一种是通过吸收电磁波或使电磁波在传输过程中产生损耗，达到防电磁辐射效果，即电磁吸收。电磁屏蔽面料主要是通过增加材料的导电性，从而增加面料的电磁波反射，达到电磁屏蔽作用。电磁吸收面料则主要是通过增加材料的磁性，将吸收的电磁波转化为热量释放到空气中，从而达到防电磁辐射效果[5]。

Gupta等[6]通过将聚氨酯树脂(由聚酯polyol-8与环己烷二异氰酸盐组成)与碳纳米涂层进行不同比例的共混，再涂覆到棉织物上，改善棉织物吸收电磁波的性能。棉织物涂覆带碳纳米涂料后，其导电性能改善，从而提升了织物对电磁波的吸收能力。研究结果表明，随着碳含量的增加，织物的介电常数增大，吸收能力增强，但碳含量达一定程度后，进一步增大，因电导率增大，吸收减少，反射增加。研究结果表明，对于厚1.3 mm的棉织物，当碳含量(质量分数)为6.55%、聚氨酯质量分数为93.55%时，在X波段(8.2～12.4 GHz)和Ku波段(12～18 GHz)，其吸收率为46%，透射率为29.49%，反射率为24.5%。

Liu等[7]采用超声波化学镀的方法，在羰基铁粉(CIP)上沉积铜，制得改性CIP，并将改性CIP与涂料及水溶性涂料AH0203混合，涂覆在织物表面，制作表面镀层吸波织物。研究表明，当改性CIP的质量分数为85%时，其复合渗透率与介电常数较初始CIP均提高。当涂层厚度为2.08 mm时，涂层面料在8～12 GHz频段内的最小反射损耗达-8.43 dB，在频率为9.35 GHz处，反射损耗达-26.00 dB，证实了进行超声波化学镀工艺后，面料的吸波能力有较大的提高。

关于电磁屏蔽织物的研究，Yao等[8]通过将非晶态的Ni-Fe-P合金与Ni-P合金分别沉积到聚对二甲酸乙二酯织物上，得到两种具有致密而均匀的涂层的柔性屏蔽材料，并对其电磁屏蔽性能进行对比。研究通过改变电流密度、温度和pH值，探讨了两种不同组成的镀层性能差异，结果表明，温度为69 ℃、电流密度为0.087 A/m2、pH值为1.5时，所得电磁屏蔽织物的性能较优，且非晶态的Ni-Fe-P镀层的电磁屏蔽效果优于Ni-P镀层。在300 kHz～1.5 G Hz频段内，非晶态的Ni-Fe-P镀层电磁屏蔽效能为69.20～80.30 dB，可满足目前日常的电磁防护应用。

Ialam等[9]采用氧化石墨烯对面料进行染色，然后在100 ℃及在微波辅助条件下，用绿色还原剂L-抗坏血酸还原经氧化石墨烯染色的面料，得到具有电磁屏蔽性能的面料。在研究中，其探讨了不同质量比的还原氧化石墨烯(rGO)对织物电阻的影响，并用多巴胺对织物进行处理，然后对比了多巴胺处理前后面料的rGO染色性能差异。研究结果表明，经多巴胺处理后，面料对rGO具有更强的吸附力，且经rGO染色后织物具有较好的电磁屏蔽性能，在X波段的30～1 530 MHz范围内，面料具有更高的电导率(0.23 S/cm)与更好的电磁屏蔽效能(-35.00～-26.00 dB)。

采用具有吸收电磁波功能的碳纤维、纳米纤维及改性的防电磁波纤维进行织造，也可制作防电磁辐射织物。但由于目前具有吸收电磁波功能的纤维基本上亲肤性均较差，因此无法应用于日常的电磁防护[10-12]。

3 导电面料

日常生活中，静电对人们的影响很大。纺织品在使用的过程中容易因摩擦而产生静电，较高的电压会对人体产生电击，甚至会引发爆炸、火灾等事故。目前的导电面料主要有两种制备方法，一是对面料表面进行改性，赋予其导电性，二是利用导电纤维编织导电面料[13-15]。

目前，关于导电纤维的研究较多[16-19]。Wu等[20]介绍了一种基于溶液的金属化面料，其在纤维表面涂覆一层金，从而赋予面料较耐久的导电性且不改变面料的孔隙结构。所得导电纤维具有较高的导电性，电阻约为1.07 Ω/m2。对由导电纤维制成的面料进行拉伸试验，结果表明，当面料的形变达15%时，导电纤维的电阻下降80%，继续拉伸纤维，电阻保持不变，直至面料的形变达160%。张鲁燕等[21]制备了一种复合导电纱线，并测试了定速拉伸情况下纤维的电阻变化，研究结果表明，以直径为0.035 mm的不锈钢丝为芯纱、线密度为88.9 dtex的桑蚕丝为包覆纱制得的复合导电纱线具有良好的导电性。

对面料进行后整理赋予其导电性主要通过金属镀层、化学镀及磁控溅射等方式实现。武翔等[22]以吡咯为单体，对甲苯磺酸为掺杂剂，过硫酸铵为氧化剂，尼龙为单体，制备出聚吡咯尼龙导电织物，所得织物具有良好的导电性能，且整理后织物的断裂强力与透湿性能几乎不受影响。

4 结语

本文主要分析梳理了纳米纤维面料、防电磁辐射面料和导电面料这3种功能面料的制备方法及最新加工技术。鉴于静电纺丝与先进熔融技术制得的纳米纤维面料在过滤、降噪等方面的卓越成效，防电磁屏蔽面料在军工领域的优异表现，以及导电面料良好的抗静电减灾效果，功能性面料愈发受到人们的重视。高附加值的功能性面料为人们的生活带来了极大的便利，未来，功能性面料的研究有望成为面料发展的主流方向之一。