吸湿排汗纤维研究

蒋叶群，孙振波，王建伟，曾 登

（连云港杜钟新奥神氨纶有限公司，江苏 连云港 222047）

随着科学和经济的发展，人们对生活品质的要求逐渐提升，尤其在服装方面。人们的要求已经从耐穿、实用，逐渐转变为舒适、健康、安全环保。吸湿排汗纤维可以调节贴身衣物与皮肤水分、湿度的关系，使面料既具有棉制品的触感，又具有清爽感，因此，被广泛应用于高档服饰、装饰甚至土木等领域[1]。一般来说，天然纤维吸湿性较好，穿着较舒适。大多数合成纤维亲水基团较少，吸湿性较差，人们在使用过程中容易产生闷热感，所以如何提高合成纤维的吸湿排汗性能已成为国内外差别化纤维的研究热点。

1 吸湿排汗机制

吸湿排汗过程包括吸湿过程和放湿过程。吸湿过程是纤维吸收人体皮肤蒸发的气态水的过程，放湿过程是纤维内部的毛细管、微孔、沟槽以及纤维之间的空隙所产生的毛细效应使水分在纤维材料内部及表面吸附、扩散和蒸发的过程[2]。

1.1 吸湿性能

纤维的吸湿能力与纤维微观结构有关，包括纤维大分子的组成和聚集状态。一般来说，纤维中亲水基团（羟基、氨基、羧基等）越多，基团极性越强，纤维的吸湿能力越强。大多数合成纤维的组成分子中亲水基团较少，吸湿能力较差。在天然纤维中，无论植物纤维还是动物纤维都含有较多的亲水基团，故吸湿率较高。

纤维大分子聚集状态对纤维吸湿性能也有影响。在纤维的组成结构中，结晶区分子排列较紧密，水分子不容易渗透进去，而非结晶区大分子排列松散，分子间存在缝隙和微孔，水分子容易渗透进去。一定范围内，纤维结晶度越低，吸湿能力越强[3]。

1.2 排汗性能

纤维的导湿过程主要包括浸润和芯吸。浸润是液态水沿单纤维或是纤维集合体表面利用浸润的形式进行传导，芯吸主要是毛细效应（毛细效应指液体在细管状物体内侧，由于液体自身内聚力与液体和管壁间附着力的差异，克服地心引力而上升的现象）。这主要是纤维集合体间形成缝隙、沟槽或是单纤维表面的凹槽、孔洞等对汗液的吸收。故纤维的导湿性能主要与纤维的表面形态及截面形态结构有关，一般可以通过降低纤维的纤度、增加纤维表面沟槽和孔洞以及使纤维表面异形化等方法来增加纤维的毛细效应，提高纤维的导湿能力[4]。

2 吸湿排汗纤维的研究进展

在吸湿排汗纤维研究方面，日本、美国和韩国起步较早，研发水平处于领先地位。例如日本帝人公司开发的WELLKEY纤维是聚酯中空纤维，纤维表面有许多贯通到中空部分的细孔，液态水可以从纤维表面渗透到中空部分，该纤维具有吸汗快和干爽的独特性能[5]。美国杜邦研发的CoolmaxR聚酯纤维截面呈“十”字管状，具有多孔结构且表面有4条排汗沟槽，可形成许多毛细效应强烈的细小芯吸管，迅速将皮肤上的湿汗抽离，使皮肤保持舒适干爽[6]。韩国晓星集团推出的Aerocool聚酯纤维模仿“苜蓿草”，其截面为四叶子形状，纤维表面具有微细沟槽和孔洞，具有优异的吸湿排汗性能[7]。

国内关于吸湿排汗纤维的研发起步相对较晚，但仍取得了较大的进展[8]。台湾中兴纺织研制开发的Coolplus纤维截面呈“十”字形，纵向分布着细微沟槽和孔洞，可将肌肤表层排出的湿气与汗水瞬间排出体外，使肌肤保持干爽与清凉[9]。中石化仪征化纤有限公司研发的COOLBST纤维填补了国内吸湿排汗短纤维的空白，采用全新的异型截面设计，利用毛细管原理，使纺织品能够快速吸水、输水、蒸发水分，从而保持人体皮肤的干爽和舒适[7]。济南正昊研发的SATIS纤维，在纤维大分子中引入亲水基团，且纤维具有三叶（角）截面、五叶截面、中空截面等结构，使得纤维具有优异的吸湿排汗性能[9]。经过几十年的发展，随着纺织技术、工艺的不断精进，吸湿排汗纤维产品的研发也越来越细化，包括纺丝效率的提高、纤维可加工性和强力的增强、纤维复合性能的改善、扩展吸湿排汗纤维应用领域等方面。

3 吸湿排汗纤维生产方法

目前，吸湿排汗纤维的生产方法包括物理改性和化学改性，且大部分吸湿排汗纤维是通过物理改性方法制得的。物理改性方法包括改变纤维横截面形状、降低纤维纤度、增加纤维的比表面积等，也可利用亲水剂对纤维进行表面涂层。化学改性方法主要是在化学纤维大分子中引入或在纤维表面接枝共聚亲水基团。

3.1 物理改性

3.1.1 纤维截面异形化、多孔化

普通化纤的截面为圆形，纤维表面完整且光滑，不具备吸收和导出水分的能力。对于异形截面、多孔中空纤维来说，纤维表面因为沟槽、微孔的存在而变得粗糙、不完整，使得纤维可以利用毛细现象将皮肤表面的水分快速地吸走并排出，从而达到吸湿排汗的效果。一般来说，异形截面、多孔纤维可以通过改变喷丝板的形状将溶液与特殊的微孔助剂共混并将其溶出形成微孔纺制。

江苏恒力化纤股份有限公司选用同时设有十字形喷丝孔和王字形喷丝孔的复合喷丝板纺制吸湿排汗纤维[10]，经同一喷丝板挤出的一束吸湿排汗纤维中同时含有十字形单丝和王字形单丝，吸湿排汗纤维的材质为聚酯。结果显示，该纤维的毛细参数≥0.16，常规产品的毛细参数为0.08～0.12，表明该纤维吸湿效果得到改善。为了研究异形截面纤维的导湿性能，李翠芳等[11]选取三叶形涤纶织物和普通涤纶织物测定其吸湿特性和芯吸效应，结果表明，三叶形涤纶织物的液态水传递性能优于普通涤纶织物，且芯吸速率比普通涤纶织物高。王朝生等[12]测试了U形截面涤纶长丝制成的各项多功能产品，并检验其吸湿导湿性能，结果表明，U形纤维比表面积比普通圆形截面纤维大20%左右，纤维表面含有沟槽，可形成芯吸效应，使得纤维具有较好的吸湿、导湿、散湿性能，可加快汗液的迁移和提高织物的干爽舒适性。

3.1.2 纤维细旦化

当纤维趋于细旦化时，纤维的表面积也随之增大，和人体皮肤接触面也增大了，细旦化纤维制成织物时，纤维间可以形成无数个微小孔隙，相当于无数个毛细管，使织物可以快速地将水分运走。Wang等[13]将一种金属有机骨架ZIF-8掺入聚丙烯腈（PAN）中以制备具有高表面粗糙度的超细纤维，并通过电纺将粗糙的超细纤维层与PAN纳米纤维层交替堆叠，形成多层结构化膜，随后用酸和碱对其进行处理，调整纤维表面的亲水性，引起多尺度的表面粗糙度，最终使纤维具有优异的吸湿排汗性能和颗粒物（PM）吸附性能。NING等[14]以棉纱为内层，通过静电纺丝技术在其外层纺制一层PAN纳米纤维膜，由棉纱和纳米纤维构成的毛细血管间存在尺寸差异，可将水分快速地运输，单向运输指数可达846%，赋予了纤维优良的吸湿排汗性能。

3.1.3 双组分复合纺丝

将聚酯和其他材料复合纺丝，制成具有皮芯结构的异形截面纤维，也可改善纤维的吸湿排汗性能。浙江恒逸高新材料有限公司[15]提出了一种多功能双组份聚酯皮芯复合纤维及制备方法，纤维中芯层成分选自聚酯，皮层成分选自改性聚酯，且皮层成分在多功能双组份聚酯皮芯复合纤维中质量分数为20%～50%。该纤维具有良好的吸湿排汗、抗静电以及优异的染色性能，可以满足人们对夏季功能性面料的需求。广东省化学纤维研究所[16]提出了一种吸湿排汗桔瓣型涤丙复合纤维的制备方法，该纤维的截面为桔瓣型骨架。桔瓣型骨架为聚酯材料，楔形填充部为聚丙烯改性材料，两种组分经喷丝孔挤出、冷却成型后，两组分之间所形成的桔瓣型截面能够产生永久的缝隙，从而使涤丙复合纤维的芯吸效应增强，且增加了纤维的表面积，吸湿效果更好。

3.2 化学改性

3.2.1 引入亲水基团

化学纤维的原材料主要为聚酯、聚酰胺等疏水材料，可通过引入亲水基团（羧基、羟基、酰胺基等）或者在聚合时加入亲水物质使聚合物具备亲水性，且纤维通过化学改性获得的亲水性具有持久性，使用时不会因为水洗、摩擦等外部原因而减弱。另外，在化学改性的基础上也可配合物理改性，使纤维具有异形截面以及较大的表面积，从而使纤维具有良好的吸湿排汗性能。安徽双帆高纤有限公司公开了一种亲水性差别化纤维的加工方法[17]，通过接枝共聚的方法来改善聚酯纤维的吸湿导湿性能。该方法主要是将聚酯合成物材料和催化剂加入酯化反应釜中进行酯化反应，待反应结束后，将合成的聚酯树脂加入接枝反应釜中，并加入接枝改性物料（由丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸钠、丙烯酰胺等组成）和引发剂进行接枝改性引入亲水基团。最后，将所制改性聚酯送入螺杆挤出机中，加热熔融成熔体，然后纺丝制得亲水性差别化聚酯纤维。该方法有效地改善了聚酯纤维的亲水性。张腾飞等[18]为了提高聚酯纤维的亲水性，使用对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）发生酯化反应生成对苯二甲酸乙二酯（BHET），然后利用生物基聚酰胺56低聚物（LPA56）和BHET发生酯交换反应生成新型聚酰胺酯。结果表明，新型聚酰胺酯纤维的回潮率是PET纤维的265%～390%，改性后聚酯亲水性得到明显提高。

3.2.2 纤维表面化学改性

对化学表面进行亲水处理，通过接枝、交联等方法来增加纤维表面的亲水基团，也可使纤维达到吸湿的目的，但是，纤维亲水性会随着水洗次数的增加而减弱。东华大学的李发学等[19]公开了一种超亲水抗菌纤维素纤维及其制备方法，该方法包括先将纤维素纤维、去离子水、引发剂（硝酸铈铵、过氧化氢、过氧化苯甲酰和过硫酸钠任意一种）置于反应釜中反应，得到超亲水纤维素纤维，然后将超亲水纤维和无机银溶液、还原剂一起反应，得到超亲水抗菌纤维素纤维。刘鸿铭等[20]先对聚丙烯纤维进行溶胀处理，然后采用硅烷偶联剂KH-570对纤维表面进行亲水处理。研究结果表明，硅烷偶联剂在聚丙烯纤维的表面发生了自水解反应并形成了一层保护膜，且由于硅烷偶联剂自身含有极性亲水官能团，极大地改善了聚丙烯纤维表面的亲水性能。

3.3 其他

除了上述几种方法，也有研究者在原料中加入新型材料，使纤维具备吸湿性能。魏洋[21]介绍了云母纤维的特点及制作工艺。云母纤维是一种新型的吸湿降温纤维，以涤纶或锦纶为载体融入纳米云母，利用本身天然的层状结构和“导热+含水”双重功效研发的冰凉纤维，具有良好的吸水、导热、吸附性能。另外，也有学者利用纤维表面疏水性的差异制备吸湿排汗纤维。DONG Y等[22]为了改善水的输送性能，通过静电纺丝制造了由亲水性PAN外层和疏水性聚偏二氟乙烯（PVDF）内层组成的双层纳米纤维非织造垫，内层和外层之间表面疏水性的明显差异引起推挽效应，从而有效地将水从内层输送到外层，使纤维具有优异的吸湿排汗性能。

4 结语

目前，吸湿排汗产品在日常生活中已经有了较多的应用，包括运动服、内衣、休闲服等，且由于人们消费需求的不断升级，吸湿排汗产品将会有更大的应用市场，应当不断完善吸湿排汗纤维的制备工艺，拓展在医疗卫生、工业、建筑等领域上的应用，不断挖掘吸湿排汗产品的应用潜力。另外，随着功能材料的不断开发，纺织面料的功能逐渐多样化，单一功能的吸湿排汗纤维已经无法满足市场的需要，增加吸湿排汗纤维的附加功能，使纤维在具备吸湿排汗性能的同时兼具除臭、抗菌、抗静电、防紫外等多种优异性能，也是未来吸湿排汗纤维的研发热点。