功能纤维材料及研发进展

汪晓鹏，杨金部

（1.甘肃省轻工研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2.甘肃中轻轻工责任公司，甘肃 兰州 730000）

材料是人类生产和生活的物质基础，开发应用是衡量社会文明进步的标志。当今，纤维、与橡胶、塑料是世界三大高分子材料。距今约5000 万年前，中华民族已使用麻、毛、棉和丝绸四大天然纤维。闻名世界的古“丝绸之路”就是以纤维织物命名的商贸流通。功能纤维（Functional fiber）、又统称高科技纤维（High Technology Fiber）其发展是现代纤维科学进步的象征。功能纤维、差别化纤维和高性能纤维的发展为传统纺织工业的技术创新、向高科技产业的转化创造了有利条件,为人类生活水平的提高作出了贡献，尤其是高性能功能纤维及其复合材料是国防先进武器和国民经济发展的最重要工程材料之一，其研发、制造、应用更是当今世界科技强国竞争的热点和焦点。功能纤维是指除一般纤维所具有的物理机械性能以外,还具有某种特殊功能的新型纤维。科技纤维已广泛应用于航天航空、新型建材、高速交通、海洋开发、体育器材、个体防护和日常生活等领域。

1 功能纤维材料

功能纤维按其属性可分为4 大类：⑴物理性功能。包括①电学功能，主要有抗静电性、导电性、电磁波屏蔽性、光电性以及信息记忆性等；②热学功能，有耐高温性、绝热性、阻燃性、热敏性、蓄热性以及耐低温性等；③光学功能，有光导性、光折射性、光干涉性、耐光耐候性、偏光性以及光吸收性等；④物理形态功能，有异形截面形状、超微细和表面微细加工性等。⑵化学性功能。有光降解性、光交联性、消异味功能和催化活性功能等。（3）物质分离性功能。如分离性功能有中空分离性、微孔分离性、超滤、微滤、纳滤和反渗透性等；吸附交换功能有离子交换性、高吸水性、选择吸附性等。⑷生物适应性功能。医疗保健功能有防护性、抗菌性等，人工透析性、生物吸收性和生物相容性等。

1.1 功能型纤维

在仿真仿生学及其技术基础上发展起来的超真纤维、高感知纤维和具有特殊功能（诸如抗静电、膜分离、医疗保健、光、热、电等功能）的纤维。主要有：（1）高分子聚合物纤维，由聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）纤维制成的Corterra 纤维，被誉为“未来的弹纤维”，具有舒适性、柔软、蓬松、易染色、色彩明亮及耐用等特性，主要应用于厚重或衬衫机织物以及针织内衣等。（2）聚酯纤维，聚酯纤维的相对疏水性在控制织物含湿量方面优于天然棉和羊毛，它能将水分从人体芯吸到织物表面并除去。美国DuPont 公司利用生产的CoolMax 产品具有优良的芯吸能力、很好的舒适性能，主要用于制作军服和运动服等。（3）抗菌纤维，通过将抗菌剂掺入纺丝液加工而成，其中以纳米级含银沸石的无极抗菌剂制成的纤维最好，具有广谱抗菌、耐热性好、功效持久、安全可靠、不产生抗药性等。主要用于内衣、卫生材料和床上用品等。（4）抗静电纤维，通过对合成纤维进行改性，在聚合物基材中添加抗静电剂，或引入第三种单体复合而成具有抗静电能力。产品用于地毯清洁、窗帘、医疗手术工作服和防污防黏等纺织品。（5）远红外线纤维，将陶瓷粉末与涤纶、丙纶、粘胶等合成纤维在喷丝前熔融而成，该纤维能促进血液循环，增加人体供血供氧，加快新成代谢，改善人体机能。应用于医疗、保健领域。（6）抗紫外线纤维，由紫外线屏蔽剂经过熔融纺丝制成抗紫外纤维。其对紫外线屏蔽率高达92%以上，同时对热辐射也有一定的屏蔽效果，主要制作夏季防晒的衬衫、T 恤和遮阳伞等。

1.2 环保型纤维

主要有（1）天然彩色棉和羊毛、兔毛等。（2）麻类纤维，有亚麻、苎麻、黄麻等麻类纤维。具有天然抗菌、抑菌性能、保健、抗紫外线、防静电等功能，是天然绿色纤维。（3）Tencel 纤维（天丝纤维），是将木质浆粕的天然特性完全再现，属于碳水化合物，能生物降解，无废物、副产品，完全回收使用，是名副其实的“生态环保”纤维。（4）聚乳酸（PLA）纤维，聚乳酸又称为聚丙交酯，是线性聚酯类高分子。由玉米、大米、小麦、薯干粉及有机废弃物等为原料经发酵成乳酸，然后聚合、纺丝制成，富有弹性、吸湿透气、耐热和防紫外线等功能。废弃物自然降解CO2 和H2O，是绿色环保型纤维，主要制作内衣、外衣、医疗纺织品和工业原料等。（5）甲壳素纤维，由虾、蟹、昆虫等壳制成的纤维。有良好的吸湿性、透气性和杀菌防臭的特性。主要用于医疗卫生行业。（6）其他诸如牛奶纤维大豆纤维、竹原纤维、木纤维等。

1.3 智能型纤维

智能纤维是以功能纤维材料为基础，运用材料科学、微电子学、现代控制论、计算机科学、人工智能和神经网络等一系列高新技术，属于集成技术创新。赋予纺织材料系统或纤维大分子链结构本身以智能特性。智能纤维织物系统集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料所具备的自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。主要有（1）光敏纤维。指在光的刺激下发生颜色和导电性可逆变化的纤维，主要有光致变色、热致变色和光导纤维。其中光导纤维最著名的应用是做光纤传感器，这是迄今为止发展最为成熟的纤维传感器。将光导纤维与变色染料复合制成的服装材料，颜色能够自动变化；将光纤传感器镶嵌于降落伞中还能探测降落伞的应力变化情况。（2）导电玻璃纤维。将玻璃镀金技术和玻璃纤维表面处理技术结合开发的新产品。该材料应用于隐身材料的研究开发，例如美国B-2 隐形轰炸机表面即使用导电玻纤复合材料。（3）形状记忆纤维。目前，研究应用最为普遍是镍钛合金形状记忆纤维。英国研制的防护服就采用镍钛合金纤维，能避免高温和烫伤。（3）智能调温纤维。智能调温纤维含有低温相变物质，在相变温度时吸收或放出热量，使得该纺织品具有智能调节作用。是一种能够提供智能调节功能的新型材料，被专家誉为自有防水湿透织物技术以来最重要的舒适性纺织品。

智能纤维是一种奇妙的材料。主要应用于①服装领域，如智能宇航、服变色服、蓄热调温服、智能保健服、智能军服和其他自清洁服、自修补服、智能消防服、音乐服等；②装饰领域，光致变色和热致变色纤维，用在床罩、灯罩、浴罩和窗帘、壁纸等室内装饰品领域；③培育新兴产业，智能纤维以奇特的性能不断催生出新型产业。诸如新型医疗用品，新型传感元件，新型热机、它可将化学能直接转化成机械能，如新型分离膜，人工肌肉等。

1.4 高性能纤维[1]

该类纤维是以芳香族纤维、碳纤维和无机纤维为代表的高强、高模、高耐温及高性能纤维（High Performance Fiber,）或超级纤维（Super Fiber）。一般是指强度大于17.6 cN/dtex，模量440 cN/dtex 以上的纤维。是具有特殊物理化学结构、性能和用途以及具有特殊功能的化学纤维。比如耐强腐蚀、低磨损性、耐高温、抗阻燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、高效过滤以及各种医学功能。这类纤维大多应用于工业、国防、航天航空、医疗、环保和尖端科学技术领域。主要有（1）耐腐蚀纤维。即含氟纤维，有聚四氟乙烯（PTFE），耐高低温（-200～260 ℃），短期使用温度300 ℃；四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维（FEP）、聚偏氯乙烯纤维（Kynar）、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维（Halar）等。（2）耐高温纤维。有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（Nomex），在220 ℃温度下可使用10 年之久；聚酰亚胺纤维、聚苯砜酰胺纤维、聚酰胺-酰亚胺纤维（PAI），长期使用温度280 ℃；杂环聚合物有聚苯并咪唑类纤维，品种有聚苯并咪唑（PBI）、聚亚苯基苯并噁唑（PBO），工作温度高达300～350 ℃。PBO 高强度、高模量和阻燃性优秀，其性能甚至超过了Kevlar，被誉为“21 世纪的新兴纤维”。（3）抗燃纤维。有酚醛纤维（Kynol）、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维（Pynomer）等。（4）高强度、高模量纤维。有聚苯二甲酰对苯二胺纤维（Kevlar，即凯夫拉）——是高强度、高模量耐高温的聚合物材料，超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE，分子量高达150 万以上）、芳纶和碳纤维是“世界三大高科技纤维”，UHMWPE 的强度是钢丝绳的15 倍，是强度最高的化学纤维，被称为“轻薄如纸、坚硬如钢”的材料。芳香族聚酰胺共聚纤维（HM-50）、杂环族聚氨酰胺纤维、碳纤维（Carfon fiber，其中纤维素纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维已实现了工业化生产）、石墨纤维（M40）、碳化硅纤维等。（5）功能纤维。中空纤维半透明膜（B-9、B-10、PRISM 等）、活性炭纤维（KF）、超细纤维毡、吸油纤维毡（Tafnel）、光导纤维、导电纤维等。（6）弹性体纤维。有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维（Spandex）、聚丙烯酰酯类纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维（Fiber-L）等。（7）芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维）。是一种耐高温的高强高模量特种纤维，具有超高强度、高耐温、耐酸碱、质轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优点，广泛应用于国防军工、复合材料、防弹制品、建材、特种防护服和电子设备等领域，被誉为“全能纤维”，我国神舟飞船返回舱主降落伞就使用该材料。主要品种有间位芳纶（芳纶1313）、对位芳纶（芳纶1414），芳纶（1414）与其他高强度纤维性能比较见表1。（7）蜘蛛丝天然纤维中的高性能纤维。在显微镜下呈透明固体状，横截面为圆形。具有极好的拉伸特性，拉伸强度97.9 cN/dtex。具有蚕丝和一般纤维无法比拟的卓越性能，强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大等特性。（8）无机纤维，主要碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、高强度玻璃纤维等。

表1 芳纶（1414）纤维与其他高强度纤维性能比较[2]

1.5 阻燃型纤维[3]

众所周知，大多数纤维均是易燃可燃物，但可通物理改性、化学改性及后整理阻燃技术，对其赋予阻燃的功效。物理改性，是阻燃剂与纤维基材中的组分不发生化学反应，只是以物理方式分散于基材中，达到阻燃目的。但需要较大添加量才能起到阻燃作用，而且对基材的性能较大影响。然而价格便宜、适用性强、应用广泛。化学改性，是属于反应性与纤维聚合物发生反应，最后成为纤维的结构单元或官能团。化学改性具有稳定性好、不流失、持久、毒性小，对纤维性能影响小。具体方法，可采用共聚法、共混法、接枝共聚、阻燃剂吸附法、纤维表面卤化法和后处理改性达到阻燃的目的。品种主要有阻燃聚酯、阻燃聚丙烯、阻燃聚丙烯腈纤维、阻燃黏胶纤维和多功能化的阻燃+抗静电或导电、阻燃+吸湿、阻燃+保健等复合化纤维及绿色化。例如经阻燃改性，聚丙烯腈氧化纤维（PANOF），氧指数（OI）高达55～62，燃烧时不熔无熔滴，900 ℃火焰中可保持3min 以上，直至碳化仍保持原状。另外，还有本质阻燃性纤维，是其固有的性能，本质上不燃或难燃，具有高超的热稳定性。主要有聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（PPTA）、聚间苯二酰间苯二胺（MPIA）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯并咪唑（PBI）、聚对亚苯基苯并双噁唑纤维（PBO）、石墨化碳纤维、酚醛树脂（Kynol）、聚四氟乙烯（PTFE）、三聚氰胺缩甲醛纤维（MF）等。

1.6 其他功能型纤维[4]

1.6.1 膜分离功能纤维

按期作用机理有反渗透、超滤、微滤、渗析、电渗析等膜。品种有离子交换纤维、吸附树脂纤维、螯合树脂及纤维、氧化还原树脂及纤维和高吸水纤维等。根据化学组成不同可分为纤维素类、乙烯基聚合物及其共聚物、聚酰胺、聚酯、芳香--杂环聚合物、聚砜类、离子聚合物、无机物和复合膜表面活性物等。主要应用于医疗保健、水净化和废水处理、食品生物制品、气体分离和石油化工等。

1.6.2 医用保健功能纤维

有高吸水性纤维、医用缝合线、骨胶原纤维、壳聚糖纤维、放射性纤维、食用纤维、人造纤维、人造血管、医用富养器和水果保鲜纤维等；抗菌防臭纤维、防臭消臭纤维、芳香纤维、麻醉性纤维等；人工器官用纤维包括人工肾血液透析器、人工肝透析膜、肝腹水超滤浓缩回输器、血液浓缩器、人工肺、混合型人工脏器与人工胰脏；医用纤维复合材料主要有人工骨、关节及接骨材料、人工心脏、医用粘合剂等。

1.6.3 离子交换与螯合纤维

离子交换与螯合纤维（IEF and CLF）,主要指具有离子交换与吸附、配位螯合、反应性催化等功能的纤维状有机功能材料。着重应用于极性气体分子的吸附滤除、高纯水制备、工业废水净化与微量元素富集、湿法冶金领域、高分子催化剂、稀土元素提取、生化工程及天然产品分离萃取、医疗纺织领域等。

1.6.4 高强高模量聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈纤维，活性碳纤维等以及其他纤维

高强高模量聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈纤维主要用于绳索类、防弹材料和复合材料的增强材料等。活性炭纤维（ACF）具有大的比表面积、多孔结构及强表面反应性，因此具有广谱吸附性能和高吸附容量，广泛应用于水的纯化、脱色、除臭、脱氯，以及溶剂回收、空气净化等环境和资源回收领域，并与许多工业行业息息相关。其他还有离子交换与螯合纤维、中空纤维及无机纤维等。

2 功能纤维最新研究成果

积极面向市场需求成为功能纤维研究的方向，如超仿真纤维、低温染色纤维、吸湿速干纤维、高熔点纤维等是差别化功能纤维的重点品种。面向作战、特种防护、智能纺织品等特种需求，此外，阻燃纤维、导电纤维、抑菌纤维、高耐磨纤维等也是重要品种[5]。目前有8 种最具发展前景的新型功能纤维和织物。

①可提供动力的服装。美国南卡罗来纳大学的研发团队正研发将棉T 恤衫转化成电源的服装，将来可起到超级双层电容器的作用，并且具有极高的储能密度。制成稳定的高性能电容器，可为手机、笔记本电脑充电，即使经过上千次充放电后仍能保持高达95%的性能。②致冷超吸附织物与服装。英国Grimsby的超吸附纤维(SAF)制造厂家TechnicalAbsorbents 有限公司展出了一种在各种极热环境下，可使厚重外套的穿着者保持凉爽感的纤维，其主要优点是降低穿着者的热应力和疲劳，并赋予更好的舒适性和性能接受力，可多次洗涤。该纤维被制成各种服装，使穿着者在接触热应力时温度下降6 ℃左右，现已用于英国Lincolnshire 消防部门作为消防服的内衬。③防静电、耐磨服装和画面擦拭布。日本TAYCA 公司利用其吸收电磁波的导电纤维，开发了在家电(触摸屏、显示器、防护板等)清洁布、手套、大衣和裙子等民生领域的应用。这种家电专用的导电纤维，可以自由控制导电性范围。由于其在纤维表面包覆了极薄的导电聚合物膜，既可保持纤维原有的柔软性和风格，还兼有优良的耐磨性、耐热性和耐湿性等，而且还可根据需要进行着色。④能促进生物器官再生的织物。德国Dresden(德累斯顿)技术大学纺织机械和高性能材料工艺研究所的研究人员，将水生甲壳类生物的甲壳素通过湿法纺丝制得了超纯的100%壳聚糖生物质纤维，并加工成片状纺织品，具有极佳的强度与质量。这种壳聚糖纤维已被用于手术缝合线等领域，还可用于再生医疗领域。⑤固沙与绿化用纤维。日本东丽公司与中国治沙固沙学会签订了采用聚乳酸(PLA)纤维“ェコヂィア”进行固沙和绿化的协议，将以北京近郊总面积100 亩的沙地为试验田，设置该公司的PLA 防沙移动材料。PLA纤维是一种可节约石油资源的生物质可降解纤维，还可减少CO2的排放量。⑥电发热非织造布。Norafin 公司开发了一种导电非织造布，可用作加热元件或电极。与以往的流体加热器相比，该产品质轻、操作简便，性价比高；以往的由碳纤维等制成的导电织物或发热纺织品，生产成本较高，易破损而造成短路，柔软性差，而该导电纤维非织造布发热体则具有良好的悬垂性和柔软性，易吸收树脂，与电源接触性良好，即使在低于48V 的电压区域加热，也可实现快捷而均匀的效果。⑦柔性电子产品。北卡罗来纳州立大学的纺织工程科学家们开发了一种导电纳米涂料，可应用于棉花、非织造布和聚丙烯纺织品等中，制成质轻、柔软的系列功能性纺织品，可改进太阳能电池、传感器和各种微电子产品的性能。⑧耐热纳米纤维非织造布电池隔膜。帝人技术公司开发了可以批量生产的间位芳酰胺纳米纤维非织造布，纤维直径100 nm，制品的耐热性和尺寸稳定性优良，即使在300 ℃下仍可保持其原形，耐氧化性佳，目前正开展以锂离子二次电池隔膜为核心的市场开拓。采用这种隔膜可望提高电动汽车及静态储能用的锂离子电池(LIB)的功率安全性、容量及能量密度，且与通常的电池隔膜相比可在高容量和高能量密度下降低自燃等风险。

3 结语

作为新型材料重要组成部分的功能纤维，是基于材料、信息、机械、生物等学科领域的技术突破与交叉融合，强调功能创新、强化与复合，具有质轻、多功能、智能、择优取向等特性；有超高性能、高性价比、高附加值、高产业拉动效应以及低碳绿色等优异特性；能对传统产业起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维材料。

功能纤维是为了满足工农业生产的需求开发的一种特殊性能的材料。今后，在功能高分子纤维研究开发中，重点在高分子分子、结构设计、复合化、纳米化和新型纤维成形技术工艺的集成创新方面发力。同时，加快“产学研用”协作发展的步伐，以适应“科技为王”时代的发展要求。不断开发出新型产品，赋予纤维更多更强的功能，扩大应用领域和范围。推动纤维产业向着更先进纤维（High-Grade Advanced Fibers）的方向发展，顺应国民经济和国防科技发展要求及高科技时代发展的潮流。不断增强功能纤维产业的市场竞争力，当前，先进功能纤维全球销售额已超过500 亿美元，年均增长率超过20%，已显示出巨大的市场空间和增长潜力。