多功能纤维材料的发展与展望

席满意　周艳青　伍家卫　杨兴锴　马庭洲　王春磊　李昊远

摘要：介绍了多种传统纤维材料如天然纤维、化学纤维、金属纤维、碳纤维等多方面的最新应用，论述了纤维材料在阻燃、抗菌、抗紫外、热管理与可穿戴新型多功能领域的发展，综述了近年来功能纤维材料的最新研究进展，并对其在今后的发展应用前景进行展望，多功能纤维材料朝着功能化、智能化与电子化方向快速发展，并在能源、环保、智能、可穿戴甚至对我国的产业转型与产业升级都有至关重要的作用。

关键词：纤维材料  阻燃  抗菌  抗紫外  发展趋势

中图分类号：TS106.6 文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Development and Prospect of Multifunctional Fiber Materials

XI Manyi  ZHOU Yanqing  WU Jiawei  YANG Xingkai  MA Tingzhou  WANG Chunlei

LI  Haoyuan

（Lanzhou Petrochemical  University of Vocational Technical，Lanzhou，Gansu Province， 730060 China）

Abstract： Introduced a variety of traditional fiber materials such as natural fiber， chemical fiber， metal fiber， carbon fiber， many new applications， such as fiber materials are discussed in the flame retardant， antibacterial， ultraviolet resistant， thermal management and wearable new developments in the field of multi-function， in recent years were reviewed the latest research progress of functional fiber materials， and the application prospect of the development of in the future， Multi-functional fiber materials are developing rapidly in the direction of functionalization， intelligence and electronization， and play a vital role in energy， environmental protection， intelligence， wearable and even in China's industrial transformation and industrial upgrading.

KeyWords：Fiber material;Flame retardant;Antibacterial;Uv resistance;The development trend

纤维材料一般具有大長径比（>500）、小直径（<100µm），并且在某种程度上具有较强抗拉性与柔性[1]。提到纤维材料，人们最常想到的是天然纤维材料与化学纤维材料两类。天然纤维的使用具有悠久的历史，主要包括棉纤维、丝绸、木纤维等。尽管它们具有良好的柔韧性和力学性能，但仍然难以满足人们日益增长的需求与多样化需要。化学纤维的发展历史虽然不长，但已经成为纤维材料家族中极其重要的一部分。自1935年Carothers首次合成聚己二酰己二胺纤维（尼龙66）并成功实现工业化，化学纤维进入了高速发展阶段[2]。随后，新型高分子材料如雨后春笋般不断涌现，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维（PET）、聚酰胺纤维（PA）、聚酰亚胺（PI）纤维[3]、聚乙烯醇纤维（PVA）、聚丙烯纤维（PP）、聚丙烯腈纤维（PAN）、聚氨酯纤维（PU）、聚四氟乙烯纤维（PTFE）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纤维（SBS）[4]等。化纤材料的发展极大地满足了人们的生产与生活需要，并极大地提高了人们的生活质量与生活水平，同时这些传统纤维材料在新世纪也得到了快速发展。

进入21世纪后，金属纤维与碳质纤维得到迅猛发展，使得纤维材料在导电 [5]、热管理[6]、电磁屏蔽[7]等多种方向得到进一步研究与应用。纤维材料更是朝着功能化与智能化方向迅速迈进，在储能、能源转化、传感器等方面都一展身手并得到了大量研究与应用。因此，该文简单介绍了传统纤维材料的最新发展，综述了近几年纤维材料在阻燃、抗菌、抗辐射、热管理与可穿戴方面的发展，并对纤维材料未来的发展与应用前景进行展望。

1传统纤维材料

传统纤维材料是人们接触最多的材料，可以分为天然纤维、化学纤维、金属纤维与碳纤维四类。进入新世纪后，传统纤维材料的研究与利用也逐渐转向功能化、智能化方向。

1.1天然纤维

天然纤维包含棉、麻、丝、毛等，在人类早期的发展史上具有重要的地位。最近的研究表明，棉纤维与丝绸纤维已在光纤太阳能电池、超级电容器、传感器[8]、储能[9]等方面得到应用，但需要对天然纤维进行一些处理。

1.2化学纤维

化学纤维又称高分子纤维，是高分子材料的重要一类。随着科技发展，化学纤维正在从传统家纺织品逐渐拓展到新能源等尖端领域。聚合物纤维可采用熔融纺丝 、溶液纺丝、液晶纺丝、凝胶纺丝、共混纺丝等多种制备方法。使用熔融纺丝制备工艺对高分子纤维有一定的要求，以PET为例做简要介绍：熔融纺丝需要聚合物的熔点低于分解温度、分子量较大、加工温度宽、熔体流动指数适宜等，在200℃左右对PET颗粒干燥，260℃～290℃熔化、过滤后从直径0.9 mm的喷丝板中挤出，再使用水射流和空气淬火得到PET纤维。由于化纤具有很强的柔性与拉伸性能，可制备可拉伸的电子设备。

1.3金属纤维

金属纤维又称金属线，与其他纤维相比具有突出的导电性能。金属纤维可以由铜、铂、金、钛等材料进行制备，可用于纺织、电子产品、能源、环保等领域。Gu X Y等[10]将还原氧化石墨烯（rGO）与P25-TiO2纳米颗粒（NP）结合制备纤维状染料敏化太阳能电池（FDSSCs）。实验发现，FDSSCs的短路电流密度从8.344 mA/cm2增加到12.935 mA/cm2，开路电压从0.775V增加到0.798 V，功率转换效率（PCE）从3.940%提升到5.364%。

1.4碳纤维

碳纤维主要由碳原子组成，通过聚合物纤维的炭化和石墨化制作完成的，具有重量轻、导电性好、机械强度高、环境稳定等优点。

2纤维的功能性

随着社会发展的需要，人们希望纤维材料具有更强大的功能性，纤维材料的功能化利用受到持续关注。该节主要从阻燃、抗菌、抗紫外、热管理、可穿戴这5个前沿研究与应用进行探讨。

2.1阻燃纤维材料

天然纤维与化学纤维都是有机成分，很容易在高温条件下燃烧产生很大的人员损失与财产损失。正因为纤维材料的可燃性，限制了其在电子、交通等领域的应用，赋予纤维材料阻燃性能显得尤为重要。

2.2 抗菌纤维材料

现代生活中人们都致力于健康的生活方式，而具有抗菌作用的纤维织物无疑具有很大的消费市场。一些有机抗菌剂（包括酰基苯胺类、咪唑类、噻唑类等）得到应用。但无机金属氧化物，例如：ZnO，MgO ，TiO2 、CuO、Fe3O4由于其稳定性、坚固性、保存期长和更小的细胞毒性，得到了越来越多的应用。

2.3 抗紫外纤维材料

太阳光的紫外线在长时间条件下不仅会使织物老化，也使得人的皮肤被紫外线所伤。经过特殊处理的织物具有更长效、更强的抗紫外线性能。

2.4热管理纤维材料

人类的社会活动中，大量的能源消耗在人体对舒适温度的需求上。纺织纤维材料是人体与环境相互接触的界面，开发具有热管理的纤维纺织材料不仅可以节约大量的能源消耗，同时也可以提高人体的舒适度进而提高工作效率。

2.5可穿戴纤维材料

柔性可穿戴纤维材料是中国智能制造的主要发展方向，是实现产业升级的重要方式与途径。随着碳纳米导电纤维、导电高聚物纤维等新型材料的不断发展，使得电子原件具有了柔性，甚至可以与轻型纺织品结合具有了很好的穿戴体验。虽然新兴的可拉伸电子传感器已被证明是有前途的可穿戴功能设备，但在实现高度可伸缩和自供电的光纤式传感器方面仍然存在挑战。

3结语

进入新世纪后纤维材料得到了迅速发展，早已改变了人们对纤维固有的看法，正在朝着功能化、智能化与电子化方向快速发展，并在能源、环保、智能、可穿戴甚至对我国的产业转型与产业升级都有至关重要的作用。但是，功能纤维的发展需要结合各种科学技术学科，并与人工智能、大数据、电子皮肤、软机器人等多种前沿研究相关联。可以预见，在未来这些新科技的发展与应用过程中，功能纤维材料一定不会缺席并担任重要的角色。

参考文献

[1] WENG W，YANG J，ZHANG Y，et al.A Route Toward Smart System Integration： From Fiber Design to Device Construction[J].Advanced Materials，2020，32（5）：902301.

[2]俞森龙，相恒学，周家良，等.典型高分子纤维发展回顾与未来展望[J].高分子学报，2020，51（1）：39-54.

[3]杨才冉.低介电聚酰亚胺的结构设计及其高性能纤维的制备[D].上海：东华大学，2018.

[4] WANG X，MENG S，TEBYETEKERWA M，et al.Nanostructured Polyaniline/Poly （Styrene-Butadiene-Styrene） Composite Fiber for use as Highly Sensitive and Flexible Ammonia Sensor[J].Synthetic Metals，2017，233：86-93.

[5] BAYINDIR M，ABOURADDY A F，ARNOLD J，et al.Thermal-Sensing Fiber Devices by Multimaterial Codrawing[J].Advanced Materials，2006，18（7）：845-849.

[6] GUO Y，DUN C，XU J，et al.Ultrathin， Washable， and Large-Area Graphene Papers for Personal Thermal Management[J].Small，2017，13（44）：1702645.

[7] 姜珊.石墨烯雜化粒子/镀银玻纤毡复合材料的制备及电磁屏蔽性能研究[D].无锡：江南大学，2021.

[8] ZHANG C，ZHOU G，RAO W，et al.A Simple Method of Fabricating Nickel-Coated Cotton Fabrics for Wearable Strain Sensor[J].Cellulose，2018，25（8）：4859-4870.

[9] Jiang C， Wu C， Li X， et al. All-Electrospun Flexible Triboelectric Nanogenerator based on Metallic Mxene Nanosheets[J].Nano Energy，2019，59：268-276.

[10] Gu X Y， Chen E Z， Ma M Y， et al. Effect of TiO2-rGO Heterojunction on Electron Collection Efficiency and Mechanical Properties of Fiber-Shaped Dye-Sensitized Solar Cells[J].Journal of Physics D： Applied Physics，2019，52（9）：095502.

基金项目：甘肃省科技重点研发计划项目《改性脂肪族石油树脂生产工艺研究》（项目编号：19YF3GA002）;甘肃省高等学校产业支撑计划项目《C5/C9共聚氢化石油树脂工艺开发研究》（项目编号：2020C-33）。

通讯作者简介：席满意（1984—），男，硕士，讲师，从事化学工艺及材料的研究，E-mail：1076552318@qq.com。