功能纖維材料及研發(fā)進展汪曉鵬楊金部（1.甘肅省輕工研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000；2.甘肅中輕輕工產(chǎn)品質量檢驗檢測有限責任公司，甘肅蘭州730000）摘要：簡要介紹功能纖維的種類，主要有環(huán)保、智能、阻燃、高功能纖維等以及當前研究開

功能纖維材料及研發(fā)進展

汪曉鵬 楊金部

（1.甘肅省輕工研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅中輕輕工產(chǎn)品質量檢驗檢測有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

摘 要：簡要介紹功能纖維的種類，主要有環(huán)保、智能、阻燃、高功能纖維等以及當前研究開發(fā)的最新成果。

關鍵詞：功能纖維；主要種類；研發(fā)成果

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作者簡介：汪曉鵬（1965—），男，漢族，甘肅隴南人，學士，甘肅中輕輕工責任公司注冊質量工程師、高級工程師，從事化工輕工新型材料及助劑的應用研究。蘭州市金昌南路101號，QQ：2283921138@qq.com

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材料是人類生產(chǎn)和生活的物質基礎，開發(fā)應用是衡量社會文明進步的標志。當今，纖維、與橡膠、塑料是世界三大高分子材料。距今約5000萬年前，中華民族已使用麻、毛、棉和絲綢四大天然纖維。聞名世界的古“絲綢之路”就是以纖維織物命名的商貿(mào)流通。功能纖維（Functional fiber）、又統(tǒng)稱高科技纖維（High Technology Fiber）其發(fā)展是現(xiàn)代纖維科學進步的象征。功能纖維、差別化纖維和高性能纖維的發(fā)展為傳統(tǒng)紡織工業(yè)的技術創(chuàng)新、 向高科技產(chǎn)業(yè)的轉化創(chuàng)造了有利條件, 為人類生活水平的提高作出了貢獻，尤其是高性能功能纖維及其復合材料是國防先進武器和國民經(jīng)濟發(fā)展的最重要工程材料之一，其研發(fā)、制造、應用更是當今世界科技強國競爭的熱點和焦點。功能纖維是指除一般纖維所具有的物理機械性能以外,還具有某種特殊功能的新型纖維。科技纖維已廣泛應用于航天航空、新型建材、高速交通、海洋開發(fā)、體育器材、個體防護和日常生活等領域。

1 功能纖維材料

功能纖維按其屬性可分為4大類：⑴物理性功能。包括①電學功能，主要有抗靜電性、導電性、電磁波屏蔽性、光電性以及信息記憶性等；② 熱學功能，有耐高溫性、絕熱性、阻燃性、熱敏性、蓄熱性以及耐低溫性等； ③光學功能，有光導性、光折射性、光干涉性、耐光耐候性、偏光性以及光吸收性等； ④物理形態(tài)功能，有異形截面形狀、超微細和表面微細加工性等。⑵化學性功能。有光降解性、光交聯(lián)性、消異味功能和催化活性功能等。（3）物質分離性功能。如分離性功能有中空分離性、微孔分離性、超濾、微濾、納濾和反滲透性等； 吸附交換功能有離子交換性、高吸水性、選擇吸附性等。 ⑷生物適應性功能。醫(yī)療保健功能有防護性、抗菌性等，人工透析性、生物吸收性和生物相容性等。

1.1 功能型纖維

在仿真仿生學及其技術基礎上發(fā)展起來的超真纖維、高感知纖維和具有特殊功能（諸如抗靜電、膜分離、醫(yī)療保健、光、熱、電等功能）的纖維。主要有：（1）高分子聚合物纖維， 由聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）纖維制成的Corterra纖維，被譽為“未來的彈纖維”，具有舒適性、柔軟、蓬松、易染色、色彩明亮及耐用等特性，主要應用于厚重或襯衫機織物以及針織內(nèi)衣等。（2）聚酯纖維，聚酯纖維的相對疏水性在控制織物含濕量方面優(yōu)于天然棉和羊毛，它能將水分從人體芯吸到織物表面并除去。美國DuPont公司利用生產(chǎn)的CoolMax產(chǎn)品具有優(yōu)良的芯吸能力、很好的舒適性能，主要用于制作軍服和運動服等。（3）抗菌纖維 ，通過將抗菌劑摻入紡絲液加工而成，其中以納米級含銀沸石的無極抗菌劑制成的纖維最好，具有廣譜抗菌、耐熱性好、功效持久、安全可靠、不產(chǎn)生抗藥性等。主要用于內(nèi)衣、衛(wèi)生材料和床上用品等。（4）抗靜電纖維， 通過對合成纖維進行改性，在聚合物基材中添加抗靜電劑，或引入第三種單體復合而成具有抗靜電能力。產(chǎn)品用于地毯清潔、窗簾、醫(yī)療手術工作服和防污防黏等紡織品。（5）遠紅外線纖維， 將陶瓷粉末與滌綸、丙綸、粘膠等合成纖維在噴絲前熔融而成，該纖維能促進血液循環(huán)，增加人體供血供氧，加快新成代謝，改善人體機能。應用于醫(yī)療、保健領域。（6）抗紫外線纖維， 由紫外線屏蔽劑經(jīng)過熔融紡絲制成抗紫外纖維。其對紫外線屏蔽率高達92%以上，同時對熱輻射也有一定的屏蔽效果，主要制作夏季防曬的襯衫、T恤和遮陽傘等。

1.2 環(huán)保型纖維

主要有（1）天然彩色棉和羊毛、兔毛等。（2）麻類纖維，有亞麻、苧麻、黃麻等麻類纖維。具有天然抗菌、抑菌性能、保健、抗紫外線、防靜電等功能，是天然綠色纖維。（3）Tencel纖維（天絲纖維），是將木質漿粕的天然特性完全再現(xiàn)，屬于碳水化合物，能生物降解，無廢物、副產(chǎn)品，完全回收使用，是名副其實的“生態(tài)環(huán)保”纖維。（4）聚乳酸（PLA）纖維，聚乳酸又稱為聚丙交酯，是線性聚酯類高分子。由玉米、大米、小麥、薯干粉及有機廢棄物等為原料經(jīng)發(fā)酵成乳酸，然后聚合、紡絲制成，富有彈性、吸濕透氣、耐熱和防紫外線等功能。廢棄物自然降解CO2和H2O，是綠色環(huán)保型纖維，主要制作內(nèi)衣、外衣、醫(yī)療紡織品和工業(yè)原料等。（5）甲殼素纖維，由蝦、蟹、昆蟲等殼制成的纖維。有良好的吸濕性、透氣性和殺菌防臭的特性。主要用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)。（6）其他諸如牛奶纖維大豆纖維、竹原纖維、木纖維等。

1.3 智能型纖維

智能纖維是以功能纖維材料為基礎，運用材料科學、微電子學、現(xiàn)代控制論、計算機科學、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡等一系列高新技術，屬于集成技術創(chuàng)新。賦予紡織材料系統(tǒng)或纖維大分子鏈結構本身以智能特性。智能纖維織物系統(tǒng)集感知、驅動和信息處理于一體，形成類似生物材料所具備的自感知、自診斷、自適應、自修復等功能。主要有（1）光敏纖維。 指在光的刺激下發(fā)生顏色和導電性可逆變化的纖維，主要有光致變色、熱致變色和光導纖維。其中光導纖維最著名的應用是做光纖傳感器，這是迄今為止發(fā)展最為成熟的纖維傳感器。將光導纖維與變色染料復合制成的服裝材料，顏色能夠自動變化；將光纖傳感器鑲嵌于降落傘中還能探測降落傘的應力變化情況。（2）導電玻璃纖維。將玻璃鍍金技術和玻璃纖維表面處理技術結合開發(fā)的新產(chǎn)品。該材料應用于隱身材料的研究開發(fā)，例如美國B-2隱形轟炸機表面即使用導電玻纖復合材料。（3）形狀記憶纖維。目前，研究應用最為普遍是鎳鈦合金形狀記憶纖維。英國研制的防護服就采用鎳鈦合金纖維，能避免高溫和燙傷。（3）智能調溫纖維。智能調溫纖維含有低溫相變物質，在相變溫度時吸收或放出熱量，使得該紡織品具有智能調節(jié)作用。是一種能夠提供智能調節(jié)功能的新型材料，被專家譽為自有防水濕透織物技術以來最重要的舒適性紡織品。

智能纖維是一種奇妙的材料。主要應用于①服裝領域，如智能宇航、服變色服、蓄熱調溫服、智能保健服、智能軍服和其他自清潔服、自修補服、智能消防服、音樂服等；②裝飾領域，光致變色和熱致變色纖維，用在床罩、燈罩、浴罩和窗簾、壁紙等室內(nèi)裝飾品領域；③培育新興產(chǎn)業(yè)，智能纖維以奇特的性能不斷催生出新型產(chǎn)業(yè)。諸如新型醫(yī)療用品，新型傳感元件，新型熱機、它可將化學能直接轉化成機械能，如新型分離膜，人工肌肉等。

1.4 高性能纖維[1]

該類纖維是以芳香族纖維、碳纖維和無機纖維為代表的高強、高模、高耐溫及高性能纖維（High Performance Fiber,）或超級纖維（Super Fiber）。一般是指強度大于17.6cN/dtex，模量440cN/dtex以上的纖維。是具有特殊物理化學結構、性能和用途以及具有特殊功能的化學纖維。比如耐強腐蝕、低磨損性、耐高溫、抗阻燃、耐高電壓、高強度高模量、高彈性、高效過濾以及各種醫(yī)學功能。這類纖維大多應用于工業(yè)、國防、航天航空、醫(yī)療、環(huán)保和尖端科學技術領域。主要有（1）耐腐蝕纖維。即含氟纖維，有聚四氟乙烯（PTFE），耐高低溫（-200～260℃），短期使用溫度300℃；四氟乙烯--六氟丙烯共聚纖維（FEP）、聚偏氯乙烯纖維（Kynar）、乙烯--三氟氯乙烯共聚纖維（Halar）等。（2）耐高溫纖維。有聚間苯二甲酰間苯二胺纖維（Nomex），在220℃溫度下可使用10年之久；聚酰亞胺纖維、聚苯砜酰胺纖維、聚酰胺--酰亞胺纖維（PAI），長期使用溫度280℃；雜環(huán)聚合物有聚苯并咪唑類纖維，品種有聚苯并咪唑（PBI）、聚亞苯基苯并噁唑（PBO），工作溫度高達300～350℃。PBO高強度、高模量和阻燃性優(yōu)秀，其性能甚至超過了Kevlar，被譽為“21世紀的新興纖維”。（3）抗燃纖維。有酚醛纖維（Kynol）、芳香族聚酰胺表面化學處理纖維、金屬螯合纖維、聚丙烯腈預氧化纖維（Pynomer）等。（4）高強度、高模量纖維。 有聚苯二甲酰對苯二胺纖維（Kevlar，即凱夫拉）——是高強度、高模量耐高溫的聚合物材料，超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE，分子量高達150萬以上）、芳綸和碳纖維是“世界三大高科技纖維”，UHMWPE的強度是鋼絲繩的15倍，是強度最高的化學纖維，被稱為“輕薄如紙、堅硬如鋼”的材料。芳香族聚酰胺共聚纖維（HM-50）、雜環(huán)族聚氨酰胺纖維、碳纖維（Carfon fiber，其中纖維素纖維、聚丙烯腈纖維和瀝青纖維已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)）、石墨纖維（M40）、碳化硅纖維等。（5）功能纖維。中空纖維半透明膜（B-9、B-10、PRISM等）、活性炭纖維（KF）、超細纖維氈、吸油纖維氈（Tafnel）、光導纖維、導電纖維等。（6）彈性體纖維。有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纖維（Spandex）、聚丙烯酰酯類纖維、聚對苯二甲酸丁二醇酯纖維（Fiber-L）等。（7）芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維）。是一種耐高溫的高強高模量特種纖維，具有超高強度、高耐溫、耐酸堿、質輕、絕緣、抗老化、生命周期長等優(yōu)點，廣泛應用于國防軍工、復合材料、防彈制品、建材、特種防護服和電子設備等領域，被譽為“全能纖維”，我國神舟飛船返回艙主降落傘就使用該材料。主要品種有間位芳綸（芳綸1313）、對位芳綸（芳綸1414），芳綸（1414）與其他高強度纖維性能比較見表1。（7）蜘蛛絲 天然纖維中的高性能纖維。在顯微鏡下呈透明固體狀，橫截面為圓形。具有極好的拉伸特性，拉伸強度97.9cN/dtex。具有蠶絲和一般纖維無法比擬的卓越性能，強度高、彈性好、初始模量大、斷裂功大等特性。（8）無機纖維，主要碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、高強度玻璃纖維等。

1.5 阻燃型纖維[3]

眾所周知，大多數(shù)纖維均是易燃可燃物，但可通物理改性、化學改性及后整理阻燃技術，對其賦予阻燃的功效。物理改性，是阻燃劑與纖維基材中的組分不發(fā)生化學反應，只是以物理方式分散于基材中，達到阻燃目的。但需要較大添加量才能起到阻燃作用，而且對基材的性能較大影響。然而價格便宜、適用性強、應用廣泛。化學改性，是屬于反應性與纖維聚合物發(fā)生反應，最后成為纖維的結構單元或官能團。化學改性具有穩(wěn)定性好、不流失、持久、毒性小，對纖維性能影響小。具體方法，可采用共聚法、共混法、接枝共聚、阻燃劑吸附法、纖維表面鹵化法和后處理改性達到阻燃的目的。品種主要有阻燃聚酯、阻燃聚丙烯、阻燃聚丙烯腈纖維、阻燃黏膠纖維和多功能化的阻燃+抗靜電或導電、阻燃+吸濕、阻燃+保健等復合化纖維及綠色化。例如經(jīng)阻燃改性，聚丙烯腈氧化纖維（PANOF），氧指數(shù)（OI）高達55～62，燃燒時不熔無熔滴，900℃火焰中可保持3min以上，直至碳化仍保持原狀。另外，還有本質阻燃性纖維，是其固有的性能，本質上不燃或難燃，具有高超的熱穩(wěn)定性。主要有聚對苯二甲酰對苯二胺纖維（PPTA）、聚間苯二酰間苯二胺（MPIA）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯并咪唑（PBI）、聚對亞苯基苯并雙噁唑纖維（PBO）、石墨化碳纖維、酚醛樹脂（Kynol）、聚四氟乙烯（PTFE）、三聚氰胺縮甲醛纖維（MF）等。

1.6 其他功能型纖維[4]

1.6.1 膜分離功能纖維

按期作用機理有反滲透、超濾、微濾、滲析、電滲析等膜。品種有離子交換纖維、吸附樹脂纖維、螯合樹脂及纖維、氧化還原樹脂及纖維和高吸水纖維等。根據(jù)化學組成不同可分為纖維素類、乙烯基聚合物及其共聚物、聚酰胺、聚酯、芳香--雜環(huán)聚合物、聚砜類、離子聚合物、無機物和復合膜表面活性物等。主要應用于醫(yī)療保健、水凈化和廢水處理、食品生物制品、氣體分離和石油化工等。

1.6.2 醫(yī)用保健功能纖維

有高吸水性纖維、醫(yī)用縫合線、骨膠原纖維、殼聚糖纖維、放射性纖維、食用纖維、人造纖維、人造血管、醫(yī)用富養(yǎng)器和水果保鮮纖維等；抗菌防臭纖維、防臭消臭纖維、芳香纖維、麻醉性纖維等；人工器官用纖維包括人工腎血液透析器、人工肝透析膜、肝腹水超濾濃縮回輸器、血液濃縮器、人工肺、混合型人工臟器與人工胰臟；醫(yī)用纖維復合材料主要有人工骨、關節(jié)及接骨材料、人工心臟、醫(yī)用粘合劑等。

1.6.3 離子交換與螯合纖維

離子交換與螯合纖維（IEF and CLF）,主要指具有離子交換與吸附、配位螯合、反應性催化等功能的纖維狀有機功能材料。著重應用于極性氣體分子的吸附濾除、高純水制備、工業(yè)廢水凈化與微量元素富集、濕法冶金領域、高分子催化劑、稀土元素提取、生化工程及天然產(chǎn)品分離萃取、醫(yī)療紡織領域等。

1.6.4 高強高模量聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈纖維，活性碳纖維等以及其他纖維

高強高模量聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈纖維主要用于繩索類、防彈材料和復合材料的增強材料等。活性炭纖維（ACF）具有大的比表面積、多孔結構及強表面反應性，因此具有廣譜吸附性能和高吸附容量，廣泛應用于水的純化、脫色、除臭、脫氯，以及溶劑回收、空氣凈化等環(huán)境和資源回收領域，并與許多工業(yè)行業(yè)息息相關。其他還有離子交換與螯合纖維、中空纖維及無機纖維等。

2 功能纖維最新研究成果

積極面向市場需求成為功能纖維研究的方向，如超仿真纖維、低溫染色纖維、吸濕速干纖維、高熔點纖維等是差別化功能纖維的重點品種。面向作戰(zhàn)、特種防護、智能紡織品等特種需求，此外，阻燃纖維、導電纖維、抑菌纖維、高耐磨纖維等也是重要品種[5]。目前有8種最具發(fā)展前景的新型功能纖維和織物。

①可提供動力的服裝。美國南卡羅來納大學的研發(fā)團隊正研發(fā)將棉T恤衫轉化成電源的服裝，將來可起到超級雙層電容器的作用，并且具有極高的儲能密度。制成穩(wěn)定的高性能電容器，可為手機、筆記本電腦充電，即使經(jīng)過上千次充放電后仍能保持高達95%的性能。②致冷超吸附織物與服裝。英國Grimsby的超吸附纖維(SAF)制造廠家TechnicalAbsorbents有限公司展出了一種在各種極熱環(huán)境下，可使厚重外套的穿著者保持涼爽感的纖維，其主要優(yōu)點是降低穿著者的熱應力和疲勞，并賦予更好的舒適性和性能接受力，可多次洗滌。該纖維被制成各種服裝，使穿著者在接觸熱應力時溫度下降6 ℃左右，現(xiàn)已用于英國Lincolnshire消防部門作為消防服的內(nèi)襯。③防靜電、耐磨服裝和畫面擦拭布。日本TAYCA公司利用其吸收電磁波的導電纖維，開發(fā)了在家電(觸摸屏、顯示器、防護板等)清潔布、手套、大衣和裙子等民生領域的應用。這種家電專用的導電纖維，可以自由控制導電性范圍。由于其在纖維表面包覆了極薄的導電聚合物膜，既可保持纖維原有的柔軟性和風格，還兼有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性和耐濕性等，而且還可根據(jù)需要進行著色。④能促進生物器官再生的織物。德國Dresden(德累斯頓)技術大學紡織機械和高性能材料工藝研究所的研究人員，將水生甲殼類生物的甲殼素通過濕法紡絲制得了超純的100%殼聚糖生物質纖維，并加工成片狀紡織品，具有極佳的強度與質量。這種殼聚糖纖維已被用于手術縫合線等領域，還可用于再生醫(yī)療領域。⑤固沙與綠化用纖維。日本東麗公司與中國治沙固沙學會簽訂了采用聚乳酸(PLA)纖維“ェコヂィア”進行固沙和綠化的協(xié)議，將以北京近郊總面積100畝的沙地為試驗田，設置該公司的PLA防沙移動材料。PLA纖維是一種可節(jié)約石油資源的生物質可降解纖維，還可減少CO2的排放量。⑥電發(fā)熱非織造布。Norafin公司開發(fā)了一種導電非織造布，可用作加熱元件或電極。與以往的流體加熱器相比，該產(chǎn)品質輕、操作簡便，性價比高；以往的由碳纖維等制成的導電織物或發(fā)熱紡織品，生產(chǎn)成本較高，易破損而造成短路，柔軟性差，而該導電纖維非織造布發(fā)熱體則具有良好的懸垂性和柔軟性，易吸收樹脂，與電源接觸性良好，即使在低于48V的電壓區(qū)域加熱，也可實現(xiàn)快捷而均勻的效果。⑦柔性電子產(chǎn)品。北卡羅來納州立大學的紡織工程科學家們開發(fā)了一種導電納米涂料，可應用于棉花、非織造布和聚丙烯紡織品等中，制成質輕、柔軟的系列功能性紡織品，可改進太陽能電池、傳感器和各種微電子產(chǎn)品的性能。⑧耐熱納米纖維非織造布電池隔膜。帝人技術公司開發(fā)了可以批量生產(chǎn)的間位芳酰胺納米纖維非織造布，纖維直徑100nm，制品的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良，即使在300℃下仍可保持其原形，耐氧化性佳，目前正開展以鋰離子二次電池隔膜為核心的市場開拓。采用這種隔膜可望提高電動汽車及靜態(tài)儲能用的鋰離子電池(LIB)的功率安全性、容量及能量密度，且與通常的電池隔膜相比可在高容量和高能量密度下降低自燃等風險。

3 結語

作為新型材料重要組成部分的功能纖維，是基于材料、信息、機械、生物等學科領域的技術突破與交叉融合，強調功能創(chuàng)新、強化與復合，具有質輕、多功能、智能、擇優(yōu)取向等特性；有超高性能、高性價比、高附加值、高產(chǎn)業(yè)拉動效應以及低碳綠色等優(yōu)異特性；能對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維材料。

功能纖維是為了滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求開發(fā)的一種特殊性能的材料。今后，在功能高分子纖維研究開發(fā)中，重點在高分子分子、結構設計、復合化、納米化和新型纖維成形技術工藝的集成創(chuàng)新方面發(fā)力。同時，加快“產(chǎn)學研用”協(xié)作發(fā)展的步伐，以適應“科技為王”時代的發(fā)展要求。不斷開發(fā)出新型產(chǎn)品，賦予纖維更多更強的功能，擴大應用領域和范圍。推動纖維產(chǎn)業(yè)向著更先進纖維（High-- Grade Advanced Fibers）的方向發(fā)展，順應國民經(jīng)濟和國防科技發(fā)展要求及高科技時代發(fā)展的潮流。不斷增強功能纖維產(chǎn)業(yè)的市場競爭力，當前，先進功能纖維全球銷售額已超過 500 億美元，年均增長率超過 20%，已顯示出巨大的市場空間和增長潛力。

參考文獻：

[1] 航空非金屬性能鑒定委編寫；黃玉光，張榮，鄒小英編著.《航空非金屬材料性能測試技術——塑料與紡織材料》[M].北京，化學工業(yè)出版社，2014.3:143-164.

[2]鄭玉嬰 著.《高分子材料配方設計及應用（二）》[M].北京，科學出版社，2017.12:99-105.

[3]曾漢民 主編.《功能纖維》[M].北京，化學工業(yè)出版社，2005.2:575-620.

[4]王曙中，王慶瑞, 劉兆峰 編著.《高科技纖維概論》[M].上海，中國紡織大學出版社，1999.10：190-299.

[5]曲希明 ，王穎 ，邱志成,等. 我國先進纖維材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究 [J].中國工程科學, 2020.22（5）:104-111.

原載：《西部皮革》雜志2022年1月第1期