20種新型功能纖維及紡織品的發展

20種新型功能纖維及紡織品的發展

 

    近年,國外發表了一系列具有神奇功能和突出性能的新纖維、非織造布及紡織品,擴大了化纖的應用領域,以下選取其中20種有發展前景的品種加以簡介。
    1 可提供動力的服裝
    美國南卡羅來納大學的研發團隊正研發將棉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。通過將該服裝浸泡于氟化物溶液中、干燥并在無氟環境中于高溫下烘烤和活化,使其纖維表面轉化成活性炭,其中少量布樣作為電極,而且在活性炭柔性織物的每根纖維上都含磁性氧化物的納米層,這就可形成穩定的高性能電容器,可為手機或筆記本電腦充電,即使經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Technical Absorbents有限公司展出了一種在各種極熱環境下,均可使厚重外套的穿著者保持涼感的纖維,其商品名稱為“KoolSAF”,它主要瞄準致冷服裝市場,其主要優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。目前,該纖維已被制成各種服裝,可貼身穿著,使穿著者在接觸熱應力時溫度下降 6 ℃左右,現已用于英國Lincolnshire消防部門作為消防服的內襯。
    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,可以自由控制其導電性范圍,可提供從1×10 ~ 1×108Ω的產品。由于其在纖維表面包覆了極薄的導電聚合物膜,因此既可保持纖維原有的柔軟性和風格,還兼有優良的耐磨性、耐熱性和耐濕性等,而且還可根據需要進行著色。
    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(圖 1),并加工成片狀紡織品,具有極佳的強度與質量。盡管在中國和其他亞洲國家,這種殼聚糖纖維已被用于手術縫合線等領域,但據稱都未能達到該產品的水平,因此其可被用于再生醫療領域。利用一種心肌大小的載體間質就可隨人體自身母體細胞而發育成長,經過一定周期后織物骨架就會自行溶解,這意味著人類器官可有組織地成長,目前這一設想正接近現實。
 
圖 1 德國德累斯頓技術大學超純殼聚糖生物質纖維的研制者展示其紗線
    5 新一代DNA薄片和測定皮膚與美白用特種芯鞘型纖維
    日本三菱麗陽公司開發和銷售了作為新一代DNA薄片的新產品 —— “ジェノパ一ル”的“皮膚薄片”和“美白薄片”,其中皮膚薄片可測定與皮膚的形成和新陳代謝相關的遺傳因子,而美白薄片可測定與產生黑色素相關的遺傳因子,再通過它們的DNA薄片就可評價在化妝品領域需求較高的保濕和美白產品。 DNA薄片是通過在玻璃等基板上高密度固定被稱作“俘獲探測器”的合成DNA,由待調查的細胞和組織所抽出樣品的DNA進行反應,一次就可大量測定目的物的“遺傳因子”。
    “ジェノパ一ル”是融合了三菱麗陽公司的纖維技術、高分子技術和生物技術的一種薄片,將中空纖維內溶有親水性聚合物的俘獲探測器固定在三維空間內,再將原先已置入遺傳因子的中空纖維排成束狀,用樹脂固定后切成薄片。過去的DNA薄片將數萬個遺傳因子收羅在一起進行解析,而ジェノパ一ル則將所搭載的遺傳因子縮至數百個。
    簡而言之,皮膚薄片的目的是評價化妝品素材及皮膚所吸收藥劑的保濕效果和安全性,搭載了與肌膚形成和新陳代謝相關的遺傳因子及與炎癥、毒性相關的遺傳因子;美白薄片的目的是解析美白物質的過篩和產生黑斑的機理,搭載了與黑斑產生相關的遺傳因子和與炎癥相關的遺傳因子。
    6 固沙與綠化用纖維
    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議,將以北京近郊總面積100畝的沙地為應用對象,設置該公司的PLA防沙移動材料,目前正選定植物和參與該試驗的專家,計劃于2015年3月取得成果。PLA纖維是一種可節約石油資源的生物質纖維,在從原材料制造到廢棄的整個生命周期內,可削減CO2的排放量,并具有生物降解特性。
    7 可消除放射性銫的新纖維
    日本千葉大學與環境凈化研究所聯合開發了能有效去除放射性物質的除污染技術,所采用的新纖維是一種綠色的尼龍,商品名為“ガガ”,除制成填料外還可制成繩狀或掃除用的拖布。由于其可在短時間內回收放射性物質,使用簡便,因此有可能使“嫁接”技術以分子水平加以實施,即依靠放射線在尼龍上切斷表面分子后,即附著具有吸銫特性的分子,其吸附量可達到沸石的400倍。據介紹,長 1 m的該纖維束可以數百萬日元的價格銷售給福島核電站周邊的大廠,用于消除核輻射的污染。
    8 能簡易而有效測定低濃度水污染的濾材
    住友3M提出了采用惰性聚四氟乙烯(PTFE)纖維可有效地測定放射能的濾材制品“3M、エムポア、ラドディスク”系列產品的方案。該方案操作簡便,只需把低濃度放射性污染水通過該濾材,就能100%吸附放射性物質,濾材上的放射性可采用輕便的サ一ベ儀器進行測定。ラドディスク在美國開發,已取得了一些實用業績。它通過將可選擇性捕捉放射性物質的吸附劑微粒高密度地填充到PTFE片材上,便可測定銫或鍶等,根據被測定物質的種類而形成 4 種方案。
    9 耐熱納米纖維非織造布電池隔膜
    帝人技術公司開發了可以批量生產的間位芳酰胺納米纖維非織造布,纖維直徑100 nm,制品的耐熱性和尺寸穩定性優良,即使在300 ℃下仍可保持其原形,耐氧化性亦佳,目前正開展以鋰離子二次電池隔膜為核心的市場開拓,如圖2。采用這種隔膜可望提高電動汽車及靜態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,優勢明顯。
 
圖 2 間位芳酰胺納米纖維的SEM圖像
    10 超高模量生物質纖維素納米纖維增強聚烯烴
    日本新能源與產業技術綜合機構(NEDO)聲稱,現已成功開發了用生物質纖維素納米纖維增強聚丙烯或聚乙烯(PE)的汽車用新材料,其強度和熱尺寸穩定性有所提高,而且納米纖維與樹脂的相容性得到改善,分散均一,以PE為例,只需添加10%的此種納米纖維,其復合材料的模量便可提高4.5倍。該研究成果是由三菱化學、DIC、王子造紙、星光PMC、京都大學和京都市產業技術研究所共同參與研制的。據報道,該納米纖維的密度僅為鋼絲的1/5,強度卻達其 5 倍以上,熱膨脹系數是玻纖的1/50,但由于其表面具有親水性,與樹脂的相容性較差,為此開發了表面疏水化技術,使納米纖維得以均勻分散。
    11 導熱性比銅高數倍的復合材料
    豐田中央研究所開發了一種不損害樹脂原有絕緣性而導熱性可大幅度提高的碳納米管(CNT)增強樹脂。其導熱性約為銅的10倍,若與以往所用的氮化硼或氧化鋁填料相比,其用量可減少,因此可降低成本。實際上,該材料采用 3種樹脂基材,其中聚苯硫醚(PPS)作為樹脂母體時,將多層CNT分散于與之親和性較好的PE中,再將它包覆甲基丙烯酸亞乙基縮水甘油酯(EGMA),然后再與PPS混合制得復合材料,其導熱性可比PPS單一樹脂提高1.8倍。另外, CNT的添加量和填料量可適當降低,同時可通過結構控制而使其導熱性提高 4 倍以上。為了使其導電率提高,選用結晶性優的多層CNT是關鍵,今后將普及應用于環保型汽車部件上。
    12 導電氟樹脂和放熱片材
    日本純正化學公司可提供質量濃度為0.1%以下的CNT水、乙醇或甲乙酮(MEK)溶液,其中CNT的直徑為 5 ~ 20nm,長度50 ~ 150 μ m,取向度高,可保持 2 個月以上的高分散性。在PTFE或四氟乙烯-全氟烷基醚(PFA)等氟樹脂粒子中添加0.05%的CNT后,其體積電阻率變為10 4Ω? cm。因此只添加少量CNT就可使原本絕緣的氟樹脂顯示出導電性,而成本與以往的導電氟樹脂相當。若將上述少量高取向CNT混入聚酯(PET)膜中,就可制成透明導電膜,光透過率達85%以上。目前這一材料正進行市場開拓。
另外,該公司還研制了由鍍鎳或銅的粉末纖維(圖3)制成的浸潤液,將其涂覆在塑料片材上后制成多層結構的復合材料,具有各向異性的放熱特性和電磁屏蔽性等特點,可用于電子設備和部件中。
 
圖3 粉末(左)和鍍鎳纖維的SEM照片
    13 能刺激和加速植物細胞生長的碳納米管
    通常人們會認為,碳納米材料對生物體具有潛在的毒性,但某些研究卻顯示,某些納米粒子對植物并無危害,相反可刺激和促進其細胞更快生長。其中, Arkansas大學的研究表明:低劑量的多壁碳納米管(MWCNTS)可滲透到種子殼中,促進其發芽,并激活和促進西紅柿的生長。研究人員還首次發現,在很寬的濃度范圍內, MWCNTS實際上可增進超過50%的煙葉細胞的栽培(圖4)。目前,植物細胞栽培已被廣泛應用于醫藥、甜料、染料和香水的商業生產。所謂改進植物細胞的繁殖和生長實際上是指可增產55% ~64%。上述CNTS和其他納米粒子會影響植物生長過程的事實,在不久的將來定會革新農業的實踐,并為植物培育與生長過程中的一系列問題提供解決方案。
 
圖4 在普通介質、暴露于活性炭的細胞及500 μg/mL的MWCNT存在下,細胞增長的差異
    14 能治愈褥瘡的功能性纖維及非織造布
    日本關東天然瓦斯開發公司等開發了一種含碘的功能性纖維“ヨ一ドアミセル”,目前正推進其應用開發。該產品目前通過動物實驗已確認具有治療褥瘡的功效,而且以低藥量就可達到與涂有褥瘡治療劑片材同等的效果。其中功能性纖維“アミセル”是以酵素合成的直鏈狀淀粉與木漿粕為原料,與天然纖維素纖維融合而成的粘膠。這種在“アミセル”中均一分散酵素的合成直鏈淀粉具有包接的功能,可以保存抗菌成分等功能性物質,其中含碘的產品便是“ヨ一ドアミセル”,它可制成具有抗菌功能的布料及非織造布等產品。這種創傷治愈材料很容易貼于褥瘡或皮膚潰瘍等患部,從而可減輕患者的治療處置負擔。
    15 高感度乳腺癌患者專用乳罩

    乳腺癌在西歐是最普遍的女性癌癥之一,僅德國每年就有5.8萬女性患者,其中60% ~ 70%的患者接受了殘留于乳房組織內癌細胞的放射治療。這是一種軟治療,對患者皮膚會產生一些影響,如發紅、表皮浮動、剝落、膨脹而使傷口擴大等,這些副作用往往令患者十分煩惱。此外,放射治療也會產生一些后遺癥,如穿戴普通的胸罩會有不適感

 
圖5 高感度乳腺癌患者專用乳罩
    德國研究者為此特別開發了適于經過放射治療的乳腺癌患者穿戴的乳罩。著名的纖維研究所Hohenstein與AmoenaMedizin-Orthopaedie Fecknik公司共同開發了高感度乳癌患者用乳罩,它具有緩和患者經放射線治療后皮膚過敏的癥狀。通過立體掃描患者得到其身體數據,設計了縫孔等,并通過解析纖維素材的吸汗性和皮膚反應等,完成了可抑制皮膚發炎的皮膚炎癥治愈方案。其產品如圖5所示。
    16 新型生理衛生巾用可自伸長纖維的非織造布
    日本花王公司開發的聚烯烴系自伸長纖維及衛生用非織造布曾獲得2011年度纖維學會技術獎,由于實現了柔軟性和伸縮性等物性共存,因此引起了世人的注目。目前該產品已受理發明專利 2 件,公開專利 3 件。
    聚烯烴系自伸長纖維是以聚丙烯(PP)為芯材、PE為鞘材的芯鞘型復合纖維,經紡絲、拉伸、卷曲、切斷工序并正確控制纖維的高次結構,就可穩定制得在熱作用下可自行伸長的纖維。至于非織造布,既要求具有衛生制品所應具備的柔軟性和強度,以及快速吸液性和低殘液量,還要求纖維的間距盡可能大,因此其在相關非織造布的制造工藝上也進行了大量研究,并實現了突破。
    17 可預測人體活動情況的“魔力地毯”
    英國曼城大學的科學家開發了可探測人跌倒和預測人體活動情況的新型“魔力地毯”(圖6)。他們將塑料光纖置于地毯的底層,當有人踩踏地毯和走出圖案時該光纖會發生彎曲,這時其邊上的薄型電子儀器就會起到傳感器的作用,并將信號傳遞到計算機中,接著這些信號會被分析并顯示出腳印的圖像,可用于識別病人行走過程中的漸變或突然跌倒等事故。另外,它們還能顯示出逐漸變差的步伐或走路習慣的變化,從而可預測出跌倒等突發事件的發生。通過這種地毯可測出公共居住區的老人每年有30% ~ 40%跌倒過,說明在家中跌倒是老人最易發生的嚴重事故,而在醫院門口則約有50%的65歲以上的老人跌倒過。科學家們相信該技術和產品特別適用于醫院和有老年人的家庭,特別是發達國家日益嚴重的人口老齡化趨勢。另外,它還可檢測早期的化學品溢漏等。
 
圖6 魔力地毯適用于看護室、醫院和養老院
    曼城大學的跨學科團隊采用類似醫院掃描的新型層析X-射線攝影技術,通過在時髦地毯的表面采用光擴散可繪制出平面圖像。該地毯可采集廣泛的個人信息,從生物化學到人體流體的化學信號等,這些整體信號足以檢測和應對病人的情況變化。
此外,該地毯還可進行廉價改型,以適應居住者所需的活動空間,特別是適應老齡化人口和長期不能自理的人群,并可無障礙地整合病人的活動空間或家具,例如安置墊子和墻等。
    18 最抗燃的纖維
    兩年前在美國的Techtextil North America展會上,PyroTex公司曾展示了一種迄今為止號稱最抗燃的纖維——“PyroTex®”。這是一種改性聚丙烯腈纖維,極限氧指數(LOI)達43%,耐堿性、抗紫外光和耐溶劑性好,而最重要的是它不熔融、不熔滴、不產生有害煙霧。
    2012年5月,該公司投入數百萬歐元在西班牙建設工廠,潛在產能約50 t/月。纖維纖度主要為2.2和3.1 dtex,短纖維長度為3.8 ~ 8.9 cm,可加工成非織造布、紡織品和復合材料等,主要應用于公共建筑的內飾材料、防護服、公共交通工具的防護材料、濾材及建筑材料等中。經德國Hohenstein研究所檢測,該纖維通過了所有直接接觸皮膚的Ueke-Tex一級標準。它可與羊毛、棉花或粘膠纖維等混織,混入30%該纖維便可有足夠的抗燃性。目前,該產品已試用于冶金工業防電弧和電焊飛濺物的工作服內外層、軍隊和消防員的頭套及內外衣等中。此外還可加工成防火板、隔熱板、復合材料和內裝飾織物等。這些制品都通過了 M1電氣焊試驗、 F1煙密度毒性試驗、美國輻射板燃燒試驗及垂直燃燒試驗。
    19 電發熱非織造布
    Norafin公司開發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,該產品質輕、操作簡便,而流體加熱器無柔曲性、價格貴,且能效較低;以往的由碳纖維等制成的導電織物或發熱紡織品,生產成本較高,易破損而造成短路,不柔軟,而該導電纖維非織造布發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48 V的電壓區域加熱,也可實現快捷而均勻的效果。該非織造布可通過水刺或針刺法制得,其電阻可通過導電纖維的混合比例加以調節,且可通過直接與電池等連接而作為可移動的加熱元件,用于各種戶外用途。
    由該非織造布(克重100 g/m2)與聚酯樹脂結合形成的發熱體,可在短時間內加熱至125 ℃,即使形狀相對復雜,也可做到均勻的熱分布。
    20 柔性電子產品
  北卡羅來納州立大學的紡織工程科學家們開發了一種導電納米涂料(圖7),可應用于棉花、非織造布和聚丙烯紡織品等中,形成質輕而又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品的性能。
 
圖7 有鎢納米涂層的石英纖維
    早在2009年,該大學的化學與生物分子工程實驗室就開始了這一創新研究,即通過被稱作原子層沉積的涂覆方法,將不同化學品暴露于紡織品的表面而發生自層壓反應,其涂覆厚度相當于人體頭發直徑的千分之一,這一獨特的性能開啟了由紡織品直接制成廉價電子產品的新思路。
    這種導電納米紡織品的潛在商業應用包括:①個人健康與環境監控,即通過將布料傳感器嵌入制服中,就可實時監測穿著者的心率、體溫和運動軌跡;②可開發一種更快測定紡織品上納米涂層的導電性;③通過在涂覆紡織品上實現多層一體化,就可制成更小、更輕量的微電子設備。
    從以上20種最新開發的功能性纖維的介紹中可以發現,通過功能化途徑可制得多種不同的功能性紡織品,從而開辟嶄新而又廣泛的應用領域,使人們得以享用這些新產品和新技術帶來的巨大收益。同時,這些創新思路也有助于啟迪更多跨學科的科研人員創造出更多、更新奇的紡織品。

                                                                                                                                                                                                                                                   摘自(紡織導報) 

 

 

 

 

 

 

 

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