（纺织工程专业论文）二十一世纪新型纺织纤维及其应用实践.pdf

摘要 目前我国正处于纺织工业发展形势非常关键的时期，只有通过高新技 术、新型原料、新工艺的应用促进企业加快技术发展步伐，避开低水平的 传统发展模式，才能走上一条高技术含量、高附加值的新型纺织创业发展 之路，才能在激烈的市场竞争中不断开发新产品，提高产品档次和功能， 获得持续稳定的发展，才能振兴中国纺织工业。本论文对几种新型纤维的 基本性能进行了较详细的阐述，并通过对环保绿色纤维的实际使用，对其 加工的工艺及参数的合理选择、相互配置及生产管理进行了探索，使其得 以生产化、市场化。丰富了产品品种和人民生活，为企业的发展开辟了新 的空间。 关键词：环保纤维；功能纤维；附加值；竞争；工艺配置 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi si nt h ec r i t i c a lt i m ef o rt e x t i l ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t a n d w ec a nb eo nt h en e wt e x t i l ew a yo fh i 幽t e c ha n dh i 曲a d d e d v a l u e ，a n d i n v e n tn e w l yp r o d u c t sc o n t i n u o u s l y , a d v a n c et h e i rl e v e la n df u n c t i o n s g a i nt h e l a s t i n ga n ds t e a d yp r o g r e s si nt h ed r a s t i cb u s i n e s sc o m p e t i t i o n ，a n ds t r e n g t h e n o u rt e x t i l ei n d u s t r yj u s tb yt h ea p p l i c a t i o no fh j 曲a n dn e wt e c h n o l o g y , n e w m a t e r i a l sa n dn e wt e c h n i q u es oa st op r o m o t ee n t e r p r i s et oq u i c k e ns t e p so f t e c h n i q u ea n da v o i dt h et r a d i t i o n a lp a t t e r nt h a ti si nl o wl e v e l b a s i cp r o p e r t y o fs e v e r n ln e wf a b r i c sw a sd i s c u s s e di nd e t a i li nm ep a p e r , a n dt h e e n v i r o n m e n t a lf i b e rc a nb em a n u f a c t u r e ds w e e p i n g l ya n dm a r k e t a b i l i t yb y t h r o u g ho fi t sp r a c t i c a lu s e r a t i o n a lc h o i c eo fp r o c e s sa n dp a r a m e t e ra n d e x p l o r i n gi t sm u t u a ls c h e m ea n dm a n u f a c t u r es u p e r v i s i o n c o n s e q u e n t l y , e n r i c ht h ep r o d u c t sa n dp e o p l el i f ec a nb ee n r i c h e d m e a n w h i l ei ta l s oc r e a t e s t h en e ws p a c ef o re n t e r p r i s ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a i l y - f r i e n d l yf i b e r ， f u n c t i o n a lf i b e r ，a d d e d - v a l u e ， c o m p e t i t i o n ，t e c h n i c a ls c h e m e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嘲拳厕 签字日期：哕年月) 少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 嘲物 翩虢弦关 签字日期： 刀年月冲日签字日期：口7 年月归 学位论文的主要创新点 一比较系统地对二十一世纪典型的新型纤维进行了综述； 二对于天丝( t e n c e l ) 纤维、丽赛( r i c h c e l ) 纤维、玉米纤维、 大豆蛋白纤维、竹纤维等的纯纺或混纺进行了生产实践。总结出 了比较实用的工艺路线，为企业创造了经济效益和社会效益。对 于实际生产和提高产品质量有指导作用。 前言 自从我国加入w t o 后，给纺织业带来了新的机遇与挑战。目前我国正处于纺织工 业发展形势非常关键的时候，通过新的技术、新的纤维、新的工艺应用，来促进企业 加快技术发展步伐，避开低水平的传统发展模式，从而走上一条高技术含量、高附加 值的新型的纺织行业发展之路，只有这样，才能在激烈的市场竞争中，不断开发新产 品，提高产品档次和功能，获得持续稳定的发展。 l 、国际市场竞争越来越激烈，传统技术生产出的产品过剩；在全球纺织经济论 坛上，尽管这样那样的不同意见，但配额要取消成为现实；“后配额时代，全球纺 织业争夺国际市场份额的竞争将更为激烈，我国纺织工业既面临新的发展机遇，更面 临严峻的挑战，( 1 ) 发达国家凭借其资金实力、完善的市场网络、品牌以及高新技 术等方面的优势继续主导着高附加值的纺织品服装市场，通过各种环保标准、质量标 准、技术标准、卫生标准以及反倾销、区域性经济障碍等措施限制我国纺织出口。( 2 ) 周边的越南、泰国、马来西亚、印度、巴基斯坦等发展中国家也把中国视为主要竞争 对手，跟从美国宣扬中国纺织威胁论，实行贸易保护主义或限制进口，这是我们最不 愿意看到又必须面对的事实；同时，国际间的贸易纠纷摩擦越来越多，以价量取胜的 路子已经越来越困难了：市场总是有限的，增加的速度也是有一定范围的。唯一的出 路是调整出口产品的结构，提高出口商品的附加值和产品的技术含量，即一个重要的 任务是在国际市场上进入一个更高层次的竞争。 2 、国内市场也发生了深刻变化，国内市场的竞争必然更加激烈，( 1 ) 随着后 配额时代的到来，国内企业拼成本、拼价格等短兵相接式的竞争将难以避免； ( 2 ) 受贸易壁垒、出口交货期限以及出口退税率下调等因素的影响，一部分产品出口受阻 势必转入国内，加剧国内市场竞争；( 3 ) “国际竞争国内化趋势将进一步加剧。 一方面随着人们生活水平的提高，舒适、功能、品牌个性化消费更加明显，所以纺 织产品的结构调整的力度必须要加快，否则不能满足人们生活需要的变化，另一方面 常规产品的竞争越来越激烈，利润空间越来越小。 3 、( 1 ) 进入2 1 世纪随着信息技术的发展，纺织市场发生了根本性变化：国内 市场国际化；国际市场国内化。现在如何跳出来料、来样的格局，自己开发产品去争 夺市场。( 2 ) 全球的采购趋势，不是一个企业与一个企业的竞争，而是一个产业链 与另一个产业链的竞争，一个产业群与另一个产业群的竞争。一个企业已经不可能在 市场竞争中获得自主权，而是一个产业链和一个产业群才能在国际和国内市场上得到 相应的份额。( 3 ) 品牌竞争变得日趋激烈。如何形成一种以品牌为龙头的优势产业 链，那么你可以得到高的附加值，在市场竞争中得到你的份额。( 4 ) 细分市场来确 定你的市场定位、寻找差异、创造差异、采用差异的优势来创新空间成为企业取胜的 一大法宝。( 5 ) 快速反映能力的提高；快速反映能力越强，我们的市场竞争能力越 高。 4 、我们市场的全球科技进入日新月异，新设备新技术新产品层出不穷。只有紧 跟国际科技的进步步伐，企业才不会落后。现在不仅是精梳问题，要求它的毛羽、要 求纱疵，而是要求越来越多，档次越来越高。新工艺、新产品、新技术是提高企业效 益的有效途径，所以我们一定要把能力的扩大，转向产品的开发上。我们在纺织市场 还存在薄弱环节：新纤维的开发应用少，高性能、高功能的纤维远远落后于国际的先 进水平，其实我们的化纤仿真水平越来越高，因此当前的新纤维的开发应用要加大力 度，只有用新纤维的广泛应用来提高产品的附加值，用多种纤维的混纺来互补，来开 发新的纱和坯布。所以现在功能纤维在运动服装上的抗静电、防紫外线、防水、柔软 等将成为我们产品的特色。当前我们的差距反映在产品上，也反映在根本是新纤维、 新技术的应用、开发和管理上。 上世纪，纺织业的开发重点是功能性，有关专家预测本世纪纺织品将向智能化 迈进。纳米技术的突破将为开发功能性，智能性纺织品提供新途径。由于纳米材料的 物理化学性能大为改变，因而纳米技术有望成为宏观世界与微观世界的桥梁。但智 能纤维的研制与开发，近年来受到发达国家的高度重视，并将其视为纺织与服装的未 来。 纳米技术为功能性纺织品的开发开辟了新的途径，但并非唯一途径，使纺织品 获的新功能的方法还有很多，大量化学、物理、生物机电方面的新技术都有可能为开 发功能性纺织品创造新的条件，依靠技术进步、紧密结合市场、抓好化纤纺织市场急 需的高性能的差别化、功能化、高技术纤维的一体化产品的研发和民用高仿真、超仿 真服装、家纺、产业三大领域及非纤、合成新材料、高科技领域的应用开拓，替代进 口、扩大出口、争市场、争效益是提升棉纺、化纤行业核心竞争能力的关键环节，也 是纺织、化纤企业在激烈的市场竞争中的重要途径。化纤新品种由高仿真到超仿真， 功能性纤维将推进产业领域新发展，新世纪化纤将全面进入“超天然 的新纤维时代， 随着多功能高技术化纤新品种的深入开发，应用广阔的产业领域已成为纺织行业发展 的新的增长点。 中国入世后，来自国外的“绿色壁垒 随之增加，绿色生态可持续发展战略， 已成为新时期发展的主趋势，随着高科技的融入，将为服装与纺织品的发展带来新的 发展。在全人类对环境、安全、健康迫切关注之下，环保潮流已成为趋势，环保问题 将成为未来国际贸易关键之一，环保纺织品也将成为二十一世纪纺织品发展的必然趋 势。迎合消费者崇尚自然和健康、舒适、环保的消费潮流，新型环保型再生纤维如雨 后春笋般蓬勃发展。环保型再生纤维分为环保型纤维素纤维和蛋白质纤维两种，其 产品有：天丝( t e n c e l 纤维) 、莫代尔纤维( m o d a l 纤维) 、牛奶纤维、大豆纤维、花 生纤维、甲壳素纤维、聚乳酸纤维等。 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 1 1 全球纳米产业的发展现状 在新旧世纪之交，几乎全世界都兴起一股“纳米热 。有人将“纳米技术、基因 工程、网络通讯 誉为新世纪科技界最有发展前途的三大领域。纳米科技实际上包括 纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米加工学、纳米 力学、纳米测量学等领域。其中，纳米材料与纺织行业密切相关，而纳米材料又可分 为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体、纳米相分离液体和纳米复合材料等。 一些国家在积极对纳米技术进行基础研究的同时，大力发展纳米产业。现在全球 纳米技术的年产值已达5 0 0 亿美元以上，预计2 0 0 1 年纳米业的产值将达1 4 4 0 0 亿美 元，相当于现在美国全年的g d p 。在国际市场上，1 99 0 纯度的碳纳米管价格高达 6 0 美元，高纯度的单壁碳纳米管约1 0 0 0 - - 2 0 0 0 美元g ，大大超过黄金价格。我国 近年来在商品市场和技术市场上也出现大批标以“纳米 的产品及科研项目。一些制 作粉体( 特别是微细粉) 的行业，纷纷推出各种超细甚至达到纳米级的微粉，用这类号 称“纳米级 的陶瓷粉、金属粉添加到纺织、涂料、塑料、化纤、橡胶、化妆品、药 品等材料中去，使最终产品拥有了新的性能，在某些广告中称之为“纳米产品 。与 纳米有关的技术、项目、测量仪器、科研成果在技术市场上的占有额也在不断扩大， 包括各种纳米粉体的制备，分级及分散的技术及设备，微粒大小表征及粒度分析技术， 纳米材料与其它材料的复合技术等等。 我国纳米材料的应用领域以纺织、塑料、建筑为主，其中：纺织2 0 ，塑料2 0 ，涂料1 3 ，陶瓷7 ，橡胶1 3 ，其它1 7 。纺织行业主要将纳米材料用于对 功能性纺织品的开发。 1 2 纳米材料在功能性纺织品的应用 应用纳米技术的功能性纺织产品也应运而生，如防水、防污、透湿的环保服装， 发射远红外线的保健服，以及具有防紫外线、防菌、负离子、吸波、抗静电、光催化 等功能的纺织品。可喜的是，一些跨行业、跨系统的高校、科研单位也都在功能性纺 织品开发上取得了一定成效。 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 纳米材料有着与常规材料不同的性能和特点，而纳米技术在纺织上的应用又可分 为：纳米纤维，纳米复合材料，纳米膜，纳米结构纺织材料。 1 2 1 纳米纤维 2 0 世纪发展起来的化纤技术为人类提供了新的纺织材料，因其性能优越、来源 广泛，其产量已超过天然纤维。普通化学纤维的直径大部分是仿制天然纤维粗细，最 细也只是微米级。随着科技的发展，开发了超细纤维。超细纤维究竟能做到多细，细 了又有何用? 这是近代科技界一直在关心的课题。直到2 0 世纪末，崛起的纳米技术才 将超细纤维推进到一个崭新的阶段，将纤维的细度由微米发展到纳米。通常把直径小 于1 0 0n m 的纤维称为“纳米纤维，但也有的企业把几百纳米或纤维中添加了纳米粉 末的纤维称为“纳米纤维”。纳米纤维为开发功能性纺织品提供了新的特种原料，有 可能给纺织工艺、设备、产品的开发带来新的变革。 目前最细的纤维为碳纳米管，其直径可小于0 4 n m 。据科技日报报道，中美 科学家开发的长碳纳米管束最长已达到2 0 c m 。这种纳米碳管被誉为纳米材料之王， 其特点是：超高强、超柔韧，因碳纳米管中的碳原子间距短，管径小，使纤维结构 不易存在缺陷，其强度为钢的1 0 0 倍，密度只有钢的1 6 ，是一般纤维强度的2 0 0 倍，用它作的绳索可以从地球拉到月球而不会被自身重量所拉断。奇异的导电性， 碳纳米管既有金属的导电性、也有半导体性，甚至在一根碳纳米管上的不同部位，由 于结构变化而显示不同的导电性。用它做成整流管可替代硅芯片，将引起电子学的重 大变化，从而可将计算机做到极小；用碳纳米管做出的纳米器件可组装纳米机器人， 如蚊子飞机、蚂蚁坦克等被用于军事及医疗方面。超级储存功能，碳纳米管可用来 做储氢材料，把氢开发成清洁能源。超强吸波功能，碳纳米管有较强的宽带微波吸 收性，是较好的电磁、微波屏蔽材料；碳纳米管还可当作隐形材料用于军事、国防领 域。超大比表面积的吸附功能，材料越细、比表面积越大，而有较强的吸附过滤功 能，可作催化剂载体、超级过滤器等。耐高温、抗氧化、高结晶度，并有较好的导 电性，可作电极材料等电动交通工具的电源。碳纳米管只是纳米纤维的一种，虽也称 作纤维，但装在瓶中时，用肉眼见到的只是一些黑色粉末。 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 1 2 2 纳米复合功能性纺织材料 目前，我国在开发功能性纺织品方面应用最广的是将纳米材料与纺织材料复合， 多数纳米复合材料是将纳米微粉加到化纤、纺织品或浆料、助剂中。具体加入方式有： 在聚合或纺丝时加入、在织物后整理时添加或以涂层方式复合。因粉体材料不同，纺 织品的功能也各异。当前该领域研究开发的重点有： ( 1 ) 远红外纳米纤维及纺织品：远红外纤维一般是指比原来纤维的远红外发射率 大1 0 以上的纤维。远红外纤维的制法，是将有较高远红外发射率的陶瓷微粉加入 到高分子聚合物中，经纺丝加工制成纤维。很多矿物都有较高的远红外发射率，如铝、 镁、硅、钙、铬、镍、铁、锆、钛等的氧化物及多种碳化物、氮化物、氟化物等。这 类远红外陶瓷材料选用的条件是：远红外线发射率高、价格低、易加工，对人体无毒、 无放射性危害，其粒度直径最好在1uf m 以下。远红外粉在纤维中的加入方法有： 母粒法：将远红外陶瓷粉扩散后，与化纤聚合物载体在双螺杆混炼机中均匀混合后造 粒，这种母粒中的陶瓷粉微粒可高达2 0 一3 0 ，然后用一定比例的远红外陶瓷母 粒再与原载体的聚合物切片混合纺丝，最终纤维中陶瓷粉的含量可控制在1 5 一6 。全造粒法：将远红外陶瓷粉按最终需要的比例与高聚物载体一次性造粒、纺丝。 这种工艺简化了生产工序，但增加了造粒成本。聚合添加法：在高聚物聚合时，将 远红外陶瓷粉与催化剂、扩散剂等按一定比例加入，最终经纺丝制得远红外纤维。加 入远红外陶瓷粉的载体以丙纶、涤纶、锦纶居多，腈纶、粘胶也不少。按远红外陶瓷 粉的品种和加入量的多少，不同远红外纤维的最高发射率可达9 4 ，一般多数在8 0 一9 0 。用这种纤维制成的纺织品，在常温下有较高的远红外发射率，即在人体温 度下也能将人体发射的、2 | if m 以上的波反射回去，引起谐振，增加纺织品与人体之 间的温度。增温幅度因人而异，一般约0 5 ，最高可达2 3 。远红外陶瓷粉也可 加工配成各种助剂，用后整理的方式加入到纺织品中，起到同样效果，但耐久性略差。 ( 2 ) 防紫外线纤维及纺织品：防紫外线纤维主要是指对紫外线有较强反射和吸收 性能的纤维，对紫外线能起反射作用的物质，称“紫外线屏蔽剂；对紫外线有强烈 选择吸收性，并能进行能量转换而减少透过量的物质，称为“紫外线吸收剂。某些 金属氧化物的超细粉体可作为紫外线屏蔽剂，如氧化锌、二氧化钛、三氧化二铝、氧 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 、化镁、石墨、高岭土等。将这类物质粉碎成微米甚至纳米级粉体后，由于微粒尺寸大 小与光波波长相当、或更小，比表面积大，表面能高，超细粉体在与纤维共混结合后， 增强了纤维材料对紫外线的反射和散射作用。紫外线吸收剂通常是一些有机化合物， 如水杨酸酯类化合物、金属离子整合物、二苯甲酮类、苯并三陛类等。紫外线吸收剂 可使紫外线的能级降低，并使光能转化为热能而散发。防紫外线纤维的生产制造可通 过共混纺丝法制得，即将紫外线屏蔽剂或紫外线吸收剂的粉体在聚合物聚合时加入， 或直接混入纺丝液；也可先制成防紫外线母粒，再进行共混纺丝。这样制得的防紫外 线纤维与用后整理法制成的纺织品相比，功能持久，耐洗性好，手感柔软，易于染色。 ( 3 ) 抗菌防螨纤维及纺织品：将超细抗菌粉体加入到化纤或用后整理法加入到纺 织品中，将各种细菌、真菌、霉菌起到抑制作用。多数金属离子都有抗菌作用，但有 的重金属对人体有害，有的对纺织品染整不利。目前，多数用接触性抗菌剂如银、铜、 锌的离子及其化合物等，或光催化抗菌剂二氧化钛、氧化锌、纳米硅基氧化物等。如 用二氧化钛、硫酸钡、氧化锌的纳米颗粒作核，外包覆银，可抗细菌；若包覆氧化铜、 硅酸锌，可抗真菌。一般在化纤中加入l 这种微粉，即可起到抗菌作用。螨虫的食 物主要是经细菌分解后的人体皮屑，细菌抑制后，断绝螨虫食物链，使螨虫难以生存。 当前，开发抗菌防臭纺织品的另一趋势是利用甲壳素的抑菌保健性能，将甲壳素微粉 加入到化纤丝中，或将甲壳素粉溶于氨基酸溶液后进行湿纺。用少量甲壳素纤维与其 它纤维混纺，可生产具有抗菌保健纺织品。因其不含化学药剂和金属成分，可作为高 档抗菌纺织品。 ( 4 ) 光催化钠米环保材料：随着经济的发展，如何净化环境、消除污染已成为人 们关注之事。近年来，国外已有大批科研人员从事这一工作，例如利用纳米t i o 。的 光降解作用，有效地去除部分有害物质。纳米t i o ：在紫外线或日光的照射下，可将 氮氧化物、油酯、甲醛催化降解。其原理是t i o ：在受到紫外线照射时，将产生自由 电子和空穴，它们使空气中的氧活化，产生活性氧和自由基，最终将某些有机污染物 分解为c 0 。和h 2 0 。用含有纳米t i o ：的无纺布或纺织品，可做成窗帘、床单、墙布、 地毯、家具及车船用布、各种装饰用品等，也可用于作空气及废水的净化处理用品。 ( 5 ) 其它纳米功能性纤维及纺织品：如香味纤维、负离子纤维、防微波纤维、隐 身材料、吸波材料、发光纤维、变色纤维、蓄能纤维、记忆纤维、可修补纤维、可传 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 导信息纤维等。 1 2 3 功能性纳米结构材料 ( 1 ) 纳米膜结构材料：用高压电喷射拉伸的细小纤维可形成毡状薄膜，其孔隙可 以控制在纳米尺寸范围内。通过将聚四氟乙烯( p t f e ) 薄膜双向拉伸，可形成表面具有 网状的微孔结构。这类具有纳米尺度微孔结构的膜材料，因其密度小、高孔隙度和大 比表面积，能使蒸气透过，即所谓“可呼吸性 ；同时又挡风和过滤微细粒子，对气 溶胶有阻挡性。可用于防生化武器及有毒物质，也可作防水、防风、透湿材料，还可 用作过滤材料，过滤细菌、病毒、放射性灰尘等。 ( 2 ) 二元协同纳米界面材料：由中科院化学所提出的这一思路，是在材料介观表 面建造二元协同结构，即在二维表面建立性质不同的纳米相区，制成双疏( 油、水) 和双亲( 油、水) 材料。用这种技术生产的超双疏功能性纺织品，既防水、又防油，透 气透湿、防缩防皱。而开发的双亲纺织品，可提高纺织品的易染性、色牢度和鲜艳度， 甚至实现少水或无水印染，有利于开发“绿色 纺织。目前，双疏纺织品已用于领带、 服装等。 ( 3 ) 仿生纳米结构：有人研究了蝴蝶的翅膀结构，发现它也是纳米状的微小结构。 这种细小鳞片结构可随外界温度的高低而开或闭，因而产生自动调温功能。也有人认 为，正是这种纳米结构才形成美丽的颜色。由于可见光的波长为数百纳米，当可见光 穿透小于本身波长的结构时，其光波将发生变化，有可能出现分色、变色现象，甚至 从不同角度可以观察到不同颜色，届时人们有可能穿上虽未经印染、但却五彩缤纷的 服装。 1 3 纳米技术应用及功能性纺织品中的开发前景 将纳米纤维或纳米级的微粒加入到纺织品中，可赋予该产品某种或多种新功能， 特别是在产业用纺织品领域将有更大作为。未来纳米纤维的制成品，其强度会超过钢， 弹性如橡胶，耐磨如陶瓷，导电赛铜银，保暖似羽绒。用纳米材料作的隐身服将会更 好地保护人体，不仅可防弹、防刺、防毒、防污，而且轻便、舒适。用它作的储能材 料将替代现有燃油，高效而清洁。用它作的保健服可随时记录、显示人体的温度、脉 搏及其它器官运转情况，出现问题后将及时报警。纳米纤维有可能是生产智能纺织品 第一章纳米技术在功能性纺织品中的开发与应用 的基本原料，如可用纳米碳管作“纳米耳 ，人耳中细胞上的纤毛直径l o o n m 左右， 人脑神经就是靠这些纤毛感受声波的信号，纤毛越纫、越多、越长、越柔软，灵敏度 就越高。用纳米碳管在一平方厘米内可种植1 0 0 亿根纤毛，且直径只有几纳米，长度 达6 0um ，用这种“纳米耳 作的听诊器可听到细胞分裂的声音。纳米纤维制成品还 可广泛用于航空、航天、交通、医疗、体育、电子、生物、建筑、环保等领域。用纳 米级材料制造的轻武器，其重量可减到原来的l l o ，一支步枪仅约重0 5 k g ，纳米 级的炸药也将发挥更大的威力，用纳米材料做的芯片的运行速度和内存将提高千万 倍。另外，生物纳米技术和发展也可能将d n a 重组，培植一批新型动物、植物，如彩 色的棉花、羊毛、蚕丝、麻等，这将可以彻底摆脱印染工序造成的污染；也可以培植 用于纺织的新品纤维素类植物，甚至将农作物桔杆、木棉、芦苇、竹子、棕树、菠萝、 椰子等改良，使其茎、叶、花、果中的纤维在处理后用于纺织。再有，使用纳米镊子、 利用转基因技术，可将蜘蛛基因转移到蚕、奶牛或奶羊身上，得到能提取超高强丝的 原料；或将生物技术与医学生体技术结合后，用纳米纤维制造人体器官、组织，如血 管、神经、肌腱等。将某些纤维基因移植到细菌身上，有可能直接从菌类生产纤维。 总之，微观技术成就目前还难以想象和预料，但未来的纳米技术肯定具有光辉的前途。 第二章智能纤维开发与现状 第二章智能纤维开发与现状 2 1 引言 近年来，一类新颖的高新技术纤维智能纤维正日益受到工业发达国家的重 视。一些专家将智能纺织品和智能服装看成是纺织服装工业的未来。智能纤维( s m a r t f i b e r ) 能够感知环境的变化或刺激( 如机械、热、化学、光、湿度、电磁等) ，并能 做出反应。目前光纤传感器、导电纤维、变色纤维、形状记忆纤维、调温纤维和选择 性抗茵纤维等已经实现了规模化生产，而且产品正由单一功能向多功能、超仿真、高 性能、舒适化、特色化方向发展。， 2 2 几种智能纤维的开发与应用 2 2 1 光学纤维 石英、蓝宝石或塑料光纤技术同时具有信号探测和传输功能，在复合材料、水 泥结构的智能高速公路、桥梁和飞机蒙皮等方面有广泛的应用。光纤传感器可以探测 应变、温度、位移、物质化学浓度、加速度、压强、电流、磁场以及其他一些信号， 是迄今为止发展最为成熟的纤维传感器。 布拉格光纤光栅( o p t i cf i b e rb r a g gg r a t i n g ) 及其衍生光栅被认为是最好的多 点和分布情况探测传感器。在水泥和复合材料等刚性体系中的应用已经较为成熟。光 纤在柔性体系中的应用研究也已经展开。香港理工大学应用具有起结构的光栅传感器 实现了温度和应力的同步探测。并成功地实现了纱线上应力分布的探测，扭转信号的 探测技术也在研究中。 美国d r e x e l 大学的研究人员将光纤传感器镶嵌在降落伞中，即时探测降落伞的 动态应力变化情况。还将用聚乙炔和聚苯胺等为包敷层的光纤传感器镶嵌织物，利用 聚苯胺吸收酸性或碱性物质后光谱吸收性能的变化来实现物质探测，希望用于战时的 化学或生物物质的探测。 在美国国防部资助下，g e o r g i a 理工学院将塑料光纤传感器植入衬衣来探测心率 的变化，并计划根据光纤断裂后光传输信号的变化，用于判断战场上士兵的受伤部位 和受伤程度。据预测该衬衣用于儿童和病人的日常健康监护也有很好的前景，己准备 第二章智能纤维开发与现状 由美国s e n s at e x 公司产业化。 加拿大t a c t e xc o n t r o l s 公司新近推出了一种压力敏感织物，它通过将光纤传 感器的网络植入泡沫而织制成。发光二极管发出的光线在通过光纤时，会由于光纤的 弯曲而改变方向或反射，探测多根光纤中光线传输情况的变化，可以监测织物所受压 力的情况，精确设计光纤排布，可以获得很高的探测灵敏性，用于乐器和游戏机键盘 具有很好的前景。 2 2 2 导电纤维 电信号的探测和传输是探测技术中很重要的一个方面，导电纤维传感器在柔性材 料方面的应用非常成功和普遍。根据导电聚合物的反应方式，可以有光学传感器( 输 出信号是光) 、电流传感器( 输出信号是电流) 和电导传感器( 输出信号是传导率) ，另 外也有以质量和电阻为反应方式的传感器。 2 0 世纪7 0 年代未以来，导电聚合物技术的快速发展为传感器技术进步奠定了基 础，目前导电聚合物与光纤传感器结合或单独用于温度、应力、电磁辐射、化学物质 种类和浓度等的检测。近年来由英国d u r h a m 大学等研制出的导电聚苯胺纤维具有半 导体的特性，电导率高达1 9 0 0 s c m ，可以作为传感器使用。 由美国m i l l i k e n 研究公司发明的聚吡咯涂层纤维技术，通过气相沉积或溶液聚 合的方法，将导电的聚吡咯涂层在纤维表面制成了织物传感器，美国f l o r i d a 大学利 用聚吡咯分子链上的掺杂物质变化引起纤维导电信号变化的特点，直接用于氨和酸的 探测。聚吡咯与其他聚合物结合可组成探测气体混合物的传感器。意大利p i s a 大学 将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成的织物，在受到外力拉伸后产生伸缩，聚吡咯的导 电性能产生变化，记录和分析电信号的变化，美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢 纤维在织物上刺绣出不同的电路，可以制成织物软键盘。通过将导电纤维和绝缘纤维 纱线的交替编织，制成了可测压力的织物。这种织物由三层组成，上下雨层是电阻率 为1 0q c m 的金银线与普通纱线的交织织物，中间是结构较为稀疏的尼龙网起隔离上 下两层织物的作用，当在织物上施加压力时，上下雨层织物通过尼龙网的空隙实现接 触引起电信号的变化。研究人员将织物键盘用于新型服装的开发，制造出了能够像 萤火虫一样不断闪烁的连衣裙。在走动过程中，织物之间的镑压和摩擦，使两层织物 第二章智能纤维开发与现状 中的导电纤维之间随机导通，有微弱的电流通过，这样连接在两层织物上的发光二极 管就发光。 欧盟e l e c t r ot e x t i l e s 公司于1 9 9 9 年利用导电纤维技术开发了压力敏感织物。 这种织物可以准确地探测出受压力的部位。织物卷成5 m m 的筒状也不会影响x 方向和 y 方向的探测灵敏度，并可使用1 0 0 万次以上。利用导电纤维在织物上刺绣的技术， p h i l i p 公司已经开发出了音乐夹克、音乐键盘和运动夹克等系列产品，并通过将移动 电话与服装相连接，实现服装的电子化和数字化。其中运动夹克中利用织物受拉伸以 后，导电纤维导电性能的变化来探测手臂的运动情况，研究人员估计这种服装在姿态 矫正方面也会有市场。 近年来开发的类似产品还有芬兰的智能服装( s m a r tc l o t h i n g ) ，原型具有通讯、 导航、使用者监测环境以及电加热四项功能，第一代夏季产品在2 0 0 1 年夏天已推出， 比利时s t a r l a b 的智能服装( i _ w e a r ) 由多层构成，其中之一是传感器层；德国f a c 服装设计公司推出的智能服装中集成了手机、录音机、m p 3 和g p s 肥系统的功能；由 美国b i o k e y 公司开发的智能绷带将多种传感器植入织物，可以探测细菌数量、湿度 和氧气浓度等，并记录在计算机中，为治疗方案的改进提供依据。 2 2 3 形状记忆纤维 形状记忆纤维是热成形时( 第一次成形) 能记忆外界赋予的形状( 初始形状) ，冷 却时可任意形变，并在更低温度下将此形变固定下来( 第二次成形) ，当再次加热时能 可逆地恢复原始形状。根据外部环境变化，促使形状记忆纤维完成上述循环的因素还 可以有光能、电能和声能等物理因素以及酸碱度、螯合反应和相变反应等。迄今为止， 研究和应用最普遍的形状记忆纤维是镍钛合金纤维，如瑞士m i c r o f i li n d u s t r i e s 公司生产的一种镍钻合金( 镍含量为5 0 6 3 ) 纤维直径为3 0 0 岫。 在英国防护服装和纺织品机构研制的防烫伤服装中，镍钛合金纤维首先被加工 成宝塔式螺旋弹簧状，再进一步加工成平面状，然后固定在服装的面料内，当服装表 面接触高温时，形状记忆合金纤维的形变被触发，纤维迅速由平面状变化为宝塔状， 在两层织物之间形成很大的空腔使高温远离人体皮肤，防止烫伤发生。 形状记忆丝绸是应用最早的形状记忆纤维之一。形状记忆丝绸的制造工艺是将 第二章智能纤维开发与现状 丝浸人水解后的纤维性的角阮和骨胶原中，然后干燥、卷曲、再次浸水、1 1 0 。c 高压 热定形l o m i n 后制成。当成品加热到6 0 4 c 湿热处理时，纤维变得卷曲和皱折。由于 丝的捻回被记忆固定下来，即使丝被退捻到无卷曲状态，再通过熨烫仍然可以使之恢 复卷曲。形状记忆处绸目前被广泛用于外套、衬衣和舞蹈紧身衣。 2 2 4 变色纤维 所谓变色纤维是一种具有特殊组成或结构在受到光、热、水分或辐射等外界 刺激后具有可逆性自动改变颜色的纤维。 ( 1 ) 光敏变色纤维 光敏变色( p h o t o c h r o m i c ) 是指某些物质在一定波长光的照射下会发生变色，而 在另一种波长的光或热的作用下又会发生可逆变化到原来颜色的现象。在越南战争期 间，美国c y a n a m i d e 公司为满足美军对作战服装的要求，开发了一种可以吸收光线后 改变颜色的织物，这是感光变色纤维最早的实例。具有光敏变色特性的物质通常是一 些具有异构体的有机构，如螺吡喃、萘吡喃、螺亚嗪和降冰片烯衍生物等。这些化学 物质因光的作用发生与两种化合物相对应的键合方式或电子状态的变化，可逆地出现 吸收光谱不同的两种状态即可逆地显色、褪色或变色。 原中国纺织大学采用淡黄绿色的1 ，3 ，3 一三甲基螺光敏剂，与聚丙烯切片共混 后制成切片，再经2 4 0 熔融纺丝制成含有1 一2 光敏剂的聚丙烯纤维，纤维的细 度可以达到2 5 9 d t e x 纤维的拉伸断裂强度为3 9 4 c n d t e x ，断裂伸长率为2 2 5 。 该纤维经紫外线照射后能够迅速由无色变为蓝色，光照停止，又迅速恢复无色，并且 具有良好的耐皂洗性能和一定的光照耐久性。 除聚丙烯外，其他聚合物也可以用做光敏变色纤维的原料，其颜色变化范围也有 多种，如美国纺织国际公司生产的纱线在紫外线照射下有橙、紫、蓝、洋红、黄、红 和绿等多种颜色。 日本k a n e b o 公司将吸收3 5 0 n m - 4 0 0 n m 波长紫外线后由无色变为浅蓝色或深蓝色 的螺吡喃类光敏物质包敷在微胶囊中，用于印花工艺制成光敏变色织物。微胶 囊化可以提高光敏的抗氧化能力，从而延长使用寿命。采用这种技术生产的光敏变 色t 恤衫已于1 9 9 8 年供应场，近年来，国内也有类似的产品销售。 第二章智能纤维开发与现状 美国c l e m s o n 大学和g e o r g i a 理工学院等几所大学近年来正在探索在光纤中掺人 变色染料或改变光纤的表面涂层材料，使纤维的颜色能够实现自动控制，其中噻吩衍 生物聚合后特有的电和溶剂敏感性受到格外重视。美国军方研究人员认为，采用光导 纤维与变色染料相结合，可以最终实现服装颜色的自动变化。光敏变色纤维主要用于 娱乐服装、安全服和装饰品以及防伪制品等。 ( 2 ) 热敏变色( t h e m o c h r o m ic ) 纤维 1 9 8 8 年东丽公司开发了一种温度敏感的织物s w a y 。这种织物是将热敏染料密封 在直径3 p m 一4 岫的胶囊内，然后涂层整理在织物表面。这种玻璃基材的微胶囊内包含 了三种主要成分：( 1 ) 热敏变色性色素；( 2 ) 与色素结合能显现另一种颜色的显色剂； ( 3 ) 在某一温度下能使相结合的色素和显色剂分离并能溶解色素或显色剂的醇类消色 剂。调整三者组成比例就可以得到颜色随温度变化的微胶囊，而且这种变化是可逆的。 s w a y 是一种多颜色的织物，它的基色有四种，但可以组合成6 4 种不同的颜色，它在 温差超过5 c 时发生颜色变化，可以在- 4 0o c - 8 5o c 温度范围发生作用，针对不同的用 途可以有不同的变色温度，例如滑雪服装的变色温度为1 l 一1 9 。c 。妇女服装的变色 温度为1 3 一2 2 ，灯罩布的变色温度为2 4 c 一3 2 等。 2 2 5 调温纤维 ( 1 ) 空调纤维 2 0 世纪8 0 年代以来，美国宇航总署为了研制新型宇航服和保护精密仪器免受环境 温度剧烈变化的影响，先后资助美 t r i a n g l e 公司和农业部南方实验室开展了具有热 能吸收储存和释放功能纺织品的研究工作，随后，美国空军、海军和美国科学基金也 先后资助该领域的研究工作。o u t l a s t 纤维技术是美国太空总署为登月计划而研发的， o u t l a s t 纤维技术关键是使用微胶囊包裹的热敏相变材料，这种材料具有能以潜热的 形式，吸收储存和释放热量的功能。其在温度变化中，可以固态液态互相转化，从中 达到吸热、放热的效果。在o u t l a s t 纤维中的微胶囊热敏相变材料为碳氢化腊 ( h y d r o c a r b 0 姗a x ) 能对外界环境温度的变化在皮肤上作出相应的反应，对温度变化 有缓冲作用。这是一种能够根据外界环境温度变化，伴随纤维中所包含的相变物质发 生液固可逆相变，或从环境中吸收热量储存于纤维内部，或放出纤维中储存热量， 第二章智能纤维开发与现状 在纤维周围形成温度相对恒定的微观气候，从而在一定时间内实现温度调节功能。 由于空调纤维中含有一定的相变物质，所以这种纤维在1 0 c - 4 0 。c 温度范围具有 一定吸、放热量的能力。用空调纤维加工成的纺织品( 服装) 除具有传统纺织品( 服装) 的保温功能外，由于存在于成千上百万个具有能量转换功能的相变材料，其不间断地 吸收和释放能量来调节温度，因此其服装能保持在一个舒适的温度范围，故用空调纤 维可制得冬暖夏凉的服装，具有温度调节功能。由空调纤维加工成的纺织品除具有常 规纺织品的静态保温作用外，还具有由于相变物质的吸放热引起的动态保温作用。试 穿结果已经证明了这一特征。 空调纤维能纯纺，也可与棉、毛、丝、麻等各类纤维混纺交织，可梭织和针织， 大量应用于户外服装、内衣裤、毛衣、衬衣、帽子、手套和床上用品等，具有良好的 效果。其服饰在美国、欧洲、日本已很流行。特别是户外运动者和对温度变化较为敏 感的老年和婴幼儿中，更受欢迎。目前世界上一些体育运动用品公司已将空调纤维或 泡沫用于其新产品开发，产品包括体育运动服装的各方面。2 0 0 0 年初，空调纤维纺 织品被用于汽车内装饰织物。 ( 2 ) 调温调湿纤维 日本东洋纺公司对聚丙烯酸分子链进行高亲水化处理( 金属盐型) ，分子链中引 入n h 2 1 0 0 h 基团，并进行交联处理，开发出了具有调温、调湿功能的纤维“爱克苏。 由于这种纤维的亲水性基团含量超过了任何一种天然纤维，所以它的吸湿性很高，温 度2 0 和相对湿度6 5 的标准状态下，它的吸湿能力约是木棉的3 5 倍。而且通过 调整纤维的结构，使纤维的吸湿放热和脱湿吸热过程得以较为平稳地进行，吸湿和放 湿速度可以调节到木棉纤维的一半左右。与天然纤维相比，“爱克苏 的吸湿和放热 速度比较缓慢，可以均匀地释放，从而使衣内温度调节缓和，也能防止出汗后的冷感。 它的相对湿度从0 变化到8 5 时，1 9 纤维放出的热量可使l 杯水的温度上升约1 ，放热能力是羊毛和羽绒的2 倍左右。 日本东丽公司推出的称之为“能量感应 的吸湿放热布料可以吸收人体排出的 水气，并将之转化为热能，这种布料做成的衣物比传统衣物保暖2 。c 一5 。c ，而衣内湿 度相对下降。 温度和湿度调节纤维目前主要用于睡衣、运动衣和床上用品，如被、褥等。 第二章智能纤维开发与现状 2 2 6 吸湿排汗纤维 塞迪斯纤维是一种舒适、时尚的改性聚酯纤维，济南正昊化纤新材料有限公司研 制开发的新型吸湿排汗纤维，系利用自主开发的改性聚酯作为成孔剂，与常规聚酯进 行共混纺丝制得的。该纤维采用异型截面结构，经后处理后，纤维表面形成众多无规 则的凹坑或沟槽，具有很好毛细效应。正是由于纤维的这种独特结构，导致了它的吸 湿、排汗、透气的特性，可将肌肤表面排出的湿气与汗水瞬间排出体外，使肌肤保持 干爽和清凉。 塞迪斯( s a t i s ) 纤维特有的制作原理和加工方式决定了它同时具有吸湿快、散 湿快两种特性，其性能优于仅靠纤维截面来改善聚酯纤维的吸湿排汗性能的纤维；其 价格远远低于同类进口产品。 塞迪斯纤维同时具有吸湿快、散湿快两种特性，无论天然纤维还是化学纤维都很 难兼具这两种性能，但塞迪斯纤维可以做到。因此，对几乎不吸水的聚酯纤维而言， 塞迪斯纤维又赋予了它新的生命。塞迪斯( s a t i s ) 纤维特有的制作原理和加工方式， 决定了该纤维在产品应用中，有别于其他纤维面料的开发生产。 - 吸湿快：分别以纯棉纤维、塞迪斯纤维为原料制得的牛仔织物为样品，在2 5 1 ，r h 6 5 ，1 0 m i n 条件下，测得其芯吸高度，见图l 。由图可看出，同样条件下， 塞迪斯纤维为原料制得的牛仔织物的芯吸高度是纯棉织物的3 倍多。 - 散湿快：以常规涤纶、塞迪斯、纯棉织物为例，在含水率为2 0 、温度为2 5 、相 对湿度为6 0 的条件下放置3 0 分钟后，塞迪斯织物散湿最快，常规涤纶次之，纯棉最 慢。 开发的有关产品： 第一类1 0 0 塞迪斯( s a t i s ) 产品大斜纹绒花呢。该面料突出该纤维单纤粗、 蓬松、绒毛长等特性。形成立体感很强的斜向纹路，结构松而不烂，轻缩绒，细绒面， 手感柔软、蓬松，颜色柔和、亮丽，兼有粗花呢的粗犷和啥味呢的细腻，是春秋冬三 季的时装面料，适作男女套装和女式裙、裤。 第二类塞迪斯( s a t i s ) 纤维与棉纤维交织产品色织衬衣面料。通过染色加 工，产生明显的色织效果。该类产品透气性好于涤、棉和一般混纺类产品。 第二章智能纤维开发与现状 第三类绿色环保型休闲衬衣面料。该类产品开发的目的是保持塞迪斯( s a t i s ) 纤维原有的自然色泽，用其他纤维的色纱作嵌条开发休闲衬衣面料，主要采用斜纹组 织，强调该纤维丝光毛般的天然色彩的高贵感。该类面料不需染色，仅做后整理加工。 柔软蓬松的手感，无雕饰的自然色彩，无污染的加工，符合消费者崇尚绿色、古朴、 自然的消费理念，顺应当今绿色纺织品发展趋势。 第四牛仔面料、家纺产品。纯棉牛仔、大麻凉席等一直是人们首选的消费品， 但塞迪斯纤维奇特的性能使聚酯纤维的应用领域大大拓宽，它的出现，打破了人们多 年来的常规消费观念。 2 2 7 压电纤维 2 0 世纪9 0 年代初即己开始研究直径小于3 0um 的压电陶瓷纤维制造技术，文献 中至少报道了三种不同的技术，最为成熟的是基于溶液凝胶( s o l - g e l ) 法的工艺 路线， 制成的纤维直径在3 0um 以下