20种新型功能纤维及纺织品的发展

发布时间:2015/2/2

    近年,国外发表了一系列具有神奇功能和突出性能的新纤维、非织造布及纺织品,扩大了化纤的应用领域,以下选取其中20种有发展前景的品种加以简介。

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。通过将该服装浸泡于氟化物溶液中、干燥并在无氟环境中于高温下烘烤和活化,使其纤维表面转化成活性炭,其中少量布样作为电极,而且在活性炭柔性织物的每根纤维上都含磁性氧化物的纳米层,这就可形成稳定的高性能电容器,可为手机或笔记本电脑充电,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Technical Absorbents有限公司展出了一种在各种极热环境下,均可使厚重外套的穿着者保持凉感的纤维,其商品名称为“KoolSAF”,它主要瞄准致冷服装市场,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。目前,该纤维已被制成各种服装,可贴身穿着,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,可以自由控制其导电性范围,可提供从1×10 ~ 1×108Ω的产品。由于其在纤维表面包覆了极薄的导电聚合物膜,因此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。尽管在中国和其他亚洲国家,这种壳聚糖纤维已被用于手术缝合线等领域,但据称都未能达到该产品的水平,因此其可被用于再生医疗领域。利用一种心肌大小的载体间质就可随人体自身母体细胞而发育成长,经过一定周期后织物骨架就会自行溶解,这意味着人类器官可有组织地成长,目前这一设想正接近现实。

5 新一代DNA薄片和测定皮肤与美白用特种芯鞘型纤维

    日本三菱丽阳公司开发和销售了作为新一代DNA薄片的新产品 —— “ジェノパ一ル”的“皮肤薄片”和“美白薄片”,其中皮肤薄片可测定与皮肤的形成和新陈代谢相关的遗传因子,而美白薄片可测定与产生黑色素相关的遗传因子,再通过它们的DNA薄片就可评价在化妆品领域需求较高的保湿和美白产品。 DNA薄片是通过在玻璃等基板上高密度固定被称作“俘获探测器”的合成DNA,由待调查的细胞和组织所抽出样品的DNA进行反应,一次就可大量测定目的物的“遗传因子”。

    “ジェノパ一ル”是融合了三菱丽阳公司的纤维技术、高分子技术和生物技术的一种薄片,将中空纤维内溶有亲水性聚合物的俘获探测器固定在三维空间内,再将原先已置入遗传因子的中空纤维排成束状,用树脂固定后切成薄片。过去的DNA薄片将数万个遗传因子收罗在一起进行解析,而ジェノパ一ル则将所搭载的遗传因子缩至数百个。

    简而言之,皮肤薄片的目的是评价化妆品素材及皮肤所吸收药剂的保湿效果和安全性,搭载了与肌肤形成和新陈代谢相关的遗传因子及与炎症、毒性相关的遗传因子;美白薄片的目的是解析美白物质的过筛和产生黑斑的机理,搭载了与黑斑产生相关的遗传因子和与炎症相关的遗传因子。

6 固沙与绿化用纤维

    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亩的沙地为应用对象,设置该公司的PLA防沙移动材料,目前正选定植物和参与该试验的专家,计划于2015年3月取得成果。PLA纤维是一种可节约石油资源的生物质纤维,在从原材料制造到废弃的整个生命周期内,可削减CO2的排放量,并具有生物降解特性。

7 可消除放射性铯的新纤维

    日本千叶大学与环境净化研究所联合开发了能有效去除放射性物质的除污染技术,所采用的新纤维是一种绿色的尼龙,商品名为“ガガ”,除制成填料外还可制成绳状或扫除用的拖布。由于其可在短时间内回收放射性物质,使用简便,因此有可能使“嫁接”技术以分子水平加以实施,即依靠放射线在尼龙上切断表面分子后,即附着具有吸铯特性的分子,其吸附量可达到沸石的400倍。据介绍,长 1 m的该纤维束可以数百万日元的价格销售给福岛核电站周边的大厂,用于消除核辐射的污染。

8 能简易而有效测定低浓度水污染的滤材

    住友3M提出了采用惰性聚四氟乙烯(PTFE)纤维可有效地测定放射能的滤材制品“3M、エムポア、ラドディスク”系列产品的方案。该方案操作简便,只需把低浓度放射性污染水通过该滤材,就能100%吸附放射性物质,滤材上的放射性可采用轻便的サ一ベ仪器进行测定。ラドディスク在美国开发,已取得了一些实用业绩。它通过将可选择性捕捉放射性物质的吸附剂微粒高密度地填充到PTFE片材上,便可测定铯或锶等,根据被测定物质的种类而形成 4 种方案。

9 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,耐氧化性亦佳,目前正开展以锂离子二次电池隔膜为核心的市场开拓,如图2。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,优势明显。

10 超高模量生物质纤维素纳米纤维增强聚烯烃

    日本新能源与产业技术综合机构(NEDO)声称,现已成功开发了用生物质纤维素纳米纤维增强聚丙烯或聚乙烯(PE)的汽车用新材料,其强度和热尺寸稳定性有所提高,而且纳米纤维与树脂的相容性得到改善,分散均一,以PE为例,只需添加10%的此种纳米纤维,其复合材料的模量便可提高4.5倍。该研究成果是由三菱化学、DIC、王子造纸、星光PMC、京都大学和京都市产业技术研究所共同参与研制的。据报道,该纳米纤维的密度仅为钢丝的1/5,强度却达其 5 倍以上,热膨胀系数是玻纤的1/50,但由于其表面具有亲水性,与树脂的相容性较差,为此开发了表面疏水化技术,使纳米纤维得以均匀分散。

11 导热性比铜高数倍的复合材料

    丰田中央研究所开发了一种不损害树脂原有绝缘性而导热性可大幅度提高的碳纳米管(CNT)增强树脂。其导热性约为铜的10倍,若与以往所用的氮化硼或氧化铝填料相比,其用量可减少,因此可降低成本。实际上,该材料采用 3种树脂基材,其中聚苯硫醚(PPS)作为树脂母体时,将多层CNT分散于与之亲和性较好的PE中,再将它包覆甲基丙烯酸亚乙基缩水甘油酯(EGMA),然后再与PPS混合制得复合材料,其导热性可比PPS单一树脂提高1.8倍。另外, CNT的添加量和填料量可适当降低,同时可通过结构控制而使其导热性提高 4 倍以上。为了使其导电率提高,选用结晶性优的多层CNT是关键,今后将普及应用于环保型汽车部件上。

12 导电氟树脂和放热片材

    日本纯正化学公司可提供质量浓度为0.1%以下的CNT水、乙醇或甲乙酮(MEK)溶液,其中CNT的直径为 5 ~ 20nm,长度50 ~ 150 μ m,取向度高,可保持 2 个月以上的高分散性。在PTFE或四氟乙烯-全氟烷基醚(PFA)等氟树脂粒子中添加0.05%的CNT后,其体积电阻率变为10 4Ω? cm。因此只添加少量CNT就可使原本绝缘的氟树脂显示出导电性,而成本与以往的导电氟树脂相当。若将上述少量高取向CNT混入聚酯(PET)膜中,就可制成透明导电膜,光透过率达85%以上。目前这一材料正进行市场开拓。

    另外,该公司还研制了由镀镍或铜的粉末纤维制成的浸润液,将其涂覆在塑料片材上后制成多层结构的复合材料,具有各向异性的放热特性和电磁屏蔽性等特点,可用于电子设备和部件中。

13 能刺激和加速植物细胞生长的碳纳米管

    通常人们会认为,碳纳米材料对生物体具有潜在的毒性,但某些研究却显示,某些纳米粒子对植物并无危害,相反可刺激和促进其细胞更快生长。其中, Arkansas大学的研究表明:低剂量的多壁碳纳米管(MWCNTS)可渗透到种子壳中,促进其发芽,并激活和促进西红柿的生长。研究人员还首次发现,在很宽的浓度范围内, MWCNTS实际上可增进超过50%的烟叶细胞的栽培。目前,植物细胞栽培已被广泛应用于医药、甜料、染料和香水的商业生产。所谓改进植物细胞的繁殖和生长实际上是指可增产55% ~64%。上述CNTS和其他纳米粒子会影响植物生长过程的事实,在不久的将来定会革新农业的实践,并为植物培育与生长过程中的一系列问题提供解决方案。

14 能治愈褥疮的功能性纤维及非织造布

    日本关东天然瓦斯开发公司等开发了一种含碘的功能性纤维“ヨ一ドアミセル”,目前正推进其应用开发。该产品目前通过动物实验已确认具有治疗褥疮的功效,而且以低药量就可达到与涂有褥疮治疗剂片材同等的效果。其中功能性纤维“アミセル”是以酵素合成的直链状淀粉与木浆粕为原料,与天然纤维素纤维融合而成的粘胶。这种在“アミセル”中均一分散酵素的合成直链淀粉具有包接的功能,可以保存抗菌成分等功能性物质,其中含碘的产品便是“ヨ一ドアミセル”,它可制成具有抗菌功能的布料及非织造布等产品。这种创伤治愈材料很容易贴于褥疮或皮肤溃疡等患部,从而可减轻患者的治疗处置负担。

15 高感度乳腺癌患者专用乳罩

    乳腺癌在西欧是最普遍的女性癌症之一,仅德国每年就有5.8万女性患者,其中60% ~ 70%的患者接受了残留于乳房组织内癌细胞的放射治疗。这是一种软治疗,对患者皮肤会产生一些影响,如发红、表皮浮动、剥落、膨胀而使伤口扩大等,这些副作用往往令患者十分烦恼。此外,放射治疗也会产生一些后遗症,如穿戴普通的胸罩会有不适感。

    德国研究者为此特别开发了适于经过放射治疗的乳腺癌患者穿戴的乳罩。著名的纤维研究所Hohenstein与AmoenaMedizin-OrthopaedieFecknik公司共同开发了高感度乳癌患者用乳罩,它具有缓和患者经放射线治疗后皮肤过敏的症状。通过立体扫描患者得到其身体数据,设计了缝孔等,并通过解析纤维素材的吸汗性和皮肤反应等,完成了可抑制皮肤发炎的皮肤炎症治愈方案。其产品如图5所示。

16 新型生理卫生巾用可自伸长纤维的非织造布

    日本花王公司开发的聚烯烃系自伸长纤维及卫生用非织造布曾获得2011年度纤维学会技术奖,由于实现了柔软性和伸缩性等物性共存,因此引起了世人的注目。目前该产品已受理发明专利 2 件,公开专利 3 件。

    聚烯烃系自伸长纤维是以聚丙烯(PP)为芯材、PE为鞘材的芯鞘型复合纤维,经纺丝、拉伸、卷曲、切断工序并正确控制纤维的高次结构,就可稳定制得在热作用下可自行伸长的纤维。至于非织造布,既要求具有卫生制品所应具备的柔软性和强度,以及快速吸液性和低残液量,还要求纤维的间距尽可能大,因此其在相关非织造布的制造工艺上也进行了大量研究,并实现了突破。

17 可预测人体活动情况的“魔力地毯”

    英国曼城大学的科学家开发了可探测人跌倒和预测人体活动情况的新型“魔力地毯”。他们将塑料光纤置于地毯的底层,当有人踩踏地毯和走出图案时该光纤会发生弯曲,这时其边上的薄型电子仪器就会起到传感器的作用,并将信号传递到计算机中,接着这些信号会被分析并显示出脚印的图像,可用于识别病人行走过程中的渐变或突然跌倒等事故。另外,它们还能显示出逐渐变差的步伐或走路习惯的变化,从而可预测出跌倒等突发事件的发生。通过这种地毯可测出公共居住区的老人每年有30% ~ 40%跌倒过,说明在家中跌倒是老人最易发生的严重事故,而在医院门口则约有50%的65岁以上的老人跌倒过。科学家们相信该技术和产品特别适用于医院和有老年人的家庭,特别是发达国家日益严重的人口老龄化趋势。另外,它还可检测早期的化学品溢漏等。

    曼城大学的跨学科团队采用类似医院扫描的新型层析X-射线摄影技术,通过在时髦地毯的表面采用光扩散可绘制出平面图像。该地毯可采集广泛的个人信息,从生物化学到人体流体的化学信号等,这些整体信号足以检测和应对病人的情况变化。

    此外,该地毯还可进行廉价改型,以适应居住者所需的活动空间,特别是适应老龄化人口和长期不能自理的人群,并可无障碍地整合病人的活动空间或家具,例如安置垫子和墙等。

18 最抗燃的纤维

    两年前在美国的Techtextil North America展会上,PyroTex公司曾展示了一种迄今为止号称最抗燃的纤维——“PyroTex?”。这是一种改性聚丙烯腈纤维,极限氧指数(LOI)达43%,耐碱性、抗紫外光和耐溶剂性好,而最重要的是它不熔融、不熔滴、不产生有害烟雾。

    2012年5月,该公司投入数百万欧元在西班牙建设工厂,潜在产能约50 t/月。纤维纤度主要为2.2和3.1 dtex,短纤维长度为3.8 ~ 8.9 cm,可加工成非织造布、纺织品和复合材料等,主要应用于公共建筑的内饰材料、防护服、公共交通工具的防护材料、滤材及建筑材料等中。经德国Hohenstein研究所检测,该纤维通过了所有直接接触皮肤的Ueke-Tex一级标准。它可与羊毛、棉花或粘胶纤维等混织,混入30%该纤维便可有足够的抗燃性。目前,该产品已试用于冶金工业防电弧和电焊飞溅物的工作服内外层、军队和消防员的头套及内外衣等中。此外还可加工成防火板、隔热板、复合材料和内装饰织物等。这些制品都通过了 M1电气焊试验、 F1烟密度毒性试验、美国辐射板燃烧试验及垂直燃烧试验。

19 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,而流体加热器无柔曲性、价格贵,且能效较低;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,不柔软,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48 V的电压区域加热,也可实现快捷而均匀的效果。该非织造布可通过水刺或针刺法制得,其电阻可通过导电纤维的混合比例加以调节,且可通过直接与电池等连接而作为可移动的加热元件,用于各种户外用途。

    由该非织造布(克重100 g/m2)与聚酯树脂结合形成的发热体,可在短时间内加热至125 ℃,即使形状相对复杂,也可做到均匀的热分布。

20 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,形成质轻而又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。

    早在2009年,该大学的化学与生物分子工程实验室就开始了这一创新研究,即通过被称作原子层沉积的涂覆方法,将不同化学品暴露于纺织品的表面而发生自层压反应,其涂覆厚度相当于人体头发直径的千分之一,这一独特的性能开启了由纺织品直接制成廉价电子产品的新思路。

    这种导电纳米纺织品的潜在商业应用包括:①个人健康与环境监控,即通过将布料传感器嵌入制服中,就可实时监测穿着者的心率、体温和运动轨迹;②可开发一种更快测定纺织品上纳米涂层的导电性;③通过在涂覆纺织品上实现多层一体化,就可制成更小、更轻量的微电子设备。

    从以上20种最新开发的功能性纤维的介绍中可以发现,通过功能化途径可制得多种不同的功能性纺织品,从而开辟崭新而又广泛的应用领域,使人们得以享用这些新产品和新技术带来的巨大收益。同时,这些创新思路也有助于启迪更多跨学科的科研人员创造出更多、更新奇的纺织品。

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