靜電紡高分子纖維及其在服裝面料上的應用

于 洋， 初曉玲， 范作澤

(青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071)

超細纖維是當前紡織品開發的熱點[1]，由于其纖維直徑小[2]、比表面積大[3]、彎曲剛度小，所得織物具有致密、柔軟、防水透氣等優異的服用性能，被廣泛用于功能服裝面料的開發，如清潔材料、保暖材料、抗菌材料[4]等。靜電紡絲是生產超細纖維最直接的手段，目前靜電紡纖維的開發應用主要在環境[5]、能源[6]、生物學[7]和醫學[8]行業，在服用方面的潛力亟待挖掘。由于部分高分子纖維的靜電紡絲纖維具有強度高、柔韌性佳、表面形態特殊等屬性，在功能性服裝面料開發中具有廣闊前景。文中就聚丙烯(PP)、氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、 聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)的靜電紡絲方法及其潛在的服用性能進行綜述。

1 靜電紡絲簡介

1.1 靜電紡絲原理

靜電紡絲設備由高壓電源、注射器、推進裝置、針頭、收集裝置等構成，具體如圖1所示。靜電紡絲是指在靜電場中，高分子流體受到壓力后擠出噴絲頭，隨后液滴在電場力作用下由噴絲口拉伸至接收極，在空氣中冷卻并固化而得到的具有絲狀的纖維[9]。

圖1 靜電紡裝置Fig.1 Electrospinning device

靜電紡絲可按照有無溶劑分為溶液靜電紡和熔體靜電紡。溶液靜電紡通過易揮發性有機溶劑溶解大分子，在高壓靜電場力拉伸下，纖維大分子鏈定向運動，在到達接收極之前將溶劑揮發固化形成纖維，其對紡絲環境要求高，需要在常溫、干燥的環境中紡絲，紡絲對象為PI,SEBS等常溫下能夠溶解于易揮發性有機溶劑的高分子[10]。熔體靜電紡指大分子在高溫下融化，而后在電場力作用下，纖維到達接收極之前由于溫度降低而凝固形成纖維[11]。熔體靜電紡解決了一些大分子無法在常溫下溶解的難題，節省資源，保護環境，適用于PP，PPS等高分子纖維的紡絲[12]。

1.2 靜電紡纖維的優缺點

靜電紡纖維直徑小，能達到目前追求的細旦化纖維尺寸，同時具有細旦化纖維的優點。超細纖維在紡織面料中形成微氣室效應，提高了織物的保暖性與隔音效果；其比表面積大，能提高織物吸濕性。此外，超細纖維織物具有柔軟性與良好的懸垂性。

雖然優點眾多，但是由于纖維在紡絲過程中結晶度低，使得纖維強力不高，纖維的取向度不好，絕大多數的靜電紡材料在紡織上應用較少[13]。

2 靜電紡在紡織行業的優勢

2.1 靜電紡原料來源廣泛

常見的天然纖維(如蠶絲、殼聚糖)可用于紡絲，通過甲酸溶解即可實現靜電紡絲，得到直徑低于200 nm的超細纖維。天然纖維通常表現出比其他聚合物更好的生物相容性和低毒性，如絲素蛋白是生物相容的，其粉末可使表皮細胞生長或被激活。靜電紡絲素蛋白納米纖維墊可使損傷的周期組織有效再生，絲素蛋白/聚己內酯納米纖維支架用于恢復神經損傷[14]。在現有水平上，天然纖維通過靜電紡絲能夠達到納米級，為功能性面料開發提供了技術支持。

為滿足面料日益增長的功能性需求，化纖長絲成為開發的重點對象。同樣，靜電紡不限于天然纖維，高分子聚合物亦可以進行紡絲。聚己內酯(PCL)和聚丙交酯(PLA)憑借其生物醫學特性，首先被應用于靜電紡絲，制成納米纖維作為組織工程中的支架[15]?？扇苡谟袡C溶劑的其他合成聚合物(如聚苯乙烯(PS)[16]、聚丙烯腈(PAN)[17])也已經電紡成納米纖維膜用于海水脫鹽。靜電紡絲在21世紀飛速發展，研究成果多體現在醫療、電子、能源行業，有些成果已經成熟。目前在紡織領域最典型的應用是利用靜電紡絲進行智能可穿戴紡織品的研究，如應用靜電紡PVDF纖維膜制作壓電傳感器，為智能紡織品和可穿戴壓電傳感器設備的開發打下基礎[18]。

2.2 靜電紡具有優良的表面性能

靜電紡纖維直徑小，比表面積大，纖維質地柔軟，所以在吸附性能方面具有很高的應用價值，在紡織行業中具體應用在過濾氈、高效清潔布上[19]。YANG Y J等[20]通過靜電紡絲制備納米纖維聚酰胺-6，制得的纖維氈具有高過濾效率和非常低的氣流阻力。

由于靜電紡纖維具有巨大的比表面積，結合自然界中超疏水現象，在靜電紡中添加納米顆粒(如TiO2,ZnO)模擬荷葉形態，能夠得到超疏水的自清潔無紡布，可用于家用抹布、眼鏡布以及電子精密儀器的除塵防塵罩。

由于靜電紡纖維直徑較小，纖維在織物中可以更加緊密地排列在一起，得到緊密織物。通過改變紡紗工藝以及織物的結構，可使纖維之間具有更大的氣室，以達到保暖、柔軟的性能要求。此外，一些剛性比較大的纖維(如碳纖維)在直徑小的情況下也可紡成布料，用作超級電容器。

2.3 靜電紡能改變纖維特性

通過控制靜電紡溶液的濃度及揮發速率可以生產形態各異的纖維，即差別化纖維，以改善纖維的吸濕性、保暖性、透氣性，從而提高織物的舒適性，并優化織物的光澤、圖案、紋理[21]。例如，氯仿具有高揮發性，在SEBS溶液中通過更改氯仿的質量分數，加速溶劑揮發，以改變纖維的表面形態，制造表面具有多孔洞的纖維；在靜電紡溶液中加入固體納米顆粒也能得到多孔結構。對不同溶解性能的聚合物熔融共混進行紡絲，在成絲后溶解掉一部分，可增加界面的異形程度，異形纖維可以減少纖維之間的空隙，或達到仿天然纖維的目的，如常見的皮芯結構、海島纖維等異形纖維。

多組分紡絲可以創造不同種類的纖維，如雙組分靜電紡絲，即將溶解性不同的纖維溶入不同溶劑中，在針頭處同時進行紡絲，得到并列雙組分纖維，由于兩種纖維各方面性能存在差異，因此可得到卷曲纖維。卷曲纖維在保暖、裝飾方面具有優越性[22]。

根據溶液的屬性進行化學反應，可以改變溶液中分子官能團的種類，實現抗菌、染色、親疏水性、防臭、防腐等屬性的變化[23]。例如，在溶液中加入硝酸銀溶液，得到的纖維通過還原反應制備具有殺菌功能的銀納米纖維[24]，還可以按照不同配比添加其他具有殺菌功能的材料，從而獲得抑菌纖維[25]。

3 靜電紡纖維在服裝產業上的應用前景

3.1 防水面料

粗糙的表面使得SEBS具有超疏水性，能阻止水滴的潤濕，通過控制靜電紡電壓等參數，可以制得不同孔徑密度的纖維膜。內外層膜具有不同的孔徑，外層纖維間孔徑小，內層纖維間孔徑大，可以實現毛細管效應(即單向導濕)。內部水分在內層凝結為水滴，外層表面阻止水進入形成水滴；內部的水滴通過毛細管效應輸送至表層，表層水滴通過重力滑落實現疏水透氣的功效。SEBS纖維是一種熱塑性彈性體，力學性能極為優異。圖2為SEBS靜電紡纖維SEM圖像。

圖2 SEBS靜電紡纖維SEM圖像Fig.2 SEM image of SEBS electrospinning fiber

在電壓為15 kV、接收距離為15 cm、推進速度為2 mL/h的情況下，氯仿/甲苯/SEBS溶液按照4∶16∶3的質量比濃度配置紡絲液進行靜電紡絲，即可得到表面孔徑為2.2～900 nm的多孔纖維。通過控制氯仿的質量分數可以改變表面孔數及孔徑。根據Cassie理論，粗糙的表面會包裹大量的空氣，空氣墊和 SEBS本體纖維的復合作用將使SEBS纖維膜具有更好的疏水性能。表面多孔的SEBS纖維疏水性能更優越[26]。

通過混紡還可以改變SEBS的親疏水性，目前KURUSU R S等[27]已研制出親水性靜電紡SEBS纖維。由于SEBS纖維具有超強彈性，可以用于運動服飾的纖維混紡中，以起到吸濕排汗的效果；亦可以利用其表面孔洞多的特性達到保暖效果，用于服飾里料的填充。

3.2 抗高溫口罩

利用靜電紡的方式同樣可以生產具有高模量的耐高溫納米纖維膜。ZHANG R F等[3]使用PI樹脂溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中，作為電子紡絲前體溶液制備PI膜，所得膜在高溫(低于300 ℃)下對PM 2.5的過濾效率超過99.5%，并進行實驗探究其耐熱性與疏水性能。

聚酰亞胺的前驅體通過靜電紡絲得到聚酰亞胺酸的纖維膜，經高溫酰胺化處理，得到聚酰亞胺的靜電紡膜[28]，將制備的PI材料置于200,250,300 ℃下2 h，其光學照片及其SEM圖像如圖3所示。由圖3可以看出，纖維可以在300 ℃時保持其外觀形狀不變。纖維膜接觸角約為134.7°，表明纖維膜具有疏水性能；加熱前后纖維膜的接觸角與纖維形態均不變化，表明PI膜在高溫下仍能保持優異的性能。

圖3 PI纖維置于不同溫度下2 h的光學照片及其SEM圖像Fig.3 Optical photograph and SEM of PI fibers placed at different temperatures for two hours

聚酰亞胺具有疏水性能，因此其纖維膜易清理，在高溫防護面料中有著極大的應用價值。但由于其剛性模量大，導致纖維膜易損傷，目前通過混紡、添加交聯劑可以提高PI膜的強力[29-30]。

3.3 醫用防護服

熔體靜電紡可以制得傳統熔噴無紡布，如超細聚丙烯(PP)纖維構成的無紡布具有密度小、強力高、耐化學腐蝕、比表面積極大等獨特的優良性能，在建筑、生物醫學、工業過濾、軍事防護、航空工程等領域展現了廣闊的應用前景[31-33]。

在210 ℃下PP呈熔融狀態，此時在接收極加入30 kV電壓，注射器接地，設置接收距離為10 cm，則可以對PP拉伸成絲，得到直徑4 μm以下的纖維，具體如圖4所示?，F階段在靜電紡中通過添加劑的輔助，可得到直徑310 nm的PP纖維[34-35]。

圖4 靜電紡PP纖維SEM圖像Fig.4 SEM picture of electrospinning PP fibers

目前醫用防護服采取SMS紡黏制作，一般手術衣的表層多采用PP熔噴材料，用于對細小顆粒的攔截，如果用靜電紡PP纖維代替傳統的PP熔噴材料，效果必然大幅提升。熔體靜電紡絲尚未得到最大利用，其潛力巨大。鄧榮堅等[36]探究了熔體靜電紡的未來市場，認為未來市場形式樂觀。

3.4 耐高溫防護服

聚苯硫醚(PPS)纖維是中國“十一五”規劃期間產業化重點發展的高性能纖維之一，由于其具有突出的耐熱性(熱變形溫度高達260 ℃，可在190 ℃下長期連續使用)、耐化學腐蝕性、阻燃性、尺寸穩定性，以及優良的力學性能、電性能、成型加工性能和相對低的成本，使之成為特種工程塑料(又稱高性能工程塑料)中的佼佼者。PPS是特種工程塑料中性價比極高的一種，已成為特種工程塑料的最大種類，亦被稱為第6大工程塑料[37]。

在315 ℃下，PPS達到可紡狀態，此時在接收極加入30 kV電壓，注射器接地，設置噴絲口直徑為2 mm，則可在惰性氣體保護下得到PPS纖維，具體如圖5所示。PPS纖維直徑在10 μm以下，纖維直徑隨電壓增大而減小，出絲量隨電壓增大而降低，其斷裂伸長率為原長的4倍，取向度高、結晶度低、纖維柔軟、有暖感，可用作箱包縫紉線、防火服飾等。由于靜電紡纖維為長絲，可進行加捻，做成紗線后制作服裝[38]。

圖5 靜電紡PPS纖維Fig.5 Electrospinning PPS fibers

4 靜電紡產品的應用

靜電紡是生產纖維的手段，靜電紡產品用途廣泛，文中列舉與服裝相關的形式如圖6所示。靜電紡產品可分為纖維、非織造布，高分子通過靜電紡可直接制得纖維；而小分子由于其纖維直徑較小，產品以非織造布的形式出現。此外，伴隨著技術的發展，紡織行業開始將靜電紡用于3D制衣。

圖6 靜電紡產品Fig.6 Electrospinning products

4.1 紗 線

靜電紡生產的纖維雖然直徑小，但也有能夠進行加工的纖維，如熔體靜電紡的PP,PPS,溶液靜電紡的SEBS。以現在市面上PPS為例，圖6(a)[39]中PPS纖維為長絲，其可以通過傳統工藝進行紡紗，加捻后得到筒紗。該紗線具有光澤，呈亮黃色，后續可根據面料風格進行針織，得到柔軟、透氣性好的面料；亦可作為面料中的裝飾性紗線，無需染色；或利用其耐腐蝕、耐高溫的特性制作窗簾布等；還可以根據不同需求將長絲剪成短纖，與其他纖維進行混紡得到不同特性的紗線，然后通過傳統工藝得到復合面料。

4.2 3D打印面料

3D制衣是最新興的服裝制造方式(見圖6(b)[40])。3D制衣的概念來源于3D打印技術與服裝制造的結合，借助3D打印技術的靈活性以及極高的設計自由性，可以獲得具有強烈功能導向特點的衣物和服飾，這不僅極大地豐富了衣物設計的手段和方式，且因其與實際生產的緊密結合而在工業生產中有著極高的應用價值。劉澤琳[41]探討了熔體微分靜電紡在3D打印上的可行性，以TPU為例制作出3D打印面料。GENG P等[42]對PPS的3D打印進行了探索，靜電紡作為3D打印的手段之一，在服裝面料上將會有很大發展。

4.3 無紡布

通過溶液靜電紡可得到PI非織造布(見圖6(c)[43])。PI非織造布制造原理是：由于PI纖維直徑小，隨著纖維的堆積、無序排列，會形成纖維間的作用力，無需紡紗等工藝流程即可直接得到面料。目前由于技術原因，靜電紡生產效率低，因此適用于高端服飾面料中，如圖6(c)中的PI布具有過濾PM 2.5的優異性能，可用來制作防塵口罩、防毒面具等耗材需求量較小的產品。

5 結 語

靜電紡絲工藝的出現豐富了材料的種類，為紡織提供了更多的選擇。利用靜電紡絲得到的PI纖維，可用于高溫過濾等功能產品開發；靜電紡PPS纖維性能優異，可用于紡紗、制備耐高溫服飾；靜電紡多孔SEBS纖維具有高彈性，可以在其混紡中進行應用。

新興工藝的崛起與高性能材料的研發將推動紡織品的發展，然而由于學科間關注點的不同，新型纖維的開發大都停留在特性功能研究以及學科熱點方向(如電子產品、醫療衛生、新能源等領域)。傳統紡織行業應探索新產品與服裝需求的結合，以推動服裝面料的更新換代。靜電紡絲作為目前熱門的納米生產技術發展勢頭迅猛，應當關注其在紡織行業的應用，從而促進行業的更新換代，做到與時俱進。