負離子功能紡織品的研究進展

李晨霞,張技術

(常熟理工學院 紡織服裝與設計學院,江蘇 常熟215500)

負離子對人體有著特殊的保健功效,被譽為“空氣維生素”[1]。自1931年,德國醫生首次發現空氣中正負離子對人體的影響后,80多年來,其一直是國際社會關注的重要課題。目前,在環境評價中,空氣負離子濃度已經被列為衡量空氣質量好壞的一個重要參數。根據世界衛生組織的規定,當空氣中負離子含量達到每立方厘米1 000～1 500個時,就是潔凈空氣。然而,隨著人類社會的發展,空氣中負離子的濃度逐漸降低。相關研究資料顯示,20世紀初空氣中正、負離子的比例為1∶1.2,而現在空氣中正、負離子的比例為1.2∶1[2],這不利于人類的健康。因此,負離子及其功能產品的相關研究已經得到了社會各界的廣泛關注,本文以負離子功能紡織品為例,闡述負離子功能產品的研發現狀和發展趨勢。

1 負離子功能紡織品及其保健功效

負離子功能紡織品是由日本最先研發成功的,它是集釋放負離子、遠紅外輻射、抗菌抑菌、除臭去異味、抗電磁波輻射等多種功能的負離子紡織品。經過80多年的研究,人們發現了負離子對人體健康的諸多功效,主要表現在以下幾個方面:

(1)負離子能夠凈化空氣,提高人們賴以生存的空氣的質量。負離子通過與未帶電荷的大氣污染物相互作用來吸附、聚集并沉降大氣中的懸浮顆粒物,尤其對于直徑小于0.01μm的微粒以及工業上難以除去的飄塵具有明顯的沉降作用[3]。

(2)負離子能夠有效緩解機體疲勞[4]。肌肉疲勞的根源在于“疲勞元素”(乳酸和焦性葡萄糖)在體內的積聚所致。一方面由于負離子帶負電荷,能夠與氫正離子結合生成氫原子,使得人體體液呈弱堿性,另一方面負離子能夠抑制體內活性氧的氧化,從而減少體液中氫正離子的產生。因此,負離子能夠調節人體體液的p H值,維持在7.4左右的弱堿性,這正好與人體血液的p H值相一致,從而活躍機體的新陳代謝,使得體內積聚的乳酸和焦性葡萄糖充分燃燒,體力得以迅速恢復。

(3)負離子能夠活化細胞。負離子通過與作用于細胞膜內外的鈉離子和鉀離子交換,將氧氣、營養等物質輸送到細胞內并且將二氧化碳、廢物等排出細胞外,從而使細胞活化。

(4)負離子能夠降低癌癥的發生率[5]。通常情況下,人體的氣管、支氣管內的纖毛每分鐘拍打約900次,纖毛和黏液可以阻止空氣中的有毒有害物質進入人體,并且纖毛運動的速度越快,它的作用效果就越明顯。試驗證明,在香煙的煙霧中,不僅纖毛的拍打速度明顯降低,黏液的流動性也大大降低,提高了病毒、粉塵、致癌物等進入人體肺臟、危害人體健康的幾率,而當空氣中負離子的含量提高時,纖毛的拍打速度又重新恢復正常甚至能夠達到每分鐘拍打1 200次。

2 負離子功能紡織品負離子的發生原理

2.1 自然環境中負離子的產生原理

在正常情況下,大氣中的氣體分子呈電中性,即含有等量的正、負電荷,當這些氣體分子受到自然環境因素的影響,就會發生電離,一些外層的電子便會脫離原子核的控制變成自由電子,自由電子很快就會附著在附近的中性分子上,尤其特別容易附著在氧分子和水分子上,成為空氣負離子[6-7]。這里的自然環境因素主要包括自然界中的放射線、光電效應、雷電現象及紫外線等。

2.2 人工條件下負離子的產生原理

人工條件下產生負離子的方法主要有2種,一種是通過負離子發生器來產生負離子,另一種是通過負離子功能紡織品來產生負離子。負離子發生器產生負離子的原理主要有電暈放電原理、射線放射原理和水發生原理;負離子功能紡織品產生負離子的途徑主要是通過負離子添加劑。

2.2.1 負離子發生器產生負離子

(1)電暈放電原理

早在20世紀80年代,就發明了利用電暈放電來產生負離子的負離子發生器。電暈放電是一種常見的氣體放電形式,在曲率半徑很小的尖端電極附近,由于局部電場強度超過氣體的電離場強,使得氣體發生電離,在電極附近的電暈區內會產生大量的自由電子和陽離子,陽離子會被吸引到陰極,釋放出電荷,在電極附近的電暈區外則會產生大量的負離子[8]。

(2)射線放射原理

該原理是通過放射性物質電離空氣產生負離子,其產生的負離子濃度一般較高,而且利用該原理制成的負離子發生器設備簡單,但是要做好特殊的防輻射措施,使用不當則會對人體造成很大的傷害。

(3)水發生原理

水發生原理是指利用動力設備和高壓噴頭將靜止水從容器中霧化噴出,由于霧化后的水滴以氣溶膠形式帶負電因而成為負離子。利用該原理制成的負離子發生器設備復雜,成本較高,但是不會產生對人體有害的氣體。

2.2.2 負離子功能紡織品產生負離子

負離子功能紡織品主要是通過負離子添加劑來產生負離子,目前最常用的負離子添加劑是電氣石。特殊的晶體結構使得電氣石具有獨特的熱電性和壓電性,當溫度和壓力發生微妙的變化(即使是很微小的變化)就會引起強大的電勢差,這種電勢差高達1 000 000 e V,從而形成強大的電場,處在電場中的空氣便會受到電場的電離作用變成負離子[9]。目前,已經被人們發現的用作負離子添加劑的天然原料還有蛋白石、奇才石、光觸媒材料及古代海底礦物層等[10]。除此之外,還有人工合成的具有光電效應的納米材料,如納米二氧化鈦,借助其特有的晶面效應,在光電作用下會產生羥基自由基,從而通過氧化作用產生負離子。

3 負離子功能紡織品的制備方法

負離子功能紡織品的制備方法主要分為2種:一種是利用具有釋放負離子功能的負離子纖維,另一種是對已有的織物進行后整理,使負離子材料粘附在織物上。制備負離子功能纖維主要有3種方法:表面涂覆改性法、共聚合法和共混紡絲法[11]。對已有的織物進行后整理主要有4種方法,分別為浸漬法、涂覆固化法、后整理技術和浸軋烘燥法[12]。

3.1 負離子功能纖維的制備方法

3.1.1 表面涂覆改性法

表面涂覆改性法是在纖維的后加工過程中,通過表面處理技術、樹脂整理技術將含有電氣石等負離子發生體的處理液涂覆在纖維的表面,由于該礦物原液中含有樹脂黏合劑的成分,因此能夠得到耐久性良好的負離子纖維。

3.1.2 共聚合法

共聚合法是利用高分子化學反應,在聚合過程中加入負離子添加劑,制成負離子切片或濃溶液后紡絲。通常情況下,利用共聚合法制得的負離子功能纖維成形性好。

3.1.3 共混紡絲法

共混紡絲法是一種最常見的負離子功能纖維制備方法,它是在聚合或紡絲前,將負離子發生體如電氣石等礦物質制成負離子母粒加入到紡絲液或聚合物熔體中制得負離子纖維。與表面涂覆改性法相比,該方法產生的負離子耐久性更好。

3.2 負離子功能紡織品的整理技術

3.2.1 浸漬法

將紡織品面料浸漬在含有黏合劑樹脂和礦物質微粒的溶液中,采用擠壓的方式使得紡織品面料中的礦物質微粒達到規定的附著量,制得具有負離子發生能力的織物。

3.2.2 涂覆固化法

將液狀有機硅涂覆在織物的表面,使其發生負離子。

3.2.3 后整理技術

該方法通過浸軋—烘燥將含有礦物質微粒的負離子發生體處理液固著在織物的表面,從而使該織物具有釋放負離子的功能。后整理技術工序簡單,可以應用于各種不同的紡織面料。

3.2.4 浸軋烘燥法

浸軋烘燥法主要是針對羊毛纖維紡織品。通過浸軋烘燥焙固法、循環澆淋法、噴霧法、上膠涂布法等將含有礦物質微粒和有機載體的水溶液作用到羊毛纖維紡織品上,由于該水溶液中含有羊毛溶解物質,因此易于被羊毛纖維紡織品吸收且不破壞手感。

4 負離子功能紡織品負離子發生量的測試方法

4.1 儀器法

測試織物負離子濃度的儀器主要有DR407M織物負離子發生量測試儀,測試原理是:在一定體積的測試倉中,將試樣安排在上、下2個摩擦盤上,用空氣離子測量儀測定試樣與試樣本身在規定條件下相互摩擦時,單位體積空間內激發出空氣負離子的個數,并記錄試樣負離子發生量隨時間變化的曲線。測試方法是:從樣品上裁取至少3組試樣,每組各2塊試樣,一塊安裝在上摩擦盤上,另一塊安裝在下摩擦盤上,其尺寸要分別與上、下2摩擦盤的尺寸相適應,以保證2塊試樣能分別用夾持裝置固定于上摩擦盤和下摩擦盤,且能完全覆蓋在2摩擦盤表面。根據記錄的負離子發生量—時間關系曲線圖,計算3組試樣的負離子發生量的平均值,并根據樣品的負離子發生量對試樣的負離子濃度進行評價,如表1所示。

表1 試樣負離子發生量評價標準

4.2 開放式測量方法(手搓法)

手搓法是一種開放式測量方法。它的優點是操作簡單,缺點是誤差比較大。由于手搓法的測試環境是開放性的,因此織物產生的負離子會被空氣稀釋,同時空氣中的灰塵等中性粒子及正電荷也會中和一些負離子,所以測試的結果會存在一定的誤差[13]。

4.3 封閉式測量方法(FCL織物負離子濃度測試法)

FCL織物負離子測試法是一種封閉式測量方法。該方法的原理與手搓法沒有根本的區別,但在一定程度上減少了每次測量的誤差,使得測量結果的準確性更高且重現性好。

5 負離子功能紡織品的研究進程

5.1 國外研究進程

日本是國際上最早系統研究負離子功能紡織品的國家,因此日本市場上的負離子功能紡織品種類比較繁多。日本鐘紡公司成功研制出一種負離子腈綸纖維,將該纖維和棉纖維進行混紡生產出混紡紗,可以廣泛地運用于春夏服裝設計中,設計出的服裝不僅具有優良的負離子保健功能同時還有較好的耐水洗性[14]。日本大和紡織公司制備出一種具有負離子發射功能和遠紅外功能的負離子整理液,該整理液是將具有負離子發射功能的陶瓷粉體和樹脂混合,然后利用該整理液對織物進行后整理制備出具有特殊保健功效的負離子紡織品。日本Forest公司成功研制出一種具有負離子發射功能的海藻碳纖維,利用該纖維制成的床上用品、睡衣、內衣、窗簾等日常生活用品已經投放到日本市場。

5.2 國內研究進程

相比于日本,我國對負離子功能紡織品的研究仍處于開始階段,但是我國幅員遼闊、礦產資源豐富,新疆、云南和廣西等地蘊藏著豐富的電氣石礦資源,我們可以充分利用這一優勢,深入研究負離子紡織品在社會各個領域的應用,開發出更多對人體有著保健功效的負離子紡織品。

國家知識產權局審查員秦文在《負離子針織物的開發》一文中,通過檢索負離子紡織品的專利申請文件,總結出了目前負離子針織物的獲得方法,即采用E28-KS3特里科三梳經編機,織造出具有負離子功能的針織物,其組織如下:GB1:1-2/1-0//;GB2:1-0/3-4//;GB3:1-0/1-2//,最后通過在后整理中添加柔軟助劑和抗紫外助劑來改善負離子針織物的柔軟性和抗紫外性[15]。經過上述工藝制得的負離子針織物具有良好的吸濕、排汗和保健功能。

蘇州大學的李云在《負離子型滌綸織物的設計與開發》一文中,提出采用2種方法來制備負離子滌綸織物:一種是利用負離子滌綸纖維來制備負離子滌綸織物,另一種是利用負離子涂層法來制備負離子滌綸織物[16]。制備負離子滌綸纖維主要是利用熔融紡絲法:第一步,將納米鈦金負離子粉體與聚酯切片均勻混合,通過造粒機雙螺桿擠出造粒,制作成負離子功能母粒。第二步,將聚酯切片與負離子功能母粒按照一定的比例混合,利用熔融紡絲設備來紡制負離子滌綸纖維。

燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室的吳舒、李青山及任宇紅等研究出一種名為PVC/Anion的復合材料,該復合材料是將PVC即聚氯乙烯和Anion負離子添加劑混合制備而成的,采用滴塑成型技術將該復合材料印制在紡織品的表面,從而制得具有負離子釋放功能的滴塑負離子紡織品[17]。

6 負離子功能紡織品在生活中的應用

隨著負離子發生材料的不斷開發、后整理技術的逐步成熟與廣泛運用,負離子紡織品在生活中的應用領域也被逐步拓展。目前開發的負離子功能面料具有耐水洗性較好、負離子發生效果明顯、接觸肌膚比較柔軟的特點,可以廣泛運用于服裝、家居、醫療等生活領域。

6.1 負離子功能紡織品用于服裝

服裝是日常生活中人們不可或缺的必需品,與人體息息相關。將負離子廣泛運用于各式各樣的服裝中,可以讓人們隨時隨地感受負離子帶來的益處。負離子功能紡織品用在運動服上,可以幫助消除肌肉疲勞、舒筋活血;負離子功能紡織品用在內衣內褲上,可以有效緩解經期疼痛、促進血液循環;負離子功能紡織品用在秋衣秋褲上,可以蓄熱保暖、提高表皮溫度。

6.2 負離子功能紡織品用于家居

由于負離子具有優良的遠紅外發射功能,因此用負離子功能纖維制成的床上用品、睡衣、室內裝飾物等,能夠有效地幫助睡眠、促進人體的血液循環、凈化室內的空氣[18]。研究表明,在夜晚穿著由負離子功能纖維制成的負離子睡衣在一定程度上能夠降低人體的直腸溫度,提高夜晚的睡眠質量。

6.3 負離子功能紡織品用于醫療

負離子發生體具有熱電性和壓電性,當溫度和壓力發生極微小的變化時,負離子發生體就會產生強大的電場,處在電場中的細菌如大腸桿菌、霉菌等就會受到電場的作用以及電場所形成的微電流的作用而被殺死或抑制其分裂。試驗表明,負離子的抗菌殺菌率高達97%,將負離子紡織品制成手術用的手術服、病人的護理服可以有效地防止醫源性感染及細菌感染等[19]。

7 結語

負離子功能紡織品對機體有著特殊的保健功效,對人體起到抗菌抑菌、活化細胞、緩解機體疲勞,促進血液循環的作用。目前負離子功能紡織品已經逐步應用于家居用品、功能服裝及醫療保健等方面,在未來,負離子功能紡織品將廣泛拓展人們的生活領域,除了應用于家居、服裝、醫療等領域外,還會廣泛地應用于工業、環保等領域,使得負離子功能紡織品成為人們日常生活中不可或缺的一部分。