負離子功能紡織品的研究及應用

楊述斌,劉 敏,曹 學,劉健飛,周元友,左祿川,梁倩倩,*

(1.國家絕緣材料工程技術研究中心,四川 綿陽621024;2.四川東材科技集團股份有限公司,四川 綿陽621024)

隨著城市化建設的加快以及全球環境質量的改變,許多國家都針對“環境效益第一”提出了一系列的指導政策,中國在“大健康”政策的引導下,具有保健殺菌功能的負離子紡織品成為了紡織產業新的發展熱點[1-2]。紡織品中的負離子能夠直接作用于人體的中樞神經與血液循環,具有增強機體免疫力、舒緩身心疲勞、調節空氣、抑菌殺菌等功效。近年來有關空氣中負離子的產生與作用機理、負離子的功效、負離子紡織品的制備等相關內容已有大量研究,應用前景廣闊。氧離子主要對人體呼吸保健、血液循環以及機體免疫力有重大影響。負離子被人體吸收后,能夠提高肺活量,促進新陳代謝,同時能夠增加血液中氧含量,促進血液循環。當負離子與人體內的陽離子中和后,還具有活化細胞,增強機體免疫力的功效[5-6],其含量與健康的關系見表1。(3)殺菌。負離子能夠與細菌結合,破壞細菌細胞機能,擾亂細胞生長,導致菌體死亡,達到殺菌和抑菌的功效[7]。

1 負離子的產生與功效

表1 負離子含量與健康的關系

1.1 負離子的產生

自然界中,負離子的產生主要有三大機制[3]:(1)大氣電離。在宇宙射線、雷電、風暴、植物光合作用形成的光電效應等作用下,大氣發生電離產生負離子;(2)水分子裂解。水在高速流動過程中發生強烈碰撞,水分子裂解產生負離子;(3)天然礦物材料。具有熱電性或壓電性的天然礦物材料或具有永久自發電極的無機多孔材料在環境改變時能夠產生電極能,電離空氣產生負離子。

1.2 負離子的功效

負離子的功效主要包括三個方面。(1)環保。負離子帶負電,具有非凡的結合能力,環境中諸如粉塵、尾氣等多種有害物質帶有正電荷,空氣中的負氧離子能夠與這些有害物質聚合沉積,達到凈化空氣的目的[4]。(2)保健。國內外大量研究與臨床實踐驗證,負

2 負離子釋放材料

負離子有諸多功效,根據負離子的產生機制,提高空氣中負離子含量主要有兩種方法:一方面人們可對在自然條件下形成的空氣負離子加以應用;另一方面可對自然界中釋放負離子的天然物質進行利用,以功能粒子形式應用于紡織品、建筑材料、家居材料中,為都市住宅區內居民提供一個健康養生的生活環境。目前所發現的負離子釋放材料主要包括具有壓電性和熱電性屬性的天然礦石,例如電氣石、蛋白石、奇才石、奇冰石等,材料的組分各不相同,詳見表2。作為一種天然負離子釋放材料,當環境中溫度與壓力發生微小變化時,這類物質會產生熱電效應和壓電效應,即晶體兩端表面出現電熱差和電壓差,這種靜電電壓差可以高達1.0×106 e V,空氣發生電離,使鄰近的空氣分子電離轉化為空氣負離子[8-9]。同樣具有永久自發電極的無機多孔材料,例如海底沉積物、海藻炭、珊瑚化石以及硅藻泥等,當受到外界溫度和壓力細微變化時,這類物質也可以電離空氣產生空氣負離子,主要應用于裝修涂料、乳膠漆等。負離子釋放材料還包括某些光觸媒材料,當大氣中紫外線照射后,光觸媒材料電子發生躍遷到導帶,留下帶正電的空穴,電子和氧結合產生負氧離子,帶正電的空穴和水結合產生具有極強氧化活性的OH-,負氧離子與OH-能夠分解微生物中各種成分,從而達到抑菌殺菌的目的[10]。

表2 釋放負離子的功能材料及其組分

3 負離子紡織品的制備方法

目前,負離子紡織品的制備方法主要有2種,一種為用具有負離子釋放功能的纖維經紡織工藝制備;另一種是對紡織品進行后整理獲取釋放負離子能力。實際生產中可根據原料與生產工藝、生產設備的適用性,選擇合適的制備方法。

3.1 負離子纖維的制造方法

負離子纖維的制造方法主要包括共聚法、共混紡絲以及纖維表面涂層改性。

共聚法是指在聚酯切片聚合過程中,將負離子功能粒子和原料一同加入,制備得到負離子切片,再進行紡絲,得到負離子纖維。共聚法的優勢在于負離子添加劑在切片中分散均勻,切片可紡性良好,負離子釋放能力穩定,但工藝復雜、生產成本高,目前鮮有利用共聚法制備負離子纖維相關報道。張凱軍等[11]利用共聚法將負離子添加劑直接添加到對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)聚合過程中,制備得到負離子功能聚酯切片,再對切片進行熔融紡絲制備負離子纖維。結果表明,負離子添加劑在切片中均勻分散,切片可紡性能良好,纖維力學性能優異,靜態負離子釋放量為23個/c m3。

共混紡絲法是指在紡絲前,將負離子功能性母粒與聚酯切片共混均勻,再進行熔融紡絲制得負離子纖維。與共聚法相比,共混紡絲法添加更加靈活,但負離子添加劑分散性較差,導致纖維吸濕性較差。國內研發的負離子纖維基本采用這種方法,首先利用一定方法制備納米級無機負離子添加劑,再與樹脂材料共混擠出制備負離子母粒,最后與聚酯切片混合紡絲制備負離子纖維。日本已做到對棉、麻、動物毛等天然纖維進行負離子改性。孫超[6]采用電氣石作為負離子釋放材料,利用化學和物理方法對其進行表面處理后,與聚酯載體按一定比例混合,熔融擠出制得負離子母體,將其進行干燥,按一定的配比與聚酯切片混合,進行紡絲制備負離子纖維,再與棉纖維、黏纖進行共織造,制備成負離子紡織品。結果表明,產品負離子釋放能力保持在2 000個/c m3以上,經40次水洗后,其負離子釋放能力在500個/c m3以上。

表面涂層改性法指在基礎纖維的后加工過程中,利用表面接枝或吸附改性技術將負離子處理液固化在纖維表面,制備得到負離子纖維制品。與共聚法和共混紡絲法相比,表面涂層改性法可以對包括天然纖維在內的多種類型纖維進行改性,但纖維產生負離子的耐久性較差。羅金瓊等[10]對比分析了多種表面活性劑改性負離子添加劑處理的聚酯纖維的性能差異。結果表明,當采用單組分表面活性劑時,乙烯-醋酸乙烯乳液、硅烷偶聯劑的最佳改性濃度分別為3 wt%與1 wt%,纖維負離子釋放量分別達到了582個/c m3與6 260個/c m3;當采用復合表面活性劑時,2種改性劑濃度均為1 wt%時,纖維最大動態負離子釋放量可以達到33 437個/c m3。

3.2 織物后整理法

后處理改性是指在織物漂染過程中,利用含有負離子釋放材料的處理液對織物進行浸漬、浸軋或涂覆處理,使負離子釋放材料通過物理吸附、熱固化或化學反應固著于織物表面,從而賦予紡織品負離子釋放功能。相對于共聚法、共混紡絲法或表面涂層改性法制備負離子纖維進而進行織造制備紡織品,織物后整理法制備負離子紡織品具有操作技術簡單,服務對象種類多,可將負離子釋放材料處理液直接應用于各種材料的織物、成衣或其他紡織制品上,是目前國內外制備負離子紡織品的常用方法。程浩南[12]采用電氣石粉體作為負離子釋放材料,利用聚乙二醇與水性聚氨酯按照一定配比對電氣石粉體進行改性制備超細負離子整理劑,浸漬處理聚酯織物0.5 h,再進行烘焙處理,負離子功能紡織品的負離子釋放量可到2 000個/c m3以上,達到增強人體免疫力和抗菌力的濃度。楊宏林[13]以純棉織物作為研究對象,采用負離子整理劑進行后處理,結果表明,當整理劑中負離子質量濃度80 g/L、p H值為3～5,處理工藝中烘焙溫度130℃、烘焙時間為2 min時,處理的純棉織物的負離子釋放量最高,可達2 050個/c m3。

4 負離子紡織品應用

隨著負離子釋放材料的不斷開發,負離子紡織品制備工藝不斷完善,產品的種類和應用領域不斷增多,廣泛用于服裝、家居面料、汽車內飾以及醫療紡織品等[14-16]。

4.1 以凈化空氣為目的的紡織品

凈化空氣的負離子紡織品主要應用于辦公室、電影院、交通工具內等人多密閉空間,主要包括室內紡織裝飾面料、窗簾、地毯、沙發以及座椅面料等,人們需要利用這類負離子紡織品來凈化密閉空間內的空氣,尤其在家庭房屋裝修之后,更需要使用負離子紡織品釋放出來的負離子去吸附裝修材料留下來的甲醛與揮發性有機物質,達到凈化空氣,保障人體健康的目的。

4.2 以凈化水質為目的的負離子紡織品

負離子紡織品釋放出的負離子一方面能夠殺死水中細菌,另一方面能夠與水中的重金屬離子結合沉淀,達到凈化水質的目的。利用這個原理,人們可以利用負離子紡織品作為水體過濾材料,最典型的代表作品就是用負離子滌綸紡織品做飲水機的過濾芯。同時,負離子紡織品能夠增加水中的含氧量,用作植物用水過濾材料時,可以提高植物的成活率,縮短植物的成熟期。

4.3 以人體保健為目標的負離子紡織品

以人體保健為目標的負離子紡織品面對的是一個最為廣泛的消費人群。這類產品可以是家庭或醫院床上系列用品,例如床單、被套、床墊、蚊帳、睡衣等,也可以是針對運動員制作的運動套裝,還可以是為某些特殊人群制作的各種護具、眼罩以及口罩等。

5 結語

負離子被稱為“空氣中的維生素”,具有優良的人體保健、環境保護與殺菌抗菌功能。目前中國市場已陸續推出多種商業化的負離子紡織品,如床單、被套、窗簾、服裝、地毯、毛巾等,努力為消費者營造一個健康、環保、衛生的生活環境。但無論是消費者的健康環保意識,還是負離子紡織品的制備研究,或是應用推廣研究方面,中國和國外發達國家相比,都還有一定的差距。但是中國電氣石礦產資源豐富,如果能利用好這一巨大優勢,將其運用于負離子紡織品的研究中,開發出更多具有多功能性、性價比更高的負離子紡織品,其市場前景與經濟價值都是極大的。