吸濕排汗纖維研究

蔣葉群，孫振波，王建偉，曾 登

（連云港杜鐘新奧神氨綸有限公司，江蘇 連云港 222047）

隨著科學和經濟的發展，人們對生活品質的要求逐漸提升，尤其在服裝方面。人們的要求已經從耐穿、實用，逐漸轉變為舒適、健康、安全環保。吸濕排汗纖維可以調節貼身衣物與皮膚水分、濕度的關系，使面料既具有棉制品的觸感，又具有清爽感，因此，被廣泛應用于高檔服飾、裝飾甚至土木等領域[1]。一般來說，天然纖維吸濕性較好，穿著較舒適。大多數合成纖維親水基團較少，吸濕性較差，人們在使用過程中容易產生悶熱感，所以如何提高合成纖維的吸濕排汗性能已成為國內外差別化纖維的研究熱點。

1 吸濕排汗機制

吸濕排汗過程包括吸濕過程和放濕過程。吸濕過程是纖維吸收人體皮膚蒸發的氣態水的過程，放濕過程是纖維內部的毛細管、微孔、溝槽以及纖維之間的空隙所產生的毛細效應使水分在纖維材料內部及表面吸附、擴散和蒸發的過程[2]。

1.1 吸濕性能

纖維的吸濕能力與纖維微觀結構有關，包括纖維大分子的組成和聚集狀態。一般來說，纖維中親水基團（羥基、氨基、羧基等）越多，基團極性越強，纖維的吸濕能力越強。大多數合成纖維的組成分子中親水基團較少，吸濕能力較差。在天然纖維中，無論植物纖維還是動物纖維都含有較多的親水基團，故吸濕率較高。

纖維大分子聚集狀態對纖維吸濕性能也有影響。在纖維的組成結構中，結晶區分子排列較緊密，水分子不容易滲透進去，而非結晶區大分子排列松散，分子間存在縫隙和微孔，水分子容易滲透進去。一定范圍內，纖維結晶度越低，吸濕能力越強[3]。

1.2 排汗性能

纖維的導濕過程主要包括浸潤和芯吸。浸潤是液態水沿單纖維或是纖維集合體表面利用浸潤的形式進行傳導，芯吸主要是毛細效應（毛細效應指液體在細管狀物體內側，由于液體自身內聚力與液體和管壁間附著力的差異，克服地心引力而上升的現象）。這主要是纖維集合體間形成縫隙、溝槽或是單纖維表面的凹槽、孔洞等對汗液的吸收。故纖維的導濕性能主要與纖維的表面形態及截面形態結構有關，一般可以通過降低纖維的纖度、增加纖維表面溝槽和孔洞以及使纖維表面異形化等方法來增加纖維的毛細效應，提高纖維的導濕能力[4]。

2 吸濕排汗纖維的研究進展

在吸濕排汗纖維研究方面，日本、美國和韓國起步較早，研發水平處于領先地位。例如日本帝人公司開發的WELLKEY纖維是聚酯中空纖維，纖維表面有許多貫通到中空部分的細孔，液態水可以從纖維表面滲透到中空部分，該纖維具有吸汗快和干爽的獨特性能[5]。美國杜邦研發的CoolmaxR聚酯纖維截面呈“十”字管狀，具有多孔結構且表面有4條排汗溝槽，可形成許多毛細效應強烈的細小芯吸管，迅速將皮膚上的濕汗抽離，使皮膚保持舒適干爽[6]。韓國曉星集團推出的Aerocool聚酯纖維模仿“苜蓿草”，其截面為四葉子形狀，纖維表面具有微細溝槽和孔洞，具有優異的吸濕排汗性能[7]。

國內關于吸濕排汗纖維的研發起步相對較晚，但仍取得了較大的進展[8]。臺灣中興紡織研制開發的Coolplus纖維截面呈“十”字形，縱向分布著細微溝槽和孔洞，可將肌膚表層排出的濕氣與汗水瞬間排出體外，使肌膚保持干爽與清涼[9]。中石化儀征化纖有限公司研發的COOLBST纖維填補了國內吸濕排汗短纖維的空白，采用全新的異型截面設計，利用毛細管原理，使紡織品能夠快速吸水、輸水、蒸發水分，從而保持人體皮膚的干爽和舒適[7]。濟南正昊研發的SATIS纖維，在纖維大分子中引入親水基團，且纖維具有三葉（角）截面、五葉截面、中空截面等結構，使得纖維具有優異的吸濕排汗性能[9]。經過幾十年的發展，隨著紡織技術、工藝的不斷精進，吸濕排汗纖維產品的研發也越來越細化，包括紡絲效率的提高、纖維可加工性和強力的增強、纖維復合性能的改善、擴展吸濕排汗纖維應用領域等方面。

3 吸濕排汗纖維生產方法

目前，吸濕排汗纖維的生產方法包括物理改性和化學改性，且大部分吸濕排汗纖維是通過物理改性方法制得的。物理改性方法包括改變纖維橫截面形狀、降低纖維纖度、增加纖維的比表面積等，也可利用親水劑對纖維進行表面涂層。化學改性方法主要是在化學纖維大分子中引入或在纖維表面接枝共聚親水基團。

3.1 物理改性

3.1.1 纖維截面異形化、多孔化

普通化纖的截面為圓形，纖維表面完整且光滑，不具備吸收和導出水分的能力。對于異形截面、多孔中空纖維來說，纖維表面因為溝槽、微孔的存在而變得粗糙、不完整，使得纖維可以利用毛細現象將皮膚表面的水分快速地吸走并排出，從而達到吸濕排汗的效果。一般來說，異形截面、多孔纖維可以通過改變噴絲板的形狀將溶液與特殊的微孔助劑共混并將其溶出形成微孔紡制。

江蘇恒力化纖股份有限公司選用同時設有十字形噴絲孔和王字形噴絲孔的復合噴絲板紡制吸濕排汗纖維[10]，經同一噴絲板擠出的一束吸濕排汗纖維中同時含有十字形單絲和王字形單絲，吸濕排汗纖維的材質為聚酯。結果顯示，該纖維的毛細參數≥0.16，常規產品的毛細參數為0.08～0.12，表明該纖維吸濕效果得到改善。為了研究異形截面纖維的導濕性能，李翠芳等[11]選取三葉形滌綸織物和普通滌綸織物測定其吸濕特性和芯吸效應，結果表明，三葉形滌綸織物的液態水傳遞性能優于普通滌綸織物，且芯吸速率比普通滌綸織物高。王朝生等[12]測試了U形截面滌綸長絲制成的各項多功能產品，并檢驗其吸濕導濕性能，結果表明，U形纖維比表面積比普通圓形截面纖維大20%左右，纖維表面含有溝槽，可形成芯吸效應，使得纖維具有較好的吸濕、導濕、散濕性能，可加快汗液的遷移和提高織物的干爽舒適性。

3.1.2 纖維細旦化

當纖維趨于細旦化時，纖維的表面積也隨之增大，和人體皮膚接觸面也增大了，細旦化纖維制成織物時，纖維間可以形成無數個微小孔隙，相當于無數個毛細管，使織物可以快速地將水分運走。Wang等[13]將一種金屬有機骨架ZIF-8摻入聚丙烯腈（PAN）中以制備具有高表面粗糙度的超細纖維，并通過電紡將粗糙的超細纖維層與PAN納米纖維層交替堆疊，形成多層結構化膜，隨后用酸和堿對其進行處理，調整纖維表面的親水性，引起多尺度的表面粗糙度，最終使纖維具有優異的吸濕排汗性能和顆粒物（PM）吸附性能。NING等[14]以棉紗為內層，通過靜電紡絲技術在其外層紡制一層PAN納米纖維膜，由棉紗和納米纖維構成的毛細血管間存在尺寸差異，可將水分快速地運輸，單向運輸指數可達846%，賦予了纖維優良的吸濕排汗性能。

3.1.3 雙組分復合紡絲

將聚酯和其他材料復合紡絲，制成具有皮芯結構的異形截面纖維，也可改善纖維的吸濕排汗性能。浙江恒逸高新材料有限公司[15]提出了一種多功能雙組份聚酯皮芯復合纖維及制備方法，纖維中芯層成分選自聚酯，皮層成分選自改性聚酯，且皮層成分在多功能雙組份聚酯皮芯復合纖維中質量分數為20%～50%。該纖維具有良好的吸濕排汗、抗靜電以及優異的染色性能，可以滿足人們對夏季功能性面料的需求。廣東省化學纖維研究所[16]提出了一種吸濕排汗桔瓣型滌丙復合纖維的制備方法，該纖維的截面為桔瓣型骨架。桔瓣型骨架為聚酯材料，楔形填充部為聚丙烯改性材料，兩種組分經噴絲孔擠出、冷卻成型后，兩組分之間所形成的桔瓣型截面能夠產生永久的縫隙，從而使滌丙復合纖維的芯吸效應增強，且增加了纖維的表面積，吸濕效果更好。

3.2 化學改性

3.2.1 引入親水基團

化學纖維的原材料主要為聚酯、聚酰胺等疏水材料，可通過引入親水基團（羧基、羥基、酰胺基等）或者在聚合時加入親水物質使聚合物具備親水性，且纖維通過化學改性獲得的親水性具有持久性，使用時不會因為水洗、摩擦等外部原因而減弱。另外，在化學改性的基礎上也可配合物理改性，使纖維具有異形截面以及較大的表面積，從而使纖維具有良好的吸濕排汗性能。安徽雙帆高纖有限公司公開了一種親水性差別化纖維的加工方法[17]，通過接枝共聚的方法來改善聚酯纖維的吸濕導濕性能。該方法主要是將聚酯合成物材料和催化劑加入酯化反應釜中進行酯化反應，待反應結束后，將合成的聚酯樹脂加入接枝反應釜中，并加入接枝改性物料（由丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸鈉、丙烯酰胺等組成）和引發劑進行接枝改性引入親水基團。最后，將所制改性聚酯送入螺桿擠出機中，加熱熔融成熔體，然后紡絲制得親水性差別化聚酯纖維。該方法有效地改善了聚酯纖維的親水性。張騰飛等[18]為了提高聚酯纖維的親水性，使用對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）發生酯化反應生成對苯二甲酸乙二酯（BHET），然后利用生物基聚酰胺56低聚物（LPA56）和BHET發生酯交換反應生成新型聚酰胺酯。結果表明，新型聚酰胺酯纖維的回潮率是PET纖維的265%～390%，改性后聚酯親水性得到明顯提高。

3.2.2 纖維表面化學改性

對化學表面進行親水處理，通過接枝、交聯等方法來增加纖維表面的親水基團，也可使纖維達到吸濕的目的，但是，纖維親水性會隨著水洗次數的增加而減弱。東華大學的李發學等[19]公開了一種超親水抗菌纖維素纖維及其制備方法，該方法包括先將纖維素纖維、去離子水、引發劑（硝酸鈰銨、過氧化氫、過氧化苯甲酰和過硫酸鈉任意一種）置于反應釜中反應，得到超親水纖維素纖維，然后將超親水纖維和無機銀溶液、還原劑一起反應，得到超親水抗菌纖維素纖維。劉鴻銘等[20]先對聚丙烯纖維進行溶脹處理，然后采用硅烷偶聯劑KH-570對纖維表面進行親水處理。研究結果表明，硅烷偶聯劑在聚丙烯纖維的表面發生了自水解反應并形成了一層保護膜，且由于硅烷偶聯劑自身含有極性親水官能團，極大地改善了聚丙烯纖維表面的親水性能。

3.3 其他

除了上述幾種方法，也有研究者在原料中加入新型材料，使纖維具備吸濕性能。魏洋[21]介紹了云母纖維的特點及制作工藝。云母纖維是一種新型的吸濕降溫纖維，以滌綸或錦綸為載體融入納米云母，利用本身天然的層狀結構和“導熱+含水”雙重功效研發的冰涼纖維，具有良好的吸水、導熱、吸附性能。另外，也有學者利用纖維表面疏水性的差異制備吸濕排汗纖維。DONG Y等[22]為了改善水的輸送性能，通過靜電紡絲制造了由親水性PAN外層和疏水性聚偏二氟乙烯（PVDF）內層組成的雙層納米纖維非織造墊，內層和外層之間表面疏水性的明顯差異引起推挽效應，從而有效地將水從內層輸送到外層，使纖維具有優異的吸濕排汗性能。

4 結語

目前，吸濕排汗產品在日常生活中已經有了較多的應用，包括運動服、內衣、休閑服等，且由于人們消費需求的不斷升級，吸濕排汗產品將會有更大的應用市場，應當不斷完善吸濕排汗纖維的制備工藝，拓展在醫療衛生、工業、建筑等領域上的應用，不斷挖掘吸濕排汗產品的應用潛力。另外，隨著功能材料的不斷開發，紡織面料的功能逐漸多樣化，單一功能的吸濕排汗纖維已經無法滿足市場的需要，增加吸濕排汗纖維的附加功能，使纖維在具備吸濕排汗性能的同時兼具除臭、抗菌、抗靜電、防紫外等多種優異性能，也是未來吸濕排汗纖維的研發熱點。