氨綸功能化改性的研究進展

汪清漩 劉湲秋 王哲 朗根強 潘宏軍 俞成丙

摘?要：為擴大氨綸的應用領域，更好地滿足人們生活用品消費水準，解決常規氨綸制品無法滿足應用要求的問題，有必要針對應用需要開發更多性能優異的功能化氨綸，本文全面闡述了氨綸功能化改性的發展趨勢，概述了氨綸功能化對紡織行業的意義，著重以耐熱氨綸、抑菌氨綸、耐氯氨綸、導電氨綸和智能氨綸等功能化氨綸為例，綜述了國內外氨綸功能化改性的研究進展，強調氨綸功能化改性是氨綸開發、生產和應用的必然趨勢，也是提高氨綸制品在市場上競爭力的核心所在。

關鍵詞：氨綸;彈性;纖維;紡絲;功能化

中圖分類號：TS102.527.3;TQ340.64

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）02-0085-06

Abstract：To expand the application range of spandex， meet peoples increasing consumption level of daily necessities， and solve the problem that conventional spandex products cannot satisfy the application requirements， it is of great necessity to develop more functional spandex with excellent performance. In this study， the development trend of functional modification of spandex is elaborated comprehensively， and the significance of spandex functionalization for the textile industry is summarized. In addition， the research progress of spandex functional modification at home and abroad is reviewed based on examples of functional spandex such as heat-resistant spandex， antibacterial spandex， chlorine-resistant spandex， conductive spandex， and intelligent spandex. Lastly， functional modification of spandex is pointed out to be an inevitable trend in spandex development， production， and application， as well as the core for enhancing the competitiveness of spandex products in the market.

Key words：spandex; elasticity; fiber; spinning; functionalization

作者簡介：汪清漩（1997-），女，安徽宣城人，碩士研究生，主要從事氨綸功能化改性方面的研究。

氨綸是一種重要的彈性纖維，具有軟硬段交替排列的結構特點，一般軟段結構占比80%以上，是目前市場上彈性最好的合成纖維[1]。該纖維具有高回彈率、高斷裂伸長率、耐候性好、耐紫外光、高抗張強度等[2]優異性能且織物的抗撕裂強度高，目前在塑形衣、外科用繃帶和游泳服等紡織品上已得到廣泛應用。

隨著氨綸制品使用范疇逐漸拓展，常規的氨綸制品已不能滿足消費者日益提高的需求，制備功能化氨綸并提升其性能已迫在眉睫。功能化氨綸是對普通氨綸改性，提高氨綸的耐熱性、耐氧化性等理化性能，或加入特殊材料，制備出滿足特殊要求的功能纖維用品，在保留氨綸制品高彈、柔軟等優點的同時，擴大了氨綸制品的應用領域?，F有的功能化氨綸綜述，通常集中于超柔氨綸、防脫散氨綸、彩色氨綸等進一步提高氨綸制品的產品質量、使用壽命的功能化氨綸，而對抑菌氨綸、耐氯氨綸等有特定功能的功能化氨綸涉及較少，也缺少導電氨綸、智能氨綸等與納米技術結合，及更為先進的高科技、智能化的功能化氨綸。本文以耐熱、抑菌、耐氯、導電、智能氨綸為例，綜述了國內外新型功能化氨綸研究進展，并對其未來發展進行了展望。

1?耐熱氨綸

氨綸在高溫下硬段降解，交聯結構被破壞，在與滌綸做混紡時，往往需要在140℃左右的溫度下進行多次染色，結果使氨綸制品的彈性下降，紗線斷裂，制品性能受到影響。而耐熱氨綸在高溫下（140℃以上）經多次染色，其彈性和強度仍無明顯下降趨勢，因而研發耐高溫的氨綸是氨綸制品的一個重要方向。

1.1?提高硬段比例法

氨綸的耐熱性能可以在制造紡絲原液和紡絲過程兩個步驟提高。在制造紡絲原液時，提高聚合物的分子量和硬段比例，使聚合物即使降解也能保留較長的鏈段。在紡絲過程中，可以改變甬道風量和卷繞方法等方法改善工藝流程。陸華琴等[3]在制備原液時提高了芳環的占比，剛性上升，同時加入了防黃劑UDT，防黃劑在高溫時優先降解對聚氨酯鏈上的脲基起到保護作用。在干法紡絲工藝過程中降低了甬道溫度和卷繞牽伸比，避免了張力過大而絲線斷裂的情況。Mehdipour等[4]合成了一種新的基于酰亞胺的二醇擴鏈劑，并與異氰酸酯封端的預聚物反應，聚合物主鏈中酰亞胺單元的存在，提高了芳環的占比，剛性上升（圖1），在230℃的高溫下仍未發現明顯的失重現象。

1.2?添加劑改性法

通過添加劑同樣可以改善耐熱性能，如抗氧化劑改善端基，降低降解速度或直接加入有機硅等耐高溫基團。Lin等[5]用二苯基硅烷二醇（DSiD）作為添加劑制備了一系列含硅的聚氨酯，如圖2所示。摻入聚合物主鏈的DSiD改善了聚氨酯的熱穩定性，與改性前相比，彈性回復率提高了20%～30%，且隨DSiD含量的增加而增加。陳龍等[6]分別制備羥基封端和氨基封端的第一預聚物和第二預聚物，經溶解后，添加擴鏈劑和終止劑以獲得聚氨酯溶液并紡絲，獲得了斷裂伸長率高達480%～540%的耐熱聚氨酯彈性纖維。

2?抑菌氨綸

氨綸在潮濕環境中使用和存儲時，與其他紡織品一樣，易于滋生細菌。隨著人們對細菌的致病認識和衛生意識的不斷提高，對氨綸制品的抑菌性要求也逐步上升，開發有抑菌功能的聚氨酯迫在眉睫。紡織品中微生物污染是一個嚴重的健康問題，擁有抑菌性能的紡織品不僅滿足了日常衣物的抑菌需求，還可應用于傷口敷料、醫療器材等醫學領域。

2.1?改性法

抑菌氨綸主要是將具有抑菌性能的粒子、基團通過物理或化學的手段引入氨綸以及復合纖維中。

苑亞楠等[7]使用1%生物質石墨烯為添加劑，在氨綸強度和回彈率無明顯變化的同時，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌率都達到了98%以上，提升了氨綸的抑菌能力。Qu等[8]制備了銀納米/聚氨酯復合纖維，為了避免銀納米粒子的脫落，利用聚氨酯中的末端反應基團，原位還原納米銀（圖3），在納米銀含量為0.030%時制得的復合纖維不僅有較好的抑菌效果（抑菌率95.2%），斷裂伸長率也提高至608%。Wen等[9]將茶多酚包埋在聚氨酯/聚丙烯腈復合纖維中，證實平均直徑約120μm的茶多酚復合纖維具有較好的細胞相容性、抑菌性（抑菌率98%）和抗氧化能力（對DPPH的清除率高達97%），可應用于傷口敷料。Karthikeyan等[10]利用氧化鋅納米顆粒對氨綸進行前處理，24h內對幽門螺桿菌產生明顯抑菌性，36h后抑菌率達到96%。

2.2?包裹法

除引入抑菌粒子或基團進行改性外，包裹法也是一種常見的制備抑菌氨綸的方法。包裹法是指采用雙層/多層紡紗，在氨綸織物外層包裹有抑菌性能的材料，以達到抑菌的效果。蔣洪亮[11]使用一種碳纖維編織層內部具有的阻燃層的新型碳纖維編織套，包裹于氨綸外側，形成彈性抑菌層。魏從中[12]則制備了抑菌保濕的包芯紗，芯紗為螺旋結構的氨綸長絲，外包紗為具有防水膜的牛奶蛋白纖維紗，不僅可抑菌和去除異味，還能長時間保持氨基酸不流失，具有優異的保濕性能。

3?耐氯氨綸

氨綸制品的一大缺陷就是耐氯性差，市面上的含氯洗衣劑、漂白劑會使氨綸制品受到損傷，制得的泳衣在泳池里長久使用也會出現彈性下降的缺點。氨綸耐氯性差的原因是氯原子會取代酰胺結構上的H原子，新的“氯胺”會使制品發黃、強度下降。聚醚形聚氨酯因為多元醇在光和氯氣的作用下降解（圖4）[13]，化學鍵斷裂，耐氯性較聚酯形更差。為了提升制品的使用壽命，避免在含氯環境中結構破壞而使原有制品的彈性下降，耐氯氨綸應運而生。

目前制備耐氯氨綸的方法是在紡絲過程中加入碳酸鈣、水滑石化合物等作為耐氯添加劑。鄭賢基等[14]是在紡絲原液加入了少于10%的無機耐氯劑（過多的水滑石會使氨綸的回復率和模量降低），同時加入1%～4%的對稱形雙受阻酚類化合物添加劑，后制備溶液、脫泡、干法紡絲、卷繞，所得制品在活性氯含量為3.5×10-3 g/L的環境中彈性和強度未出現明顯下降情況，與改性前相比，耐氯性大幅提升。洪智慧等[15]在上述的基礎上又加入了少量單受阻羥基苯基化合物和含氨基脲基化合物、含叔丁基的氨基甲酸酯基添加劑作為次級抗氧劑，使制品擁有抗氯和抗褪色能力，色牢度也提高了約20%。洪智慧等[16]同時發現，在紡織原液中加入無機耐氯劑和少量二烷基磺基琥珀酸鹽，使氨綸制得的泳衣的耐氯性提升至89%，同時強度提升至1.6 g/d，減少了斷絲的產生。于美花[17]在氨綸熔融紡絲前或熔融期間添加抗氧化劑增強劑，用靜電噴涂抗氧化整理液后與滌綸纖維混紡，經過熱定形等后處理制備了面料堅硬、抗氧化、抗紫外線性能優異的耐氯萊卡纖維。

4?導電氨綸

紡織的電子技術作為下一代智能可穿戴設備的一項有前途的技術，已引起越來越多的關注。納米技術證明了保留紡織品輕巧、靈活、可拉伸等特性的同時在單一纖維、紗線或織物上構建各種電子功能或設備在技術上是可行的。到目前為止，已成功制?造出基于紡織品的傳感器、能量收集/存儲系統和通信設備。為了制備高性能的紡織電子器件，高導電柔性纖維的開發至關重要，導電氨綸就是其中發展迅速的一種。

導電氨綸早期是將氨綸和導電纖維復合而來，由于常見的導電纖維（銅、聚苯胺等）的變形能力較低，拉伸時不超過其原始長度的20%，并且表現出相對低的彈性和彈性恢復力，越來越多的人選擇基于軟聚合物的導電纖維。Kim等[18]用濕紡法制備了可拉伸導電聚氨酯/銀/石墨烯復合纖維，并在150%應變下獲得了82 874 S/m的高導電性。Guo等[19]將氨綸纏繞在聚苯胺纖維上，形成“彈簧”結構，制備了在200%的應變下仍可穩定導電的高彈性濕度傳感器。Seyedin等[20]將PEDOT/PSS和聚氨酯濕法混合制備了高導電性的彈性復合纖維，這種纖維能夠監測的應用應變高達260%，可用于應變傳感器。Foroughi等[21]以氨綸/碳納米管復合紗為原料，采用集成針織工藝制備了高拉伸、可操縱、導電的針織物。通過調整氨綸/碳納米管的投料比，織物的導電率可以在870～7 092 S/m范圍內變化。Zhang等[22]在氨綸/碳納米管的基礎上又加入了高導電銀納米線，濕法制備了復合纖維，將復合纖維的工作應變范圍擴大至254%，電導率達到8 030 S/m。Lu等[23]用聚乙二醇衍生物對銀納米線進行表面改性，反應如圖5所示，改善了聚氨酯與納米銀的相容性，使其在基體中均勻分散，形成有效的滲流網絡，使復合纖維在拉伸至200%時仍具有一定的導電性。

5?智能氨綸

智能纖維制備的智能服裝可以對外部環境或人體內部的變化做出反應，并自主調節服裝的顏色、溫度、松緊等，提高用戶的體驗感。隨著科技水平的上升，生產智能產品是各個領域發展的大勢所趨，智能氨綸不僅擁有傳統氨綸制品輕巧、柔軟的優勢，并與先進的科技相結合，有巨大的發展前景[24]。其中變色纖維和形狀記憶纖維是兩大類常見的智能纖維，已初步實現工業化。

5.1?變色纖維

變色纖維主要有電致變色和熱致變色兩種，可用于生產自適應偽裝、仿生、可穿戴設備。Invernale等[25]用PEDOT/PSS和氨綸制備了電致變色織物，在有色態之間切換需要的時間僅為數秒（圖6）。Potuck等[26]制備了一種熱致變色的運動服，通過在服裝結構中有針對性地放置熱致變色板，來實時監測耐力運動員的各項生理變化，作為運動員在劇烈運動中身體疲勞“警示燈”。

5.2?形狀記憶纖維

形狀記憶纖維是一種特殊的智能纖維，在熱、光、pH、水分等外部環境改變時，纖維收到信號時會恢復原來的形狀。Aslan等[27]成功制備了熱敏性的形狀記憶聚氨酯纖維，且纖維的回復率和固定率分別達到95%和71%。Banikazemi等[28]制備了用于基于聚己內酯的聚氨酯纖維，與傳統聚氨酯形狀記憶纖維相比，新型形狀記憶纖維的回復率接近100%，固定率也由32%提升至66%。

除以上幾種常見功能氨綸外，高彈氨綸、低溫穩定氨綸、防脫氨綸、易染色氨綸等也擴展了氨綸制品的使用范圍。低溫易定形氨綸[29-30]解決了氨綸制品在熱定形后彈力和強度下降的問題，超柔氨綸[31]和高彈氨綸[32]大大提高氨綸制品的手感和耐久性，防脫氨綸[33-34]可避免氨綸制品在伸展、刮擦過程中產生破洞、抽絲和脫散現象，易染色氨綸[35-37]則可以提高氨綸在酸性染料下的色牢度。

6?結?語

近年來，氨綸作為彈性最好的合成纖維已在國內快速發展。氨綸因彈性好、抗撕裂強度高、延展性好、手感平滑等優點深受消費者的喜愛，成為泳衣、緊身衣和繃帶等產品的首選，擁有耐熱、耐氯、抑菌和導電等功能化氨綸也已投入生產。然而，氨綸的制備工藝雖已工業化，但氨綸的性能仍需進一步提高和改變。隨著氨綸制品應用范疇的不斷拓展和人們對生活用品消費水準的不斷提高，開發更多性能優異的功能化氨綸，這已成為將來氨綸及其制品的研究熱點與發展趨勢。

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