新型功能材料在紡織服裝中的應用

文/張慢樂 楊群

我國是紡織服裝產品制造和出口大國，在制造方面占據市場規模優勢，但在服裝設計方面存在嚴重短板，在新型功能材料開發上也沒有競爭力。隨著我國化學纖維生產產能的擴張，常規產品面臨著激烈的市場競爭，化纖產品差別化和功能化成為企業在市場競爭中制勝的關鍵。新型功能性纖維材料以其差別性、特殊性和功能針對性，成為紡織產品領域發展的重點。

我國是紡織服裝產品制造和出口大國，在制造方面占據市場規模優勢，但在服裝設計方面存在嚴重短板，在新型功能材料開發上也沒有競爭力。隨著我國化學纖維生產產能的擴張，常規產品面臨著激烈的市場競爭，化纖產品差別化和功能化成為企業在市場競爭中制勝的關鍵。新型功能性纖維材料以其差別性、特殊性和功能針對性，成為紡織產品領域發展的重點。

本文總結近年來新型功能材料在紡織服裝中的最新應用，分類歸納了不同類新型功能材料與紡織服裝相關的技術進步、應用前景和工業化實例。

1 新型功能材料簡介

功能材料的定義：具有優良的電學、磁學、熱學、光學、聲學、力學、生物學、化學功能和相互轉化功能的高技術材料。在國外，這類材料被稱為功能材料、精細材料或特種材料。在紡織領域，功能性材料除了具有普通布料所有的功能外，還具有防水、抗靜電、保溫和抗菌除臭等功能。

根據作用方式的差異，功能材料大致可分為光功能高分子材料、生物材料、熱力學材料和電磁材料。另外納米材料和石墨烯材料因分子尺寸和構造的特殊性能而展現出有別于傳統功能材料的優良性能，在紡織領域具有廣闊的應用前景。

2 紡織服裝領域的新型功能材料

2.1 光功能高分子材料

一種對光傳輸、吸收、儲存和轉換的高分子材料。光功能高分子材料主要包括光致變色材料和隱身材料。

光致變色材料：在一定波長光的照射下，能夠發生顏色變化的材料。它的原理是在一定波長光的照射下，化合物的分子結構發生變化，光的吸收峰值即顏色發生改變，并且這種改變一般是可逆的。把光致變色材料制作成涂層，可以應用于很多產品中，如游泳衣、工作服、兒童服裝等。東華大學教授研制的光致變纖維，經紫外線照射由無色變為藍色，停止光照后變為無色，且具有良好的光照耐久性。

隱身材料主要有以下3種，紅外隱身材料、可見光隱身材料和激光隱身材料。在透過紅外線的粘結劑中，加入鋁粉和二價鐵離子，構成紅外隱身涂料。金屬氧化物粉、鋁粉和有機物復合而成可見光隱身材料。紅外隱身材料有堅固耐用、成本低廉和制造方便等優點，成為近些年來發展最快的熱隱身材料。如美國的陸軍裝備研究司令部、澳大利亞國防科技組織的材料研究室、英國的BTRRLC公司材料系統部和瑞典的巴拉居達公司都已開發了第二代產品。

2.2 生物材料

與生命系統相接觸和發生相互作用的材料統稱為生物材料。生物材料分為天然材料、人工合成材料、單一材料、復合材料、活體細胞或天然組織與無生命的材料結合而成的雜化材料。人工合成材料的應用已非常成熟，本文主要介紹新興的天然材料。

2.2.1 細菌材料

麻省理工學院BioLogic團隊開展了新項目，用微生物為服裝增加科學功能。BioLogic團隊使用納豆枯草芽孢桿菌，和松果一樣，納豆枯草芽孢桿菌根據空氣的濕度自動膨脹和收縮。根據這個原理，BioLogic團隊發明了稱為“第二皮膚”的新式服裝，此服裝隨穿著者體溫和濕度的增加膨脹而變得更加透氣。BioLogic團隊把納豆枯草芽孢桿菌制成生物膜，與氨綸布料整合在一起，生物膜的形狀不一樣，效果也不同。而且，生物膜的透氣效果與濕度是成正比，當濕度達到100%，生物膜會完全敞開，透氣達到最大化。

2.2.2 生物基材料

生物基纖維是用生物本身或者它的提取物制成的纖維。聚乳酸纖維是以玉米、甜菜、小麥等為原料，在力學性能、生物降解性、抗菌性和導濕排汗性等方面，聚乳酸纖維比傳統纖維表現出良好的性能。海藻酸鹽纖維以褐藻類植物為原料，這類纖維不但環保，且性能優良。海藻酸鹽纖維是生產高吸濕性醫用敷料的原材料，因此在醫療衛生領域有很大的應用價值。

2020年，國家發改委印發了《關于進一步加強塑料污染治理的意見》，提出限塑時間表。以玉米、秸稈等加工而成的聚乳酸纖維很快被大眾知悉。聚乳酸纖維具有與人體皮膚相近的弱酸性，因此在內衣和家紡等領域具有優勢，但是還不成規模。據報道，FibFab項目開發了一種新的生物基化合物，該生物基化合物不但能夠滿足服裝領域對纖維的性能要求，而且適用于工業用纖維的生產。

2.2.3 生物抗菌材料

生物抗菌材料大多數是從動植物材料里提煉而成，其主要有殼聚糖、桂皮油、羅漢柏油和魚精蛋白等，具有耐候性強、低毒性和使用安全等優點，主要缺點是藥效持續時間短和耐熱性差。其中典型代表是殼聚糖。目前提出的殼聚糖抗菌機理有以下兩種：a.低分子量的殼聚糖分子入侵微生物細胞，阻礙微生物遺傳密碼DNA到RNA的復制；b.殼聚糖的氨基陽離子與構成微生物細胞壁的唾液酸磷酯等陰離子相互吸引，束縛了陰離子的自由度。在紡織品生產過程中，賦予織物抗菌性能的殼聚糖用作后處理整理劑。據報道，縮水甘油三甲基氯化銨和甲殼素反應生成季銨鹽，用季銨鹽處理后的短纖單絲具有抗菌性，對表皮葡萄球菌的滅菌率達到99.8%至100%。

2.3 熱力學材料

2.3.1 熱致變色材料

熱致變色材料是把液晶材料封閉在微膠囊之中，形成涂層制得。其原理是在面料內附著直徑約為2μm的微膠囊，內貯因溫度而變色的染料和液晶材料，這些微膠囊分散在液態樹脂粘合劑中，把它們涂在纖維上。

日本東麗株式會社把微膠囊和樹脂涂在基布上面，得到在低溫下顯色，在高溫下消色的織物。當溫度達到0℃及以下，紡織物變成黑色，從而可以吸收陽光起到保暖作用，當溫度達到5℃以上，紡織物變成白色，從而抑制對陽光的吸收。

2.3.2 保溫材料

早期的保溫材料是由于金屬具有反射性能，從而抑制熱量散發。鍍有金屬鋁的“金屬棉”有良好的保溫性能，但是有一些缺點，比如熱傳導強、缺乏著色性、透濕透氣性差和不能洗滌等。20世紀80年代開發了碳化鋯保溫纖維，其吸收可見光，反射紅外線。此材料吸收太陽光中95%的2μm以下波長的能源，通過熱轉換，能源被儲存在里面。人體產生紅外線，波長為10μm左右，將碳化鋯系化合物和高聚物混合紡織成纖維制成服裝，從人體散發的熱量被服裝反射，阻止熱量向外擴散，起到保溫作用。

近年來，新型保溫材料主要有陽光蓄熱保溫纖維和遠紅外纖維。美國3M公司制造的保溫纖維“新雪麗”，和傳統保溫材料相比，它非常保暖，厚度為1厘米，保暖性為羽絨的約1.5倍，是其他保溫材料的約兩倍。其功效是源于它的超細纖維，它的直徑是普通纖維的約十分之一，纖維間留存出更多的空氣，在同樣大的空間，有更多的纖維，因此非常保暖。同時，它的吸水量是自重的1%，在潮濕的環境中具有很好的保暖性。

2.3.3 溫控材料

其原理是物質在相轉變的過程中，自動釋放或者吸收熱量，使用充填法、浸軋法和微膠囊法將相變物質處理到纖維或者纖維制品中。

把一種能貯存熱量并且在低溫的時候保持熱量的相變物質制作成微膠囊加到高聚物溶液中，紡絲制成纖維，這就是微膠囊法。某些塑性晶體在固一固轉變過程中產生熱變化，可以制作成塑性晶體類的溫控纖維。把季戊四醇加到中空纖維里或者用傳統涂層法處理到纖維織物上，賦予纖維所需的貯熱和釋熱性能。試驗證明，改性后的尼龍纖維熱含量是改性前的3.5～4倍，改性后的聚丙烯纖維熱含量是改性前的2倍，將以上改性后的纖維制成溫控織物，溫度在5℃～100℃。把導電樹脂涂在織物表面，通過電流時織物會發熱，可通過調節電流大小和織物的密度來控制織物的溫度。日本東麗公司根據以上原理制成了一種雙層結構的纖維織物，此織物被用在醫療加熱的被單、電熱地毯和車輛用的加溫墊等。

2.4 電磁材料

2.4.1 防輻射材料

防輻射服的防輻射材料主要有金屬纖維材質和銀纖維材質，由于銀纖維含量的不同銀纖維材質分為半銀纖維材質和全銀纖維材質。全銀纖維材質是由100%的銀纖維混紡優質棉織物制作而成。全銀纖維材質不但具有防輻射性能，還具有很強的抗菌和除臭功效，是制作防輻射服的理想面料。

2.4.2 防靜電材料

防靜電面料的消電機理是基于電荷的泄放和中和。在接地的時候， 一方面導電纖維的電暈放電和面料上的靜電中和，另一方面經導電纖維向大地泄放；不接地時，則由導電纖維的電暈放電來中和。

防靜電織物很多都是用導電纖維制作而成的，導電成分復合纖維使用較為廣泛。防靜電服裝廣泛應用在電子、制藥、微生物、儀器等行業。

日本鐘紡公司公布了最新研究成果9R和BR系列。這是第二代導電纖維的代表。熔融態的尼龍和碳粉混合后經噴絲孔和基體尼龍復合，形成雙組分導電纖維。雙組分導電纖維的優勢在于不會因為摩擦和洗滌導致碳顆粒脫落，它有著良好的耐洗、抗彎曲和耐磨損等性能。其導電表面積越大，導電性越好。

2.5 石墨烯材料

石墨烯是導電性能極佳的新型納米材料，它具有極好的強度、柔韌性、導電性、導熱性和光學性質，在物理、化學、環境、材料和能源等方面有著非常廣泛的應用。

把石墨烯加入到人造纖維溶液中或者附著在纖維上，制成石墨烯纖維。石墨烯纖維有非常好的導電性、保暖性和抑菌性，和棉織物一樣吸濕透氣，穿著親膚舒適。夏季可抵擋紫外線。石墨烯纖維還可與棉、莫代爾和粘膠纖維混紡，用于制作高檔的服裝、運動裝、襪子和嬰兒服裝。石墨烯纖維還可以做棉被、睡袋和羽絨服等的填充物。

2.6 納米材料

納米粒子是指粒徑在0.1mm～100mm間的微粒。納米粒子在光學、催化、化學、磁性、蒸汽壓、相變溫度和超導等方面表現出特殊的性能，近年來，越來越多地將納米材料應用在服裝的生產中，納米服裝具有防水、防油和防塵的性能。納米級的微粒覆蓋在纖維表面或者鑲嵌在纖維甚至分子間隙間，由于微粒小、表面積大和表面能高，在物質表面形成均勻的、極薄的“氣霧狀”保護層，正是由于保護層的存在，使常溫下大于100nm的水滴、油滴、塵埃、污漬甚至細菌都很難進到布料的內部。同時，由于形成保護層的納米級微粒極其微小，不會改變原布料的舒適度和透氣性等。

3 總結

新型功能材料特異性突出，往往針對極端的環境研發，用在紡織服裝領域面臨使用環境單一、使用條件嚴苛、高成本和高消耗的窘境。在研發方面初始投入很大，大部分技術尚不成熟，目前大多停留在實驗室階段，產業轉化率較低。

隨著人們生活水平的提高，消費市場對服裝安全、舒適和時尚性提出更高的要求，新型功能材料在紡織服裝領域的市場不斷擴大。服裝設計方面更依賴新型功能材料的開發。尤其是智能穿戴概念的興起，復合材料越來越為纖維制品生產商所接受，一方面提供了更多的功能選擇，另一方面纖維紡織品結構的多層設計帶來了更加舒適的消費體驗。技術和時尚完美融合于現代社會的日常生活中。