纤维材料改性的发展趋势及关注点

1、纤维材料改性的发展趋势及关注点2010年第4期产业用纺织品综述关注焦摘要:纤维材料的改性技术是与新型纤维材料的开发,先进制造加工技术,先进检测表征技术及纤维的产业应用密不可分,同步发展的.近年来,国内外在新纤维的研制,通用纤维材料的改性,功能纤维及高性能纤维的开发等方面均取得了突破性的进展,纺丝及后加工方法越来越多地采用了现代制造,加工,改性方法,以及不同方法的集成.结合纤维材料改性的发展趋势,分析讨论了纤维改性中的问题及关注点.,关键词:纤维材料,改性,功能化,先进技术,发展趋势中图分类号:TS102.1文献标识码:A文章编号:10047093(2010)040001061纤维材料的发展及演

2、变20世纪6070年代,随着合成纤维产量迅猛增长,纤维材料的改性及产业应用日渐受到关注,并成为一个重要的发展方向.许多高性能纤维,具有特殊风格或功能的纤维,以至超越天然纤维性能的新型纤维相继诞生.产业应用的拓展,极大地丰富了纤维材料的内涵,推动了纤维改性技术的进步.图1是纤维技术的主要发展及演变历程概况图.可以看出,近50年来新纤维的开发,通用纤维材料的改性,功能纤维及高性能纤维的开发等方面都取得了突破性的进展;而纺丝及后加工方法也在不断创新,越来越多地采用了现代的制造,加工,改性方法,以及不同方法的集成.传统的天然高分子纤维材料以及常规合成纤维材料,若充分利用这些新方法和手段,也可期待通过改

3、性途径赋予新的特性或新的功能.2纤维材料改性的目的及内容纤维材料包含以天然高分子及合成高分子为收稿日期:20091026作者简介:陈衍夏,男,1953年生,教授.主要从事纤维材料改性,功能材料,染整加工的理论与应用研究.其化学结构主体的纤维状材料以及无机纤维和金属纤维材料.随着现代科学技术的进步,学科的交叉融合,改性技术的创新,纤维用途的拓展,纤维材料的内涵已大大扩展.纤维的制造及改性大量采用了以化纤的熔法,湿法,复合纺丝,静电纺丝等纺丝方法的原理与技术为基础的新方法.近年来受到国内外广泛关注的纳米纤维,更是集合成材料,生物材料及纤维成形新方法的应用于一体.利用生物方法合成高聚物进而制成生物可

4、降解聚酯纤维(如聚羟基脂肪酸酯PHA,聚羟基丁酸酯PHB类)已取得成功.纳米材料及纳米技术的应用,已在功能纤维的制造与后加工,乃至微细纤维的生成方面发挥作用.基因技术在天然纤维的改性,仿生及产业化方面已有许多研究成果及产业应用.纤维材料具有比表面积大的特性,这是其他粉体材料,片材,型材所难以比拟的,这就决定了纤维及其集合体具有许多特有的性状,如导热导湿性,表面一界面特性,可加工性,组合性,功能性等,从而在材料的设计与应用方面有更大的想像空间.事实上,纤维材料的改性也正是在追求这些新的特性和功能的复合方面不断取得成果并发展的l2J.改性既是天然纤维材料焕发生机的方向,又是通用纤维材料性能得以提升

5、的"捷径",同时还是新纤维材料,新功能开发与应用的重要手段.纤维材料改性的内容已经十分宽泛,尽管多年综述产业用纺织品总第235期三角断面E丝坌三兰兰j'!些'一'-釜主2三竺竺竺l'一'一新合纤,纳米纤维,智能纤维等液晶纺丝,凝胶纺丝,绿色溶剂纺丝等减量加工,液氨加工,表面改性等细旦纤维,超细纤维,复合纤维等碳纤维,聚合物改陛,无机粒子共混等异形纤维,中空纤维,差别化纤维等高速纺丝,溢流染色等聚乙烯醇,聚酯,聚丙烯腈,聚丙烯纤维等各种再生纤维素纤维天然纤维材料棉,麻,丝,毛及其他天然纤维等图1纤维材料的发展历程与技术的进步来国内外的研

6、究者进行了大量卓有成效的工作,但迄今为止,仍很难对此作出十分确切的定义和完整的表述.如纤维材料的功能性,尽管通过改性和新的加工方法已开发出了许多新的功能纤维,但具有复合功能的新纤维材料的开发仍缺乏深入的理论研究;高强度纤维材料的强度,模量等仍远远低于其理论值;智能材料及"机敏材料"的产业化才起步不久;21世纪迫切需要的纤维清洁化生产与加工技术,纤维高分子材料高次结构的形成原理和机制等,都不可避免地需通过研究改性中的科学问题,技术问题,应用问题和表征问题等而加以推动.从纤维材料的物质属性角度考虑,用于服装,家纺等的传统纺织产品在追求舒适性和生活文化方面将是改性的重点,但在传统

7、纺织用途以外的各种产业领域所需的改性及新纤维的开发,则极有可能成为更受关注的发展方向.人类通过"仿生"的思路去研究开发化学纤维,可以说是纤维材料改性的历史性成果,甚至也采用当今的各种科技成果去改造天然纤维,但化学纤维至今仍在许多性能上难与天然纤维匹敌,特别是对天然纤维的精细多重高次结构,以及由此产生的特异表观形态和服用性能的认识还远远不足,研究表征这些结构一性能的关系及形成机理是今后一22o世纪8o年代己7o年代已60年代0年代己5o年代20世纪50年代20世纪5o年代己3哞代础初5oooN的长期课题.纤维材料的高性能,功能性也是改性的重要内容.通过对纤维结构,组成,形态的

8、调控,改性及微细化,以及排列的多维,多层次,复合等,可使纤维获得完全不同的力学,热学,电学,磁学,光学,表面,吸湿等功能和风格.利用物理,化学,生物刺激的激发作用制成智能纤维材料及其织物,将是今后具有很大发展空间的新领域.3纤维材料改性的目标对天然纤维及生物质纤维材料,由于其本身的良好服用性能及特性,改性目标大都针对其某些弱点,或拓展其功能化应用.考虑到生物质材料的天然性,舒适性,功能性(如抗菌,防霉)及生物吸收性因素,在改性及加工时应当更加注重采用生物方法,基因方法,物理方法及节能环保等清洁化的改性加工方法.合成纤维的改性,原则上是要在保持其原有优异性能的前提下赋予新的性能.由于纤维结构与性

9、能的错综复杂关系,当采用某种方法改善某一种性能时,往往会引起其他性能的变化.因此,改性时必须避免纤维有价值的性质受到过多的影响,应2010年第4期产业用纺织品综述在相互矛盾的效应中求得综合平衡或"加合效应",使纤维材料获得更高的使用价值和更广泛的用途.高分子材料中,纤维材料经历的加工步骤最多,因此具有最大的加工(改性)自由度.可以在成纤聚合物的合成,纤维加工或织物后整理过程中用物理,化学,生物等方法改性或几种方法结合对纤维材料进行改性,以获得最佳效果.高性能纤维及产业用途的纤维材料,根据其特性要求,用途要求,在原料合成,纺丝方法,后加工方式乃至复合材料的结构上都有较强的针对

10、性甚至专用性.目前有关领域的生物技术,纳米材料技术,新型纺丝技术,先进加工技术,表面处理技术等已被大量采用,这将是今后纤维材料改性及创新的热点之一4纤维材料改性中的问题及关注点4.1原理与方法差别化纤维及复合纤维的开发成功,是纤维材料改性的重要成果.但并非有关这类纤维的结构性能与加工(改性)方法的关系已完全明晰,仍有许多相关的科学问题,制备问题有待解决.例如,在羊毛双侧结构的启发下,采用复合纺丝法制成了自卷曲合成纤维,但对羊毛结构层次进行细致地分析,发现其具有复杂而精细的近10次结构的高次构造,现有的技术水平尚无法精确复制羊毛的结构.'聚酯仿真丝纤维从风格上看现已达到几可乱真的地步,2

11、0世纪90年代诞生的新合纤仿真丝类面料甚至具有"超真丝"的风格,但丝蛋白与生俱来的卫生性,吸湿透气性则是聚酯纤维难以比拟的.人们也在通过生物技术,高分子合成技术仿制蜘蛛丝纤维,但蜘蛛丝的纤维强度和弹性伸长均始终难以企及.棉纤维外壁具有自约束特性的网状结构层,木棉纤维高达90%的连续中腔及多层不同取向和排列密度的原纤薄壁,要进行"模仿"绝非易事.高性能碳纤维的强度目前已达到9GPa,在所有纤维中最高,但与其晶体强度尚差两个数量级,要继续提高纤维强度,其原丝的质量必须有大幅度的提升,这有待于成纤高分子的合成,纺丝等的原理及方法的突破.利用液晶纺丝制成的超高分

12、子量聚乙烯(UHMWPE)纤维广泛用于防弹衣物,其强度已达到4.55.0GPa,但与其分子强度还差约一个数量级,要改进仍需进行深入持久的研究J.要使高分子纤维的强度趋近理论值,重要的是既要使其分子链尽可能长,又要使支化结构和缺陷尽可能少,这给聚合方法带来了许多新的课题.为了消除产生劣化问题的诱因,就必须研究在分子水平的结构调控方法,进而在理论和方法上解决高纯度,高相对分子质量聚合物的合成,纤维化方法及其后加工的相关问题.因此可以说,深入研究新纤维及其材料学的科学问题,在原理和方法上取得新的突破,纤维材料改性就会产生更多的创新性成果.4.2先进技术的应用及学科融合近年诞生的许多先进技术对纤维改性

13、及新纤维材料的开发产生了深远的影响.如掺杂技术,表面改性与加工技术,在无机材料及金属材料加工中十分重要,而将这些技术应用于纤维材料改性,可在纤维特殊表面的形成,无机粒子掺杂无机一有机复合纤维,纤维表面覆膜,表面修饰及负载等方面发挥重要作用.纳米技术在当今新材料研究领域最富活力,对未来经济和社会发展将产生十分重要的影响.应用纳米材料领域的研究成果及研究手段,可推动纤维材料研究及改性中纳米材料的应用,解决纳米粉体在熔体/溶液中的稳定性和分散性问题,推动复合多功能纤维,高强高韧纤维,阻燃及防熔滴纤维,抗菌及自清洁纤维以及纳米纤维材料的开发.纳米材料的结构设计,异质,异相和不同性质纳米基元的组合及其表

14、面修饰改性,使人们有更多的自由度去设计纤维材料的新物性,这极有可能会成为传统改性方法的一个新的突破口.智能材料自20世纪90年代以来受到了日本,美国,欧洲等先进国家和地区的高度关注,我国也有一些单位相继进行了智能纤维及其纺织品的研究开发.智能纤维材料所具有的环境感知,响应,功能调控,自适应能力等,为纤维材料的功能性概念赋予.了全新的理念,其应用领域将十分广阔.一3一综述产业用纺织品总第235期4.3改性与功能化的关系纤维材料的改性与其加工方法,技术发展密切相关,直接影响到产品的功能/性能.设计改性产品时,综合分析其改性方法及加工的难易程度,性附力价值新功能能,附加价值等,把握技术发展的趋势及用

15、途需求,准确定位,有利于产品的创新并取得预期成果.将纤维加工/改性与功能化动向的关系概略分类引,示之于图2.超级功能加工要求高,高难度图2纤维材料改性与功能化的关系图中A为改进天然纤维与合成纤维的各自不足,即所谓改善纤维欠缺性能的方向,这是自合成纤维诞生以来人们长期持续关注的领域.20世纪9O年代以来,对难燃和防污,抗静电和吸汗等复合功能的要求日渐强烈,拒水和防火,拒水和抗静电,吸水和拒水等相反功能的复合,以及多种功能的复合也正受到关注.图中B为以纤维的细化,异形化,多孔化及共混,共聚等合纤改性技术,纱线及面料制作及染整加工技术等上中下游纵向技术的复合为手段,结合纤维消费科学的研究而产生的指定

16、功能的方向.近年来国内外开发成功的透湿和防水面料,由服装微气候研究而产生的舒适性衣料,仿蝴蝶羽毛表面结构的DIFOURU,仿荷叶拒水性的MAIKUROFU.TO,新合纤面料等产品均属该方向的成果.图中C为抗菌,防臭,消臭,自清洁,热致变换,光致变换,蓄热发热,蓄热放热等新型功能/智能纤维的方向,这通常是由纺织以外的其他领域,其他产业技术横向转移而推动的发展方向.一4一改善欠缺性能现有用途图中D为近年来备受关注的高性能纤维材料的方向,有芳纶,聚酰亚胺(PI)纤维,聚苯并咪唑(PBI)纤维,聚对苯撑苯并双嗯唑(PBO)纤维,超高分子量聚乙烯纤维,碳纤维等,是追求纤维超级功能的领域.4.4纤维材料的

17、品质及用途的开拓日本在2O世纪90年代中期就汇集了日本纤维相关领域的专家,以提高纤维技术水平,开创未来生活文化及生活方式相适合的纤维制品,以及面向航空航天,通讯信息等高技术产业的新功能和新性能纤维材料,循环利用及环境友好纤维材料的开发作为优先考虑方向,提出了下世纪纤维产业技术课题研究报告书J,作为其21世纪纤维材料及产品的主攻方向.该报告书对各国纤维材料领域的发展也具有启发和参考的价值,其研究开发的主要方向如下.,4.4.1舒适性纤维材料能够感知舒适性及外部环境的变化,具有适应条件而调整或维持功能的纤维或纺织品.2010年第4期产业用纺编品产品开发4.4.2环境负荷低的纤维材料,如生物分解,吸

18、收纤维,甲壳素类具有天然抗菌性的纤维及整理加工面料,免烫衬衫和风衣,免漂白棉织物,聚酯纤维废料的循环利用,活性碳纤维作重金属吸附材料和可喷墨印花纤维及织物等.4.4.3医用纤维材料人工血管,人工脏器,人工皮肤,环境净化用过滤材料,消臭纤维及抗菌纤维等.4.4.4产业用纤维材料.面向航空航天,交通运输,各种包装,电子电器,通讯信息,农林水产,土木建筑,安全及环保,体育及休闲等的纤维材料.这些纤维材料大都要求具有高强度,耐热性,耐久性及轻量化.4.4.5新纤维材料基于新的单体而制成的新合成纤维,或通过相对分子质量及加工技术的改革大幅度提高原有高分子的性能,追求其极限值.首先关注开发为实现极限性能的

19、创新技术和超高强力纤维.具体有以下内容:高分子超精密结构的调控;21世纪的凝胶纺丝;杂化纤维;三维结构纤维;伸缩性液晶纤维;天然纤维的改性,弹性模量理论值达到约200GPa的超级纤维素纤维;应用激光技术的纤维成形及表面改性加工.4.5纤维材料及其功能的表征技术与方法纤维材料的化学组成,各层次结构,形貌与功能/性能的关系越来越复杂,而加工方法对其的影响及其规律更是干变万化,以至于研究的结果对检测及表征手段的依赖性也越来越大.现代的精密分析检测仪器,统计分析手段,计算机计算及模拟软件,图形图像检测方法等也正在纤维开发和改性中广泛应用.如利用计算机数值模拟了纤维素的三维交联结构J,将其主链上OH和C

20、H:OHCH基用CH基置换,使之与相邻主链形成稳定的共价键结合,发现其弹性模量在分子链轴向达到250GPa,其他方向也达到130200GPa,如此数量级的超级纤维素纤维一旦制成,应用前景将十分诱人J.不同尺度和观测方式的显微观察分析在结构一形貌表征方面发挥了重要的作用,使研究者从宏观表象到微观尺寸,乃至大分子级别的分析,表征得到第一手直观的感知,并解析出了许多未曾发现的秘密.如20世纪90年代后期日本东京大学先进科学技术中心的研究人员利用原子力显微镜发现并确认了光催化材料的"超亲水性能",这使光催化材料在抗菌,除臭,分解有害物质的基础上进一步发掘出了防污与自清洁性能L9】,

21、并启发了区别于"超疏水疏油"机理的自清洁防污纺织材料开发新思路.生物技术,纳米技术的应用在纤维改性中发挥了重要的作用,不论是研究其结构,形态,机理方面的科学问题还是加工方法,性能,功能等技术问题,都对检测和表征方法提出了更精准的要求.因此,应用先进表征方法与手段,更有利于推进相关研究向微观物质领域深入J.5结语纤维材料的应用正在向众多产业领域拓展,其改性工作主要围绕着服用纤维材料的舒适性,功能化;合成纤维材料的生态化,高性能,智能化,多功能化等方面进行.本文叙述了纤维材料改性的发展趋势,分析讨论了改性中的问题及关注点.指出充分利用纤维材料改性的新技术与新方法,可赋予传统的天

22、然高分子纤维及常规合成纤维新的特性或新的功能,以使其满足各种应用的要求.参考文献1OKAMOTOMiyoshi.Studyonparadigm-shiftformakingnewfibersC.Chengdu,Sichuan:Proceedingsofthe2007China?-JapanSymposiumonHighpolymerandFi?bers,2007:1-5.2日本材料科学会.先端材料暑/lJ一,檄雒材料M.柬京:裳荤房凳行,1991.3(日)化学撼雒技衍改善委具会,缀雒学会.次世代绒雒座檠技衍裸题稠查研究鞭告窖R.柬京:日本化学绒雒技衍改善委具会,缴雒学会,1995:180-25

23、0.4宫坂蒈象,罔本三宜.新合成绒雒M.柬京:大日本囡害(株),1996.5陈衍夏,兰建武主编.纤维材料改性M.北京:中国纺织出版社,2009.6于伟东.纺织材料学M.北京:中国纺织出版社,20o6.7高洁,王香梅,李青山.功能纤维与智能材料M.北京:中国纺织出版社,2004.(下转第l0页)一5一产品开发产业用纺织品总第235期ThedevelopmentofPUhotmeltadhesiveinterliningforpoliceuniformYuYongsheng,DuanGuoping,XuJianping,ZuoZhizhongandLiHaijun(JurongSantaiGarm

24、entsandAccessoriesCo.,Ltd.)Abstract:InordertosolvethewaterleakagecausedbyPUcoatingdestroyedfrominterliningofpreviouspoliceuniforms,PUhotmeltadhesiveinterliningwasresearchedanddeveloped.99StylePoliceClothesUSeSthisinterlining,SOithasmultifunctions,suchascoldproof,warrn.keeping,ventilation,of

25、andanti'static.ThedevelopmentprocessandtechnicalkeysofPUhotmeltadhesiveinterliningwereintroduced.Keywords:policeuniform,PUhotmeltadhesive,doublepointfusibleinterlining,waterproofandmoisturepermea.bility,antistaticproperty!:!蝓!;,!;,(上接第5页)8渡迈正元.高械能性绒雒冈凳M.柬京:株式会社一工厶一,2000:120.145.9橘本和仁.藤蝎昭.光触媒亨M.束京:工棠稠查会,2003.1O葛明桥,吕仕元.纺织科技前沿M.北京:中国纺织出版社,2004.11李栋高.纤维材料学M.北京:中国纺织出版社,20o6.12OZAWANanami,WATARABEMasayuki.Theevolu.tionandpursuitofamenityJ.SeniGakkaishi(绒雒学会),2008(12):409-414.Thedevelopmenttrendandpointsofmodificationof