三大高性能纖維紡織品民用化推廣的研究進展

邱靖斯 葛燁倩

摘 要：高性能纖維具有普通纖維不具備的高強高模、耐高溫等特殊性能，可廣泛應(yīng)用于軍用和高技術(shù)領(lǐng)域。然而此類纖維具有生產(chǎn)技術(shù)復雜、成本價格高和產(chǎn)品性能穩(wěn)定性不足等局限，使其難以向大眾民用推廣。為了將高性能纖維及其紡織品引入大眾生活中，促進高性能纖維在各個領(lǐng)域的利用率的深化和擴大，以碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維為代表，回顧介紹了此三大纖維及產(chǎn)品的低成本生產(chǎn)、著色印花、功能優(yōu)化等技術(shù)進展。其中主要分析了這些技術(shù)的創(chuàng)新要點、產(chǎn)品的性能特點和應(yīng)用，以及仍需進一步深入探究的問題，其中包括如何降低紡織產(chǎn)品成本、提升紡織產(chǎn)品性能以及增加紡織產(chǎn)品的附加值，為中國高性能纖維產(chǎn)品的技術(shù)競爭力提高和開發(fā)方向提供思路。

關(guān)鍵詞：高性能纖維;碳纖維;芳綸纖維;超高分子量聚乙烯纖維

中圖分類號： TS102.52

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）06-0001-06

Research Progress of Top Three High-performing Fibers and Textiles for Civil Use

QIU Jingsi， GE Yeqian

（School of Textile and Apparel， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China）

Abstract： High-performing fiber has special properties such as high strength， high modulus and high-temperature resistance which ordinary fiber does not have. It can be widely applied in military and high-tech fields. However， it is difficult to popularize this kind of fiber to the public due to its limitations such as complicated production technology， high cost and low stability of product performance. In order to introduce high-performing fiber and its textiles into public life， deepen and expand the utilization rates of high-performance fiber in various fields， we selected carbon fiber， aramid fiber and ultra-high molecular weight polyethylene fiber as the representatives， and reviewed the technical progress of these three fiber products in terms of low-cost production， dyeing and printing， and functional optimization. We mainly analyzed the innovation points of these technologies， the performance characteristics and application of the products， and the problems that need to be further explored， including how to reduce the processing cost， promote the performance and increase the added value of textile products. It is expected that these can provide ideas for the improvement of technical competitiveness and the development direction of high-performing fiber products in China.

Key words： high-performing fiber; carbon fiber; aramid fiber; ultra-high molecular weight polyethylene fiber

高性能纖維對來自外部的光、電、熱、力等物理作用和氧化劑、酸堿等化學作用均具有較強的耐受力，具有高強高模、耐高溫、阻燃等性能。高性能纖維可分為有機纖維和無機纖維兩類[1]。有機纖維包括：芳香族聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維等;無機纖維主要包括：碳纖維、陶瓷纖維等。其中，仍處于高速發(fā)展期的三大纖維，即碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維，已逐漸并行進入了激烈的技術(shù)創(chuàng)新競爭期;他們的全球市場需求規(guī)模加速擴張。生產(chǎn)企業(yè)不斷開拓其應(yīng)用領(lǐng)域、開發(fā)適銷新產(chǎn)品，以贏得競爭優(yōu)勢。

目前高性能纖維正處于蓬勃發(fā)展階段，各種產(chǎn)品（復合材料，繩纜等）也陸續(xù)應(yīng)用于軍事、航空航天、航海、土木工程以及紡織服裝等領(lǐng)域。本文對三大高性能纖維及紡織品的降低成本、提升功能和提高附加值的各種優(yōu)化技術(shù)進行介紹分析，以促進高性能紡織品發(fā)展為社會共用、軍民共享的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

1 碳纖維

碳纖維是由沿軸向堆疊的層狀石墨微晶組成的一種纖維狀碳基材料[2]，有著優(yōu)異力學性能和輕質(zhì)特性。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，碳纖維的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)遍布多個高新技術(shù)領(lǐng)域。

1.1 生產(chǎn)技術(shù)

目前，90%左右的商用碳纖維是由聚丙烯腈（Polyacrylonitrile， PAN）生產(chǎn)[3]，傳統(tǒng)工業(yè)PAN基碳纖維價格高且產(chǎn)量有限，難以大幅度推廣。為了降低成本，廉價的紡織級PAN和可再生的木質(zhì)素等被用來作為碳纖維生產(chǎn)的前驅(qū)體材料。Jiang等[4]采用濕法紡絲制備了以麥草木質(zhì)素和紡織腈綸共混物為原料的前驅(qū)體纖維，可降低碳纖維的生產(chǎn)成本;由于木質(zhì)素具有較高的熱反應(yīng)溫度，也可使木質(zhì)素/PAN共混纖維的熱穩(wěn)定性得到提升。Huang等[5]使用了不含金屬元素的鹽酸胍來改性紡織腈綸，可使預氧化工序在較低溫度下進行，降低了生產(chǎn)成本。同時，低溫下腈基的環(huán)化反應(yīng)形成的聚合物結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，使碳纖維有更好的力學性能。在預氧化前對含有光引發(fā)劑的PAN纖維進行紫外線照射，可增加環(huán)化反應(yīng)速率而縮短氧化時間[3]。而Jo等[6]研究發(fā)現(xiàn)，對不含光引發(fā)劑的紡織級PAN纖維進行紫外線照射同樣可以有效促進預氧化過程，用時僅需30 min。工藝簡單的靜電紡絲是制備碳納米纖維（Carbon nanofibers， CNFs）的最佳方法，其工藝較多地取決于如PAN、瀝青和木質(zhì)素等前驅(qū)體[7]。Chen等[8]用酸酐對甘蔗渣進行均相酯化后與PAN共混來靜電紡絲制備CNFs。酯化甘蔗渣有助CNFs的氮原子保留，使得纖維的熱穩(wěn)定性、導電率和表面活性均得到提高。該方法的原料中加入可再生和便宜的甘蔗渣，過程中簡化了酯化后相分離步驟，都利于降低生產(chǎn)成本。

無論是傳統(tǒng)的濕紡還是新穎的電紡，降低碳纖維生產(chǎn)成本的關(guān)鍵是原料和工藝，碳纖維研究的重點落在了碳基前驅(qū)體原料的篩選、改性以及工藝優(yōu)化中工序的加減。當然，要想實現(xiàn)碳纖維低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)率還有待提高。

1.2 著色技術(shù)

碳纖維的高結(jié)晶度和化學惰性使其難以用傳統(tǒng)的染料或顏料來著色。光子晶體是一種采用不同折射率的材料在空間進行周期有序排列的介電材料，其具有的光子帶隙使一定波長的光子被選擇性地反射，反射光在晶體表面衍射產(chǎn)生顏色[9]。這種有色碳纖維可通過電泳沉積法將分散的帶電膠體納米粒子組裝到碳纖維表面制得[10]，但在實際應(yīng)用中機械耐久性不夠。Niu等[11]將具有大折射率對比度的ZnO和Al2O3層作為周期組分，通過原子層沉積技術(shù)將其沉積在經(jīng)等離子體活化的碳纖維表面，所制備的多色碳纖維具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和耐洗性。在散射光條件下，該纖維的平紋機織物可表現(xiàn)出與角度無關(guān)的反射特性和色彩。

1.3 功能性技術(shù)

1.3.1 柔性纖維電極

隨著可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，電子智能紡織品的研究工作近年來顯著提升[12]。相應(yīng)電子元件的研究和發(fā)展逐漸占據(jù)一席，比如基于碳纖維的織物是目前流行的柔性電極材料;此類電極的靈活性和優(yōu)越性能等始終是智能紡織品發(fā)展中的一個重要問題[12]。Li等[13]通過動態(tài)模板煅燒工藝對涂有KOH的棉織物進行碳化，促使纖維壁上形成了分層有序的多孔結(jié)構(gòu)，制作出的碳纖維織物機械強度優(yōu)異、可作為超級電容電極。還有從其他角度開發(fā)超電容碳纖維織物電極，比如通過鎳納米粒子的選擇性化學刻蝕和電化學剝落技術(shù)[14]使織物產(chǎn)生多尺度孔隙和反應(yīng)基團，以及對碳纖維織物進行雜原子改性[15]。另外，CNFs有很好的導電性和大比表面積[7]，在電子器件的應(yīng)用中極具潛力。Levitt等[16]將2D過渡金屬碳化物Ti3C2Tx混入PAN溶液后采用靜電紡制備碳納米纖維氈，以此制作的復合電極的電容比純碳纖維的要高，Ti3C2Tx的加入改善了復合電極的電化學性能，其導電性和耐用性也更強。

1.3.2 柔性傳感器

隨著大眾健康意識和特殊領(lǐng)域的裝備需求的提高，智能紡織品也逐漸融入監(jiān)測系統(tǒng)以用于健康護理和監(jiān)測，其中的關(guān)鍵元件之一是傳感器。Azizkhani等[17]選擇室溫可固化的硅橡膠為基體、短切碳纖維為導電材料制備了電阻應(yīng)變傳感器，在高達25%的應(yīng)變振幅內(nèi)具有高靈敏度;且其恢復時間低于15 s。該類傳感器用于人體監(jiān)測時能保證信號穩(wěn)定和較強的傳感性能。類似的，壓阻式短切碳纖維/聚二甲基硅氧烷復合傳感器[18]的高靈敏度和可拉伸性使其適用于不同應(yīng)用的應(yīng)變傳感檢測，如人體運動、織物的褶皺等。但這類傳感器需進一步改善，其壓阻特性對負載結(jié)構(gòu)敏感，施加的應(yīng)變過高會導致靈敏度降低、壓阻過渡延遲等問題。

2 芳綸纖維

芳綸全稱為芳香族聚酰胺纖維，具有高強高模、低密度、耐磨、耐沖擊和優(yōu)良絕緣性等優(yōu)點。由于酰胺鍵與苯環(huán)連接位置不同，芳綸存在分子結(jié)構(gòu)的差異，?？煞譃閷ξ环季]、間位芳綸及芳綸Ⅲ[19]。

2.1 生產(chǎn)技術(shù)

近幾年，國內(nèi)外的芳綸纖維已經(jīng)逐步實現(xiàn)高產(chǎn)值的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并且產(chǎn)量逐年攀升。主要產(chǎn)品之一的芳綸1414（Poly-p-phenylene terephthamide， PPTA）纖維在紡紗過程中存在著控制成品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵點，陳洲榕[20]對此進行了生產(chǎn)工藝研究：紡紗前加入水和抗靜電劑對PPTA纖維做預處理以減少靜電;在梳棉時選用齒深淺齒密小、移動速度快的錫林、道夫等器件以解決紡紗中易生粉末、結(jié)節(jié)的難題，同時調(diào)整器件隔距以加快纖維轉(zhuǎn)移。開發(fā)生產(chǎn)更高機械性能的芳綸纖維是拓展芳綸的應(yīng)用領(lǐng)域值得研究的課題。Teng等[21]在濃硫酸中將商用PPTA與h-PPTA（高分子量PPTA）共混，干噴濕紡時h-PPTA可增強大分子間作用，而且對PPTA短鏈沿纖維軸的取向產(chǎn)生了誘導，所生產(chǎn)的芳綸纖維的拉伸強度和初始模量得到提高。此外，任仲愷等[22]對高強芳綸1313進行了研究制備，常規(guī)的芳綸1313斷裂強度低于芳綸1414，通過提高紡絲液黏度和降低含固量可以增加聚合物分子量，并且添加改性劑能增加纖維的取向度和結(jié)構(gòu)均勻度，同時逐步升溫的分段水洗方式保證了纖維結(jié)構(gòu)的致密性，這些多方面的工藝改進使纖維更高強耐用。

2.2 著色技術(shù)

芳綸的結(jié)構(gòu)緊密、玻璃化溫度高，難以用常規(guī)工藝染色。因此當纖維大分子鏈流動性增加，無定形區(qū)增多時，染料才易進入纖維內(nèi)部與其結(jié)合。Azam等[23]提出近年芳綸染色的得色深度都較低，因此其采用苯甲醇作為膨脹劑對陽離子染料上染間位芳綸的工藝進行優(yōu)化，所得織物的染色深度高且強度損失小。另外，Kale等[24]在染色芳綸表面進行二氧化鈦納米粒子涂層處理來解決染色芳綸耐光性差的問題。而對于芳綸紡織品的印花，用分散染料進行載體印花[25]是一個很好的嘗試，但仍需進一步優(yōu)化工藝以提高色牢度。

2.3 功能性技術(shù)

2.3.1 織物結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著個人和工業(yè)防護用品領(lǐng)域的需求增加，用芳綸制造的高性能防護織物的研究也應(yīng)運而生。Moure等[26]基于芳綸織物紗線間的摩擦對抗沖擊性能的較大影響，從紗線到組織的不同層次比較了不同結(jié)構(gòu)的對位芳綸織物的力學性能和紗線摩擦系數(shù)。該研究發(fā)現(xiàn)，即使紗線的力學性能基本相同，其織物的力學性能也不同;當芳綸纖維在增強織物上按垂直角度疊層交織時可吸收大量的能量，大于一般柔軟織物吸收的;并且，織物有較高的吸收能量密度和摩擦系數(shù)時，其防護性能也較佳。

2.3.2 織物性能提升

對于防護服實用性能的提升，Nayak等[27]對芳綸織物進行碳化硼涂層處理，雖然織物的整體抗刺性能得到了提高，但也造成了應(yīng)力集中使織物的局部防護性能受到影響;同時涂層限制了汗液蒸汽的流動，導致舒適性降低。對于芳綸織物的導濕排汗性能差的問題，可采取酸性高錳酸鉀或等離子體改性結(jié)合導濕排汗整理的方法[28]，使織物纖維產(chǎn)生極性基團，提高纖維浸潤性，整理劑可更好地在纖維上滲透和結(jié)合。一般來說，多功能產(chǎn)品在市場更受歡迎。Shen等[29]通過浸漬涂層方法將水性聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和氟代烷基硅烷的混合溶液涂布于芳綸織物上，所得織物兼具耐久的超疏水和化學防護功能。Liu等[30]對芳綸織物進行浸漬剪切增稠液（Shear thickening fluid， STF）和覆蓋碳納米管（Carbon nanotubes， CNT）的復合工藝，得到了具有優(yōu)異的保護和傳感功能的復合織物。其中，CNT增加了織物的導電和響應(yīng)特性，可進行有效的檢測;STF的加入，使得復合織物能承受更高的沖擊力，提供更強的保護。

3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene fiber， UHMWPE）纖維具有許多優(yōu)異的性能，如高拉伸強度、高模量、低質(zhì)量密度等，且在化學溶劑中表現(xiàn)出惰性[1]。

3.1 生產(chǎn)技術(shù)

目前UHMWPE纖維的生產(chǎn)已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化，但這種規(guī)?；纳a(chǎn)方法只有凝膠紡絲法能實現(xiàn)[31]。這種方法會使用大量的有機溶劑而導致生產(chǎn)成本很高的環(huán)境污染問題。而工藝簡單、無需有機溶劑、成本低的熔融紡絲（熔紡）制備工藝是相對較好的選擇。Kakiage等[32]結(jié)合了熔紡和熔融拉伸的制備方法來提高UHMWPE纖維的拉伸強度，熔融拉伸加速了纖維中伸直鏈晶體的取向增加，在145℃、拉伸比20和一定的應(yīng)變速率條件下纖維的拉伸強度可達1.1GPa。相比于凝膠紡絲，熔紡所制得的UHMWPE纖維其力學性能要弱得多[31]。但在滿足中等強度纖維市場和紡織品大眾市場的需求上，輕污染的熔紡所制得的中強UHMWPE纖維已經(jīng)足夠。

3.2 著色技術(shù)

從UHMWPE纖維的下游市場來看，顏色豐富的UHMWPE纖維可提高其產(chǎn)品附加值和擴大市場應(yīng)用，從而提高產(chǎn)品競爭力。但由于UHMWPE纖維結(jié)晶度高、缺少官能團等特點，很難進行傳統(tǒng)方法的染色。Ma等[33]嘗試在120℃、20MPa的超臨界二氧化碳（scCO2）條件下對UHMWPE織物進行染色，隨著染色時間和染料濃度的增加，UHMWPE織物的可染性不斷提高，織物的色牢度也隨染色時間延長而增加。并且，將十氫萘作為助溶劑加入到scCO2中可得到更大的得色量。但加入十氫萘后，scCO2和十氫萘的復合增塑和溶脹作用會促使纖維分子鏈的重取向[34]，結(jié)晶度和斷裂強度顯著降低。

3.3 功能性技術(shù)

3.3.1 柔性纖維電子材料

高導電柔性纖維是將服裝的靈活舒適性與智能電子器件的功能性結(jié)合在一起的重要材料。Gao等[35]通過接枝聚合技術(shù)和金屬活化技術(shù)，在UHMWPE纖維表面引入銀離子后進行化學鍍銅，制得具有極好電穩(wěn)定性和耐久性的導電UHMWPE纖維，其電阻率可低至1.40×10-5 Ω·cm。該方法中，接枝聚合過程以水為溶劑，活化過程選擇銀離子，均有利于降低成本和保護環(huán)境。另一個重要的柔性纖維電子材料分類是柔性電極。Du等[36]采用結(jié)合涂覆聚多巴胺（Polydopamine， PDA）和聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）的方法，先后對UHMWPE纖維進行PDA涂層、化學鍍銀和PEDOT：PSS沉積的連續(xù)改性，制作出拉伸強度高達3.72GPa的復合電極。同時，該電極具有超長循環(huán)壽命，經(jīng)過2萬次循環(huán)后仍可保持90%的初始電容。其中，PEDOT：PSS是成膜性很好的導電聚合物，將其沉積成膜于纖維表面是制備超級電容電極的方法[37]。而PDA涂層可有效提高基體纖維與材料的結(jié)合力[38]。

3.3.2 織物性能提升

UHMWPE織物有較高的抗沖擊性，但纖維間的摩擦系數(shù)小，在受到?jīng)_力時織物紗線易移位造成刺穿。研究表明，UHMWPE織物浸漬STF后其柔韌性和防刺性得到提高[39]，并且STF中添加較高濃度的SiO2有利于提高織物的耐刺性[40]。Li等[41]的進一步研究發(fā)現(xiàn)，當SiO2粒徑為15 nm、質(zhì)量分數(shù)為25%時，STF/UHMWPE復合織物的抗刺穿性能達到最佳。對于UHMWPE紗線間的摩擦問題，Arora等[42]通過實驗發(fā)現(xiàn)，紗線間摩擦增大不一定利于沖擊能量的吸收，STF提高織物抗沖擊性的效果更多的取決于織物結(jié)構(gòu)，包括織物密度和紗線的線密度。

納米多孔聚乙烯的薄膜是一種耐磨、可透過紅外不可透過可見光、透氣性和導濕性較差的材料[43]，不可直接用于制作服裝等紡織品。Liu等[44]對此進行改進，用甲氧基聚乙二醇-氨乙基/聚多巴胺顆粒（mPPDAPs）、聚酯纖維（PET）和UHMWPE進行復合，制備了可應(yīng)用于紡織品的納米多孔UHMWPE/PET復合織物。這主要是因為織物的UHMWPE相中有許多連通孔和斷開蜂窩孔保證了透氣舒適性，用來增強的PET網(wǎng)同樣有助于織物透氣;而mPPDAPs的加入改善了織物的親水性。這種納米多孔復合織物用作人體熱管理紡織品的材料，在后續(xù)產(chǎn)品的技術(shù)成熟和成本控制之下，將有望成為普通大眾的一項重要消費。

4 結(jié) 語

碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維及其紡織品的研究越來越深入，生產(chǎn)工藝日趨成熟。未來這三大纖維及其紡織品面向大眾市場的發(fā)展方向是生產(chǎn)環(huán)保和低成本化，產(chǎn)品多彩化、智能化和多功能化，以及纖維的納米化應(yīng)用開發(fā)，以適合民眾的消費水平和滿足多樣的消費需求。其中，工藝創(chuàng)新帶來的成本不斷下降、功能不斷改進和增多的優(yōu)勢，將使處于創(chuàng)新技術(shù)競爭期的三大纖維得到更廣闊高速的發(fā)展。隨著技術(shù)研究的深入和產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸完善，相信在不久將來高性能纖維產(chǎn)品會走進普通民眾的生活。

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