第二章产业用纤维材料.

产业用纺织品第二章产业用纤维材料第三节产业用功能纤维功能性材料：指那些具有可用于工业和技术中的有关物理和化学功能(如光、电、磁、声、热等特性)的材料，包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、智能材料、储氢材料、生物医学材料、组织工程材料、纳米药物载体、功能膜、功能陶瓷、功能纤维。纤维的功能：指纤维受到外部作用时，使这些作用发生质的转变或量的变化，使纤维具有导电、传递、储存、光电及生物相容性等方面的性能。一、功能纤维的分类按功能纤维的组成分类：金属纤维、无机纤维、高分子纤维和复合材料。钢纤维金属纤维防辐射服玻璃纤维网格布陶瓷纤维毯矿物纤维按功能纤维的性能分类物理性：电气、电子性，有抗静电纤维、导电纤维等；热学性，有阻燃纤维、保温纤维、调温纤维等；光学性，有防紫外线纤维、变色纤维、自发光和光导纤维等；物理形态，如异型截面形状、表面微细加工性(细孔、凹凸性)等。化学性：光化学；化学反应物质分离性：分离性；吸附交换生物适应性：医疗保健，有抗菌防臭纤维等；生物性，如人工透析性、生物吸收性、生物相容性等。按功能纤维的用途分类：耐高温材料、抗低温材料、超导材料、半导体材料、磁性材料、生物医用材料、智能材料、储氢材料、组织工程材料、药物载体等。二、常用的功能纤维(一)抗静电纤维和导电纤维静电危害：纺织品在生产加工和使用中，易因摩擦和感应产生静电，静电荷的积聚易引起灰尘附着，服装纠缠肢体会产生黏附不适感；较高的静电压会对人体产生电击，并引起电子元件损坏；静电放电会引起火灾和意外爆炸；静电放电产生的电磁辐射会对各种电子设备、信息系统造成电磁干扰。纺织材料抗静电加工原理：一方面是降低摩擦程度、控制电荷的产生；另一方面是提高纤维的导电性能，以加快电荷的泄漏。纺织材料抗静电技术发展历程：第二阶段第三阶段第一阶段用表面活性剂对纤维或织物进行亲水化处理，提高纤维的吸湿性，从而降低纺织品的电阻率、加快电荷逸散。对成纤高聚物进行共混、共聚、接枝改性引入亲水性极性基因，或在纤维内部添加抗静电剂，制取抗静电纤维。导电纤维的研制和应用研究，包括导电物质均一型导电纤维的研究，导电物质包覆型导电纤维的研究，导电物质复合型导电纤维的研究。1.分类（1）表面活性剂添加型纤维：始于20世纪50年代，适合于各种纤维材料。作用原理：表面活性剂分子疏水端吸附于纤维表面、亲水性极性基团指向空间，形成极性表面，吸附空气中的水分子，降低纤维的表面电阻率，加速电荷逸散。所用表面活性剂包括阳离子型、阴离子型和非离子型。其中阳离子型表面活性剂的抗静电效果最好，高分子量非离子型表面活性剂的抗静电效果耐久性最好。采用的施加方法有喷洒、浸渍、涂敷等。(2)共混、共聚和接枝改性型抗静电纤维特点：在成纤高聚物中添加亲水性单体或聚合物，提高吸湿性，从而获得抗静电性能。采用化学引发、热引发、高能射线和紫外线辐照引发的接枝改性方法，将亲水性单体接枝于纤维表面，可有效改善合成纤维的吸湿性，且亲水性单体的用量远少于其他方法，耐久性好。(3)金属导电纤维出现于20世纪60年代，目前使用最多的金属材料为不锈钢，也有铜、铝、镍等。它通常制成短纤维，与普通纺织纤维混纺织造，用于防静电地毯和工作服面料。特点：导电性好(10-4～10-5Ώ·cm)、耐热、耐化学腐蚀，但抱合力小，可纺性能差，制成超细纤维时价格昂贵；成品色泽受限制。不锈钢纤维制品雷达敏感织物纯不锈钢纤维织物抗静电织物导电布及屏蔽布(4)碳素导电纤维粘胶基、PAN基、沥青基碳纤维均为良好的导电纤维10-3～10-4Ώ·cm)，且强度高、耐热、耐化学药品，但纤维模量高、缺乏韧性、不耐弯折、无热收缩能力，不适合于纺织品使用。碳短纤维可添加于地毯胶乳中，赋予其导电性。碳纤维导电手套碳纤维办公椅（5）导电聚合物制成的有机导电纤维特点：导电聚合物目前尚难应用于纺织品；主链中的共扼结构使分子链僵直，不溶不熔，难以纺丝加工；某些导电聚合物中的氧原子对水极不稳定；某些导电聚合物的单体有毒且怀疑是致癌物质，某些掺杂剂多有毒性；复杂的合成工艺使其制造成本昂贵。只有聚苯胺可用1一甲基一2一吡咯烷酮(NMP)、二甲基丙烯脲(DMPU)、浓硫酸等溶剂，经湿法纺丝或干湿法纺丝直接加工成导电纤维，但价格昂贵，且浓硫酸对设备的耐腐蚀性提出了苛刻的要求。聚苯胺在导电态是不能熔融的。目前正在研究聚苯胺塑化后熔融纺丝的方法。(6)普通合成纤维涂敷导电物质制成的有机导电纤维制造方法：以普通合成纤维为基体，通过物理、机械、化学等途径在纤维表面涂敷固着金属、炭、导电高分子等导电物质的方法很多。特点：可获得较低的电阻率，导电成分都分布在纤维表面，放电效果好，但在摩擦和反复洗涤后，皮层导电物质较易剥落。(7)复合纺丝法制成的有机导电纤维1974年20世纪80年代20世纪80年代末期美国DuPont公司率先开发了以含炭黑的PE为芯、以含炭黑的PE为芯、以PA66为鞘的皮芯复合导电纤维AntronⅢ。开始了导电纤维的白色化研究，以微粒的铜、银、镍、镉等金属的硫化物、碘化物或氧化物为导电物质，复合纺丝制得适合各种染色要求的白色导电纤维。日本炭黑复合型导电纤维的年产量达到200吨。2．应用抗静电纤维和导电纤维由于其电学功能，广泛地应用于纺织品、通用工程、耐热材料、交通工具、运动器材、航空航天等方面。混有各种导电纤维(按不同用途，导电纤维含量为0.5%～5％)的制品，可制成各种防静电工作服、手套、帽子、毛巾、窗帘、地毯、缝纫线等，广泛应用于油田、石油运输加工、煤矿、炸药工业、电子工业、感光材料工业等领域。(二)防紫外线纤维优点：A、消毒杀菌；B、促进骨骼发育；C、对血色有益；缺点：A、使皮肤老化产生皱纹；B、产生斑点；C、造成皮肤炎；D、造成皮肤癌；E、造成皮肤粗糙D、偶尔可以治疗某些皮肤病;E、紫外线照射直接影响人体维生素D的合成1.防紫外线纤维腈纶：耐日光性与耐气候性很好（居第一位），在成纤高聚物中添加少量防紫外线添加剂，可纺丝制成防紫外线纤维。防紫外线添加剂：(1)无机防紫外线添加剂：二氧化钛、氧化锌、滑石粉、陶土、碳酸钙等。这些无机物具有较高的折射率，能使紫外线发生散射，从而防止紫外线人侵皮肤。(2)有机防紫外线添加剂。凡能吸收波长为270～400nm紫外线的有机化合物，称为紫外线吸收剂。其结构上都含有--CN基，在形成稳定氢键、氢键整合环等过程中能吸收能量，并转变成热能散失，所以传导到高聚物中的能量很少，从而起到了防紫外线的作用。2．防紫外线纤维的制备1选择一种合适的紫外线吸收剂与成纤高聚物的单体一起共聚制得防紫外线共聚物，然后制成防紫外线纤维。2有机紫外线吸收剂或无机紫外线散射剂单独或混合使用，用浸渍法、印花法或吸尽法附着在天然纤维或合成纤维上，制成防紫外线纤维。3无机紫外线散射剂或有机紫外线吸收剂单独或混合使用，与成纤高聚物进行共混后纺丝而制得防紫外线纤维。3．应用防紫外线纤维制成的服装，特别适合夏天野外作业时间长的人员，如军人、交警、地质人员、建筑工人等。防紫外线服冲浪服(三)阻燃纤维纤维阻燃可以从提高纤维材料的热稳定性、改变纤维的热分解产物、阻隔和稀释氧气、吸收或降低燃烧热等方面着手来达到阻燃目的。阻燃粘胶纤维大多采用磷系阻燃剂，通过共混法制得，所得的阻燃粘胶纤维的极限氧指数一般可达到27％～30％。阻燃改性：腈纶：共聚法。共聚单体为氯乙烯基，含量一般为33％～36％，极限氧指数一般在26%～28％之间；含量达到40％～60％为腈氯纶，其极限氧指数可达28％以上，适于制作高级裘皮服装、地毯、毛毯、长毛绒、空气过滤布等。聚酯纤维：共聚、共混及皮芯型复合纺丝等方法。后两种方法制得的纤维具有永久的阻燃性，但成本较高，所以以共聚法为多，所用的阻燃剂主要是磷系反应型阻燃剂和溴系反应型阻燃剂，极限氧指数约为27％，可用于家具布、帷幕、地毯、汽车装饰布、儿童睡衣、睡袋、工作服和床上用品等。丙纶：共混法，即将常规聚丙烯树脂与含阻燃剂的阻燃母粒充分混合再纺丝，极限氧指数可达26％～28％，主要用于室内装饰织物，也可用于工业方面。(四)抗菌防臭纤维和消臭纤维1．抗菌防臭纤维定义：指具有除菌、抑菌作用的纤维。本身带有抗菌抑菌作用的纤维，如大麻、罗布麻、甲壳素纤维及金属纤维等。抗菌防臭纤维借助螯合技术、粉末添加技术等，将抗菌剂在化纤纺丝或改性时加到纤维中而制成的抗菌纤维。(1)有机类抗菌剂抗菌原理：通过活性成分带有的正电荷基团与细菌表面的负电荷相互吸引，以物理方式破坏细菌的细胞膜，起到抑菌灭菌功能。特点：所制得的抗菌纤维，对人体无害，对革兰氏阴、阳性菌有广谱的抗菌效果，抗菌率大于90％。特别是与聚合物相容性好，不会对纺丝产生不利影响。应用：现已在涤纶、丙纶中广泛使用，成功地用于制作内衣和床上用品等。(2)无机类抗菌剂(包括有机金属抗菌剂)抗菌原理：让从纤维中逐渐溶出的微量金属离子(银、铜、锌等离子)向细菌细胞内扩散，与细胞内巯基结合，引起细菌代谢障碍而死亡。应用：用抗菌纤维与其他纤维混纺或交织，可制作各种内衣、床上用品、袜子、护士服及公用纺织品等。抗菌性沸石：由具有抗菌性的银、铜、锌等金属离子置换天然或合成沸石中部分可进行离子交换的金属离子(如铝、钠等)制成的。其抗菌机理在于抗菌性离子及活性氧向微生物细胞扩散，造成细胞内蛋白质的构造破坏，使新陈代谢不能进行而实现抗菌作用。2．消臭纤维工作原理：吸收已经产生的臭气，达到净化空气、创造舒适环境的目的。具有消臭功能的陶瓷微粉主要包括活性炭、氧化物、氯化物、碘化物、硫酸盐等。3．香味纤维工作原理：在纤维中添加香料，使纤维具有香味。特点：香味纤维多为皮芯复合结构，皮层为聚酯纤维，芯层为掺有天然香精的聚合物，所用香精以唇形科熏衣香油精或柏木精油为主，也可采用微胶囊的填充或涂层的方法。应用：香味纤维除清新气味外，同时具有去臭、安神等作用，可以达到创造舒适环境的目的。(五)保温纤维1．蓄热保温纤维定义：一种可吸收太阳辐射中的可见光与近红外线，且可反射人体热辐射，具有保温功能的阳光蓄热保温材料。特点：它以添加Ⅳ族过渡金属碳化物为主。2．远红外纤维制成方法：大多数陶瓷微粉都具有发射远红外线的功能，把它填充到纤维中，则可使纤维在一定温度下能发射7～14um的远红外线给予人体。工作原理：它所载的能量易为人体内水分子共振吸收，使人体局部产生温热效应，促进血液循环；且由于共振作用，还改善了生物大分子的活性，起到了调节肌体代谢、提高人体免疫功能的作用。应用：远红外纤维中使用最多的陶瓷粉是金属氧化物，其中以氧化铝、氧化镁、氧化锆为好，有时也使用二氧化钛和二氧化硅。(六)自发光纤维与光导纤维1．自发光纤维(蓄光式自发光纤维)特点：以涤纶、丙纶或锦纶的聚合物与发光剂一起制成。它能吸光--蓄能--发光，在吸收自然共混光30min后，可持续发光8～12h。发光剂为磷中加锶等成分，或是在硫化锌中加有铜和一些专利材料，或是硒土系列化学品。应用：自发光纤维广泛用于服饰及装饰领域中，可制作服装面料、剧院地毯、飞机内织物、捕鱼行业中的带、绳索以及救生器材等。2．光导纤维---光纤将各种信号转变成光信号进行传递的载体，是当今信息通讯中最具发展前景的材料。特点：其传输信息量大、抗电磁干扰、保密性强、质量轻。分类：高纯石英掺杂P、Ge等元素组成的石英光纤是光纤的主体；氟化物玻璃光纤，基本组成为ZrF4一BaF2～LaF3三元系，理论损耗为10-2～10-3dB／km，美国海军实验室已获得波长为2.55um的、耗散损耗为0.025dB／km的氟化物玻璃光纤，是极具发展前景的光纤；高聚物光纤，是以透明高聚物为芯材，折射率比芯材低的高聚物为包覆层组成的光纤。(七)形状记忆纤维定义：热成形时(第一次成形)能记忆外界赋予的形状(初始形状)，冷却时可任意形变，并在更低温度下将此形变固定下来(第二次成形)，当再次加热时能可逆地回复原始形状。根据外部环境变化，促使形状记忆纤维完成上述循环的因