我院万志琴老师承担的市科技计划项目通过验收和鉴定

惠州市科技局副局长陈湉、我院科技处处长罗恢远等参加了项目验收、鉴定会。会后,杨小清副院长会见了专家组成员。

一、前言
近年来,随着人们生活品质的提高,功能性的纺织品备受广大消费者的青睐,采用吸湿排汗纤维与棉纤维为原料,开发具有吸湿排汗性能的针织内衣产品,可以很好的结合合成纤维疏水性强和棉纤维的保水性好的特点,具有巨大的开发前景。一些吸湿性好的纤维也是一种新型的功能性纤维,采用全新的纤维截面形状设计,高异形度的四通道纤维断面结构及蓬松的纱线结构,使纱线增加了毛细管作用,使织物由于纤维上或纤维间的毛细通道,产生芯吸作用使其能够快速吸水、输水、扩散和挥发,从而保持人体皮肤的干爽。同时,由于聚酯纤维在湿润状态时也不会像棉纤维那样倒伏,所以始终能够保持织物与皮肤间的微气候状态,达到提高舒适性干爽性的目的。而在开发吸湿性纤维方面,美国杜邦、韩国和日本帝人公司起步较早,并取得了相应的专利。目前,台湾的一些化纤厂商也都相继开发出了各具特色的具有吸湿排汗功能的异形涤纶纤维。他们都是通过纤维截面异形化来增加毛细管作用,使织物由于纤维上或纤维间的毛细通道,产生芯吸作用而具有干爽导湿性能。芯吸作用愈大,导湿性能愈好。涤纶产品由于它的疏水特性而在对吸湿性或吸水性要求较高的领域中的应用受到了限制。对这一疏水性涤纶纤维赋予其吸湿性,可采用在聚合、纺丝阶段与亲水性组分共聚或共混的原丝改性方法,或对编织物进行化学加工和物理加工的后整理改性方法。通过改性了的涤纶纤维织物就会具备了天然纤维吸湿性好,穿着舒适的优点,也会彻底解决天然纤维因存在当人体排汗量较大时,衣服会紧贴身体,令人感觉湿冷的缺点。
二、吸湿排汗聚酯纤维发展演变过程
早在1982年初,日本帝人公司就开始了吸水性聚酯纤维的研究,研制的中空微多孑L纤维在1986年申请了专利;1986年美国杜邦公司首次推出名为“Coolmax”的吸湿排汗聚酯纤维,纤维外表具有4条排汗沟槽,可将汗水快速带出,散发空气中,制成的衣料洗后30min几乎已完全干透,夏季穿着仍能保持皮肤干爽;1999年杜邦公司结合研发的低处理剂用量快干特性的专利技术,推出升级换代CoolmaxAim系列布料。自从杜邦公司推出吸湿排汗功能的Coolmax后,台湾省的许多纤维生产商依托自身的技术开发优势,相继研制、开发具有吸湿排汗性能的纤维。台湾省远东、华垄中兴、豪杰等主要纺织原料供应厂商,先后投入巨资开发具有吸湿排汗功能的相关产品,远纺开发研制成功的Topcool十字型截面吸湿排汗纤维,中兴纺织出品的十字断面Coolplus新型高科技功能性改性聚酯纤维,台湾豪杰股份集团研制开发并生产的Technofine吸湿排汗聚酯纤维,该纤维拥有W型特别断面结构,能大幅提升吸湿速干的功能。德国BASF公司申请了吸湿排汗纤维专利,该专利是利用改进喷丝孔和选用PET,PA双组分复合共纺的方法,使纤维吸湿排汗性能具有持久性。*近日本东洋纺公司还开发了呼吸的聚酯织物“Ekslive”,它是通过聚合法把一种“神秘粉末”,利用化学键接的方式连接到聚酯纤维上,通过吸湿排除热量,改善织物的饱和吸水性。它具有“活跃吸湿”、“活跃释放”“自干”的性能,在服装领域内创造出了一种舒适的微气象。日本KomatsuSerien公司通过蚕丝化合物接枝聚合改性得到吸水排汗聚酯纤维。此外,日本帝人公司还利用独特的化学方法。将一种高吸湿性物质的丝蛋白,涂在吸水性纤维上,研发出“吸湿性纤维”。此种纤维比吸水性纤维更具有吸汗快干的效果且有极佳的干爽感。日本帝人公司将此种纤维命名为“Wellkey?MA”纤维,其织物的吸汗快干特性,比普通聚酯纤维强l0倍。另外,丝胶朊是氨基酸,用它整理过的织物,贴身穿着时会被皮肤吸收,并有保护皮肤的效果。日本日经新闻曾介绍,丝胶朊对遗传过敏性皮炎有疗效,能抑制人体内有机物的氧化。Aerocool中文名为“艾丽酷”,是韩国晓星公司开发的一种具有良好吸湿排汗功能的新型聚酯纤维。参照“苜蓿草”的四叶子形吸湿排汗程序,利用纤维表面的细微沟槽和孔洞,将肌肤表层排出的湿气和汗水经由芯吸、扩散、传输的作用,瞬间排出体外,使肌肤保持干爽和清凉。韩国东国贸易株式会社利用纤维表面异型截面的毛细管现象以及比表面积大的特点,研发出I-COOL系列吸湿排汗纤维。目前杜邦的Colmax、台湾远纺的Topcol、台湾豪杰的Technofine、中兴纺织的Colplus等吸湿排汗纤维,都已有较大的产能,开发了系列的长丝和短纤产品,特别是台湾几家公司的产品功能价格极具竞争力,产品投入市场多年。相比而言,中国大陆吸湿排汗聚酯纤维开发无论在时间还是技术上都存在一定的差距,近年由于市场兴起“吸湿排汗”纤维开发和应用的热潮,加上后道织物产品开发对吸湿排汗纤维需求的增加,引起内地一些研究机构和纤维生产商的极大关注。目前市场上的吸湿排汗纤维有仪征化纤的“H”形截面Colbst纤维,顺德金纺集团与东华大学合作开发的Colnice异形截面涤纶纤维,泉州海天轻纺有限公司开发的Coldry五叶形截面聚酯纤维,江苏仪化宇辉公司(原仪征化纤涤纶五厂)生产的具有表面沟槽的异形吸湿排汗聚酯长丝”FCLS-75”等。还有仪征化纤股份有限公司聚酯短纤中心研制的CoolBST填补了国内差别化短纤的一项空白。该厂生产的CoolBST纤维产品采用全新的十字形的纤维截面形状设计,将毛细管原理成功地运用到纺织品表面结构,使其能够快速吸水、输水、扩散和挥发,从而保持人体皮肤的干爽。同时,由于聚酯纤维具有较高的湿屈服模量,在湿润状态时也不会像棉纤维那样倒伏,所以始终能够保持织物与皮肤间的微气候状态,达到提高舒适性的目的。因此,具有卓越的吸湿排汗性能。
三、吸湿排汗纤维理念
吸湿排汗纤维是利用纤维表面微细沟槽所产生的毛细现象使汗水经芯吸、扩散、传输等作用,迅速迁移至织物的表面并发散,从而达到导湿快干的目的。可以说,毛细管效应是*常用也是*直观的一种方法,可以表现织物吸汗能力以及扩散能力。也有人将吸湿排汗纤维称谓“可呼吸纤维”。其实,吸湿排汗纤维是着眼于吸湿、排汗特性和衣服内的舒适性的功能纤维。关于吸湿、排汗性的赋予以前是以天然纤维和合成纤维的复合为主流,用途只在狭窄的范围内开展,现在则以中空截面纤维或异形截面纤维之类使纤维自身特殊化以及吸湿、排湿聚合物共混的加工方法为主流。
目前,市面上的吸湿排汗织物可采用如下技术得到:异形断面纤维、中空微多孔纤维、多层织物、亲水剂涂布以及对纤维进行表面改性等等。特别是中空微多孔吸水性纤维的开发意向已经逐渐在化纤界应运而生,化纤*尝试以化学方法或物理方法将聚合物分子构造亲水化,或将纤维表面粗糙化、异形化和细孔化,使疏水性的合成纤维转变成亲水性的聚酯纤维,让汗气与汗液,可以通过衣料快速吸收水份,并进而向体外逸散,以达到清爽舒适感。
四、影响聚酯纤维吸湿性的主要因素
纤维的吸湿性受纤维微观结构,即纤维大分子的化学结构和结晶状态的影响;受纤维形态结构,即纤维内部微孔、缝隙和纤维间的毛细空隙的影响。此外,也受环境温湿度条件的影响。
1.纤维中亲水性基团性质和数量
纤维结构中亲水基团是影响吸湿的主要因素。常见的亲水基团有羟基,氨基,酰胺基,羧基等。这些极性基结合水分子的能力的差异见下表1所示。纤维中游离的亲水基团越多,基团的极性越强,纤维的吸湿能力就越高。天然纤维无论是植物纤维或动物纤维中都含有较多的亲水基团,因而天然纤维吸湿率都比较高。而涤纶等合成纤维吸湿率相对较低,这是由其纤维大分子缺少亲水基团所造成的。
表1 极性基*大可能的配位水分子 极性基团*大配位水分子数 一OH3 一COOH4-5
一NH23 一NH2 C=O2 N=1 2.纤维中结晶区和无定型区的作用
纤维微观结构中结晶区和无定型区对纤维的吸湿性能也有较大影响。纤维中的大分子在结晶区中紧密地聚集而形成有规则的排列,在此结晶区内,水分子不容易渗人其中。因此,纤维的吸湿主要发生在无定型区。除了结晶度影响纤维的吸湿性以外,在同样结晶度的情况下,一般晶区越小,晶粒表面积越大,晶粒表面未键合的亲水基团也就越多,纤维的吸湿性也就越强。
3.纤维的表面和截面形状
纤维表面有微小凹凸或截面结构呈不规则形状的纤维吸水性好。这是因为纤维光滑完整的表面形状的改变,不仅使比表面积、水分子亲和力增大,而且利用微孔毛细吸水原理,使纤维间空隙保持的水分也增加。因此,异形纤维和表面凹凸化的纤维其吸湿率和保水率总是高于同组分的圆形截面、表面光滑的纤维。
4.环境温湿度
温度对聚酯纤维的平衡吸湿率影响程度较小,而环境的相对湿度对纤维的吸湿能力影响较大。总的来说,相对湿度增大,回潮率增大。
五、吸湿排汗聚酯纤维的主要加工技术方法
从文献报导看,主要是通过化学改性和物理改性的方法赋予涤纶纤维较高的吸水性、输水性,以提高涤纶织物穿着的舒适感。
1.物理改性方法 1.1多孔中空截面纤维
中空微孔纤维通常是指芯部有中孔,皮层有微孑L的差别化纤维,其中有部分微孔成为从表面到中空部分的贯穿孔。当涤纶织物与汗水接触时,在毛细效应作用下,一面从内侧贯穿孔将汗水输向中孔并沿中空部分分布,一面又通过外侧微孔向空气中蒸发,因而吸水迅速,保水率、输水率高、透气性好,较好地满足了穿着舒适性的要求。这种纤维的生产除了利用异形孔喷丝板直接纺丝或采用复合纺丝法纺制双组分皮芯纤维得到中孔外,其微孔结构的形成是向普通聚酯中添加成孔改性剂,使它均匀分布在聚合物中。经熔融纺丝后,于织物整理阶段再用碱将它溶解出来,纤维上就留下了许多微孔。如由日本帝人公司开发销售的多孔中空截面聚酯纤维属于化纤表面到中空部分有许多贯通的细孔的聚酯中空纤维,其生产工艺是先与特殊的微孔形成剂共混,然后再将其溶出。该纤维以优良的吸湿排汗功能和表面粗糙的风格,用此纤维织造的织物深受消费市场所接受,同时也成为长久热销的新材料。还有台湾工研院化工所也针对合成纤维不易吸汗的缺点进行改良,研发出中空微多孔干爽纤维,并以HydroPore取得商标。HydroPore纤维的制备,也是利用普通聚酯和孔洞成形剂的微相分离原理,但纺丝工程与WellkeyFilament纤维的制程不同,它是先制备成预取向丝,再延伸成全深牵丝,*后给予空气变形加工处理成具蓬松性的空气变形丝,*后再用适当的碱处理制备而成。HydroPore织物的吸汗速度和干燥速度,分别为棉织物的1.5倍和2倍;与同等级的WellkeyFilament织物相比,HydroPore织物的吸汗速度和干燥速度,并不亚于WellkeyFilament织物。这种机能性健康纤维织物能将汗水快速吸收然后向外逸散,主要应用在运动服与休闲服上,让喜好户外活动的朋友可以随时保持干爽舒适。该化工所研发的中空微多孔干爽纤维是使用特殊的纺丝制程,让纤维的内外管壁均具有细长沟槽,并形成类似神经网络形态的孔洞分布,流汗后汗水可以很快进入纤维内部的沟槽,并透过沟槽与孔洞迅速蒸发,让人体有干爽清凉的舒适感。化工所成功开发此种新型的中空微多孔纤维为台湾首创,主要原理是运用物理的虹吸现象来提升合成纤维的吸水性,也就是将纤维表面粗糙化、异形化、细孔化,并增加纤维表面积来达成衣料吸汗、快干的目的。
1.2芯鞘结构纤维
吸水性纤维中著名的品种有德国拜耳公司开发的材料,它是芯鞘二层结构。在芯部沿纤维轴方向并列许多细孔,鞘部中有许多导管使芯部与纤维表面相连接,被吸收的水份在芯部多孔质中被有选择地保留,纤维的表面则成为干燥的状态。此后,日本的钟纺、三菱人造丝等公司也相继开发了类似的吸水性产品。一般情况下,在聚酯纤维中可制作出直径0.01~3微米的大量微细孔,从而得到高吸水率品种。
1.3导湿干爽型涤纶长丝
金纺集团开发的导湿干爽型涤纶长丝,通过改变纤维截面形状使单纤之间的空隙增大,比表面积的增大及毛细管效应使其导湿性能大大提高,采用该纤维生产的织物导湿性能、水分扩散性能极佳,与棉等吸湿性好的纤维搭配,采用合理的组织结构,效果更好,制成的服装穿着干爽、清凉、舒适。适用于针织运动服装、机织衬衫、男女夏季服装面料、涤纶丝袜等等。
1.4原料共混纺丝
采用含有亲水基团的聚合物与聚酯共混进行纺丝的方法,同时采用特殊设计的异形喷丝板研制生产吸湿排汗纤维,如可选用带有吸湿基团磺酸盐的改性聚酯及其常规聚酯的共混物等原料进行吸湿排汗纤维的生产。
1.5双组分复合共纺
该方法是将聚酯和其它亲水性聚合物,用双螺杆进行复合共纺,研制具有皮芯复合形式的异形截面的新型吸湿排汗纤维,对其吸水性和外观进行改善。通常将具有亲水性材料作为共纺复合纤维的芯层。将具异形截面的常规聚酯作为复合共纺纤维的皮层,一般亲水性材料选用以聚醚改性聚酯和亲水改性聚酰胺为多,2种组分分别起到了亲水吸湿和导湿的作用,使得该种复合纤维具有吸湿、导湿的双重功能.达到吸湿排汗的目的。
1.6超细涤纶纤维
细旦纤维织物表面立起的细纤维形成无数个微细的凹凸结构,相当于无数个毛细管。因此,织物芯吸效应明显增加,能起到传递水分子的作用,大大改善织物的透气性和输水导汗性。在同样线密度的丝束中,由于超细纤维单丝根数比普通纤维多,从而改变了织物密度。而织物的吸水作用是通过3个途径进行的,即通过纤维自身的微孔、纤维表面及纤维间隙所形成的毛细管。因为超细涤纶纤维比普通涤纶织物结构细密,纤维间隙小,极易形成毛细现象而吸水。
2.化学改性法 2.1亲水性基团接枝共聚
在涤纶分子的构造中,引人醚键、羟基、磺酸基团等亲水性基团,在大分子上进行接枝共聚,从而增强涤纶的吸湿性。由于涤纶分子链结构具有紧密的敛集能力和高的结晶度,并且大分子上没有活性基团,接枝共聚要在放射线、电子线等强烈辐射引发条件下才能进行。接枝共聚的改性纤维,吸湿率可达4%-13.4%,但成本高,在对原料进行化学改性的同时,为了达到良好的导湿性能,往往还需要采用适当的纺丝工艺或其它处理方法,使得纤维具有多孔的结构和更大的比表面积等。
2.2亲水性化合物进行涂层处理
涤纶的疏水性除与化学结构有关外,与其表面组成也有很大关系。用亲水性整理剂对纤维进行涂层处理以改变涤纶的疏水表面层性能,是应用较广的方法。国内外已经推出了多种以亲水性为主,兼有防污、抗静电性能的整理剂。但是这种方法常因亲水剂与纤维结合不牢导致吸湿没有耐久性,经过洗涤,吸湿功能会渐渐降低。采取一定的加工方法能够减少这种弱点。
2.2.1亲水性化合物制备共熔结晶型聚合物
为使纤维表面亲水化,可用亲水性高分子物质覆盖,但要有耐水洗性能。亲水加工剂苯二甲酸的苯环与酯键和聚酯纤维有完全相同的结构。因此,使用这种亲水加工剂处理后进行加热时,具有相同结构的部分接近于熔合状态,冷却后进人聚酯纤维的结晶结构之中形成共熔结晶,获得耐久性,一般采用聚乙二醇链段获得亲水性。
2.2.2丝胶朊聚酯
真丝的丝胶朊是一种高吸湿性蛋白,用化学方法提取后,将它牢固地附着于聚酯纤维分子上,也可实现功能转移。
六、吸湿排汗织物的制造方法
吸湿排汗织物早期都以针织类贴身衣着为主,现在梭织布料也大量采用异形断面纤维,藉以提升布料吸汗能力,创造产品附加价值。因为在酷热的天气或运动的情形下,汗水淋漓,使用吸湿排汗布料的衣服将发挥更好的排汗功能。吸湿排汗功能指是藉由异形断面纤维、组织结构或添加吸湿化学剂于布料中,以提升织物的吸湿排汗速度。此种机能性织品主要以具有毛细功能特性的纤维或吸湿剂将皮肤表面上的汗水快速吸附传递至织物表面,*后经由织品表面的扩散作用与空气对流,达到快速蒸发与干燥的功能。使身体能保持干爽,兹将吸湿排汗织物的制法说明如下。
1.以异形断面纤维制成
美国杜邦公司*早推出吸湿排汗六角凹槽纤维Coolmax,台湾化纤厂推出的吸湿排汗纤维包括南亚—Delight、远东—Topcool、力丽—Coolbest、中兴—Coolplus、新光—Cooltech、华隆Coolon都是十字、Y字或工字形断面纤维,而豪杰公司代理日本旭化成公司所生产的W型聚酯纤维Technofine亦属利用纤维表面积的增加,使汗水更容易蒸发达成吸湿速干的功能。
2.以亲水剂处理创造吸湿功能
直接将布或纤维施以吸水性柔软剂后加工处理常用于吸水性差的合成纤维上,而另一种纤维表面改质技术亦是达到纤维吸湿的方法之一,这种纤维表面改质是以增加纤维化学结构上的亲水基数目,达到快速吸湿目的。例如:AKWATEK亲水化加工所创造的吸湿功能具有与前处理异形断面纤维一样的持久效果,原理是利用电气化学方法传导湿气,在处理过程中使纤维经过化学改变,属于*性加工。
3.多层吸湿排汗织物
世界杯足球赛许多队员身上穿的是内层吸湿排汗异形断面PP纤维与外层羊毛复合而成的双层织物球衣,让球员踢起球来拼劲十足。这种构想乃从杜邦公司推出Tactel.Aquator采用内层尼龙6,6纤维、外层为棉的双面织物开始盛行。吸湿性表示织物吸水的能力,可用吸湿高度及水份扩散能力表示,排汗性表示织物干燥能力,可用水分干燥速率来表示。目前品牌商通常对吸湿排汗织物的要求标准为吸湿高度8cm以上/15min,水份扩散能力2秒以下。
七、吸湿排汗聚酯纤维的发展前景
随着时间的推移和技术的发展,吸湿排汗功能性纤维的织物优异的性能越来越被人们所青睐,应用领域越来越广泛,预期在未来的一两年中将得到蓬勃的发展。国外大公司对吸湿排汗纤维制品全方位的研究开发,包括从纤维、染色、织布、整理和成衣,将进一步推动生产技术的发展和完善,产品的性能和品质也将进一步得到提高,吸湿排汗纤维将成为一种新型的聚酯纤维升级换代产品。吸湿排汗聚酯纤维目前在国内尚在发展中,预期将会有很大的成长。未来,吸湿排汗聚酯纤维物除了用在运动服、休闲服、内衣裤之外,将朝多用途发展,如衬衫、西装、军用品、医疗、家具、鞋类等。吸湿排汗聚酯纤维还可以通过与抗菌纤维、抗紫外线纤维、棉、远红外线纤维等混纺,使它具有多种功能,可获得更加广阔的应用空间。可以预见,吸湿排汗聚酯纤维及其面料可以被拓展至中高端市场,提高纺织产品的市场定位,增强国内企业参与国际竞争的能力。新型吸湿排汗聚酯纤维的开发及其相关织造技术的发展为设计舒适服装提供了更多的选择。展望未来,吸湿排汗聚酯纤维具有良好的市场发展前景。值得一提的是:根据*预测到2010年的时候,外出休闲服将引导运动休闲市场达30%的成长率,因此在运动服和休闲服的方面,未来市场发展潜力无限。对于未来,预计对其吸湿排汗纤维特性将进一步强化,需求也将进一步扩大,吸湿排汗纤维的前景也因此而看好。

本网讯(科技处供稿)

惠州市科技局聘请五邑大学、华南农业大学等高校的专家作为该项目验收和鉴定的评委。专家组听取了项目负责人的工作报告、技术报告、成果查新、用户使用意见等相关材料汇报,观看了项目产品。经认真讨论,一致认为:该项目通过对吸湿排汗理论的系统研究,开发了Coolplus®舒适性针织物。通过对材料、整理剂、助剂等材料的筛选,将国外Ciba
ULTRAPHIL
HSD®新型环保吸湿排汗整理剂应用于Coolplus®涤纶疏水性织物的整理中,形成了涤纶织物吸湿排汗舒适性整理的工艺技术,且工艺技术基本成熟稳定,具有良好的应用价值,这一研究对指导实际工业化生产和应用具有重要意义。该项目技术创新性明显,达到了国内先进水平。

据悉,惠州市科学技术进步奖每两年评选一次,此次共评出科学技术进步奖一等奖6项、二等奖17项、三等奖25项。一、二、三等奖的奖金分别为5万元、2.5万元、1.5万元。

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