第四课 面料用功能性纤维
大多数特种纤维都是为特定的最终用途而开发的。其中许多都使用了专用和高性能纤维这两个描述性术语。高性能纤维占有纺织市场的很高的增长份额。
一、碳纤维——Carbon fiber
关键词：质轻、高强、导电、耐高温、耐酸耐油、昂贵
碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。是制造航天航空等高技术器材的优良材料。美国、日本和西欧是碳纤维的主要生产国。
碳纤维的主要特征是导电、高强、质轻、耐酸耐油
1.主要性能特征
（1）导电性能良好。
（2）比重轻，密度是钢的 1/4，是铝合金的 1/2 。
（3）强度高，抗拉强度在 3500 MPa 以上，比强度为钢的10 倍。
（4）模量高，弹性模量在 230 GPa 以上。
（5）耐超高温，在非氧化气氛条件下，可在 2000℃时使用。
（6）耐低温，在-180℃低温下，碳纤维依旧具有弹性。
（7）耐酸、耐油、耐腐蚀、耐久性强。
（8）热膨胀系数小，导热系数大，耐急冷急热，即使从 3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。
9.耐磨性好。
2.在特种作业服装面料中的典型应用
碳纤维在服装面料上，并非单一组分使用在服装上，导电能力取决于碳纤维是否能相互接触形成导电通路。导电碳纤维是一种高导电性材料，其综合性能优异，而是采用混纺、嵌织的方式，兼顾功能性和服用舒适性。
（1）导电作业服：用作精密仪器使用场合的工作服、加油站、油漆喷漆、化工车间电工操作服等。
以夏季防静电衬衫面料为例：如图1-39，坯布采用专用涤纶长丝，经向和纬向嵌织导电纤维，经特殊工艺织成。如果剪刀小心地沿着黑色导电纤维的边缘将面料剪开，并将这黑色的导电纤维分离出来，用放大镜观察，其中有3根比较粗的碳纤维，并用表面电阻测试仪测一下分离出来导电纤维的电阻。电阻为5-9Ω。
导电绸选用的是碳素有机导电纤维，是黑色20D/5F纤维。坯布规格为网格状
组织：1/2斜纹
经线：100D/48F涤纶FDY+20D碳纤维，纬线：100D/48F涤纶FDY+20D碳纤维。
经、纬密度：62×32根/cm。克重：122g/m2
图1-39嵌碳素纤维导电布
注1-8.FDY是指全牵伸丝，特点是丝平直、亮、无卷曲；100D/48F是指涤纶单丝根数为48根，总纤度为100D；20D是碳纤维的纤度；克重是指每平方米122克。
在化工、油漆车间和电工场所的含导电碳纤维的工装应用如图1-39至1-42。
图1-40化工作业服 图1-41喷漆作业服 图1-42电工作业服 图1-43电焊作业服
（2）电焊作业服：利用碳纤维的耐高温特性可以制作电焊作业服，如图1-43。
此外，碳纤维价格昂贵，高强、质轻，单位重量的强度很高，纤维强度取决于纤维的取向度，碳纤维复合材料可以在某个方向上更强，或者在所有方向上都一样强。一个小零件可以承受许多吨的冲击力，并且变形最小。纤维的复杂交织的特点使其很难断裂。这种特性用于汽车、船只、自行车和飞机，包括流行的一级方程式赛车。高强、质轻、耐高温的特性在航空航天领域也有广泛的应用， 国际市场上：日本处于绝对优势，三大巨头分别是东丽、东邦和三菱，2020年三家在丙烯腈基碳纤维（碳纤维主要品种）全球销量市占率达50%以上。
二、金属纤维——Metallic fiber（M）
关键词：防电磁辐射、导电、强韧、金银丝装饰
金属纤维一般均达微米级，如不锈钢纤维一般直径在10μm左右，且市场供应的细不锈钢纤维平均直径为4μm。
1.主要种类
(1)金属箔和有机纤维复合纤维（金银丝）：我国生产的铝/涤复合纤维即属此类，也是具有代表性的一种。铝具有较好的导热性、导电性、抗氧化性，密度小，且熟铝的延展性好，可制成薄膜丝，与涤纶丝复合。铝箔丝最初应用于镶嵌装饰或工业方面，在我国有“金银丝”之称。
(2)金属化纤维：有机纤维表面镀有镍、铜、钻之类的金属物，并用丙烯酸类等树脂保护膜，日本称为金属化纤维。据介绍，经纺织加工成屏蔽布，由于它有导电性，也可用来制作抗静电织物等，但尚存在金属膜的牢度问题，尤其要考虑相应的耐洗涤性能。
(3)纯金属纤维：具有本质意义的金属纤维，是全部用金属材料制成的纤维，如用铅、铜、铝、不锈钢等制成的纤维，是应用开发的基础。
用铅制成的铅纤维质软而密度大，有着极为广泛的用途，如隔音、防振、防放射线侵害及电池材料。铜纤维具有优良的导电性、导热性，可用于制备导电织物、导电服等产品。不锈钢纤维是用不锈钢丝拉伸而成的纤维，柔韧性好，有良好的机械性能和耐腐蚀性，完全耐硝酸、磷酸、碱和有机化学溶剂的腐蚀；耐热性好，由不锈钢纤维织成的织物，其电阻随温度的提高而降低，有很好的纺织应用性能。
2.主要性能特征和应用
（1）具有很好的导电性，能防静电。
如果采用金属短纤维混纺，重量混纺比应在10%以下；如果采用金属纤维长丝，重量混纺比在2.5%以下，即可达到完全消除各种摩擦、感应等静电。
（2）防电磁辐射.金属纤维嵌入织物中，可使其达到良好的电磁波屏蔽效果,可以用作孕妇防护服。
（3）断裂比强度和拉伸比模量较高、可耐弯折、韧性良好。
（4）耐高温性能；不锈钢纤维、金纤维、镍纤维等还具有较好的耐化学腐蚀性能，空气中不易氧化等性能。
（5）服装应用：金属丝面料如图1-44，服装应用如图1-45。
图1-44金属丝面料
图1-45金属丝面料的时装应用
三、芳纶——凯夫拉Kevlar
关键词：超强韧、耐高温
上世纪60年代，美国杜邦公司研制出一种新型芳纶纤维复合材料——芳纶1414，此芳纶复合材料注册商标为Kevlar，型号分为K29，K49，K49AP等。
主要性能特征和应用
1.强度高、韧性好
具有极高的韧性，伸长率很低，只有4%左右。强度约为22克/旦，是同等重量钢丝强度的五倍多，是高韧性工业尼龙、聚酯或玻璃纤维强度的两倍多。
2.回潮率约为7%。
3.耐热性能优越。在暴露于260℃的温度后保持高百分比的强度，560℃的高温下不分解、不熔化，热收缩率低、热稳定性好。
4.对位芳纶纤维质量轻、高模量、耐酸碱。
Kevlar有多种应用。用途之一防弹衣。用“凯夫拉”材料代替尼龙和玻璃纤维，在同样情况下，其防护能力至少可增加一倍，并且有很好的柔韧性，穿着舒适。用这种材料制作的防弹衣只有2～3公斤重，穿着行动方便，所以已被许多国家的警察和士兵采用。此外，利用那凯夫拉纤维的优异的耐热性，可以制作消防防火服、电焊防氩弧服。主要防护服装应用如图1-46
图1-46凯夫拉在消防服、防氩弧焊服、防弹衣的应用
四、甲壳素纤维——Chitin fiber
关键词：抗菌、止血、消炎、保健、吸湿、透气
甲壳素是从虾壳、蟹壳和节肢动物中提取出来的一种多糖物质，称为壳聚糖，资源丰富，可再生，能溶于浓盐酸、硫酸和乙酸，不溶于碱及其他有机溶剂，也不溶于水，甲壳素具有许多天然的优异性质，如吸湿透气性、生物相容生物可降解性、抗菌性等。主要性能特征和应用如下：
1.抗菌性：壳聚糖具有广谱抗菌性，对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌和乳酸杆菌等常见菌种都有明显的抑制作用。壳聚糖纤维棉织物和甲壳素纤维涤棉混纺织物对大肠杆菌的平均抑菌率均高于 95%，对金黄色葡萄球菌的平均抑菌率均高于 98%。
2.断裂强度大于1.5CN/dtex。
3.线密度 1.4dtex。
4.回潮率≤ 15％。
主要特征图文如图1-47。
图1-47 甲壳素纤维的主要特征
5.主要应用：甲壳素纤维制成的面料，柔软舒适、富有弹性，同时具有良好的抗菌作用，广泛用于抗菌袜、抗菌内衣、口罩、运动服、婴儿服等产品，深受消费者的青睐。甲壳素纤维还可以与棉、麻等纤维进行混纺，广泛用于制备床单、被套、毛毯等床上用品及毛巾、餐巾等家纺产品，如图1-48至1-50
图1-48 含8%甲壳素纤维的内裤 图1-49甲壳素纤维口罩 图1-50甲壳素纤维口罩
此外，由于壳聚糖纤维具有良好的生物相容性和广谱抗菌性，已完全达到了医用领域医用材料的标准，因此广泛用于手术缝合线。还可用于卫生巾、纸尿裤等卫生产品等。
五、石墨烯纤维—— Graphene fiber
关键词：导电、阻燃、抗菌、抗紫外线
石墨烯纤维是将石墨烯原料以物理或化学方式附着到其他纤维类材料中制成的，石墨烯材料通过纺丝成型或纺织后加工整理到传统纺织纤维的内部，可使纺织纤维获得功能化特性，从而制备多种具有不同性能的纺织品。主要性能特征和应用如下：
1.抗菌性：石墨烯纤维自带优异抗菌性，洗涤50次后，它的抗菌率能达到95%，同时具有抗螨功能。
2.吸湿、速干、保健：石墨烯纤维不仅有吸湿速干的特性，同时还能改善血液微循环促进新陈代谢。
3.石墨烯导电、阻燃、抗紫外线，如图1-51，自发热内衣等如图1-52。
图1-51 石墨烯自发热织物和保暖服装 图1-52石墨烯抗菌内衣用汗布
六、变色纤维——Chromotropic fiber
关键词：变色、光敏、温度敏感
变色纤维是一种具有特殊组成或结构的、在受到光、热、水分或辐射等外界条件刺激后可以自动改变颜色的纤维。
两种变色纤维及其应用
变色纤维主要品种有光致变色和温致变色两种。前者指某些物质在一定波长的光线照射下可以产生变色现象，而在另外一种波长的光线照射下(或热的作用)，又会发生可逆变化回到原来的颜色；后者则是指通过在织物表面粘附特殊微胶囊，利用这种微胶囊可以随温度变化而颜色变化的功能，而使纤维产生相应的色彩变化，并且这种变化也是可逆的。变色纱为低弹丝DTY 150D/48F或全牵伸丝FDY 75D/24F。
注1-9. DTY是低弹丝，也称网络丝，特点是丝弯曲有弹性，而FDY丝是平直亮。
如图1-53为光变绣花旗袍，用光变绣花线绣制，室内为白色，室外变为粉红色；图1-54光变欧根纱；图1-55光变童裙，室内外颜色不同。图1-56为温感变色面料和T恤衫。
图1-53光变色绣花旗袍 图1-54光变欧根纱 图1-55光变童裙
注1-9. 欧根纱是一种利用经、纬密度变化形成的局部透明或者半透明的丝绸类面料。
图1-56 温感变色面料和T恤衫
七、夜光纤维—— Graphene fiber
关键词：稀土、多色、夜光
稀土夜光纤维是利用稀土发光材料制成的功能性环保新材料。该纤维是以纺丝原料为基体，采用长余辉稀土铝酸盐发光材料，经特种纺丝制成夜光纤维。夜光纤维吸收可见光10分钟，便能将光能蓄贮于纤维之中，在黑暗状态下持续发光10小时以上。在有光照时，夜光纤维呈现出各种颜色，如红、黄、绿、蓝色等。在黑暗中，夜光纤维发出各种色光，如红、黄、蓝、绿光等。夜光纤维色彩绚丽，且不需染色，是环保高效的高科技产品。
夜光纤维在服装和家纺上的典型应用
夜光纤维不仅余晖亮度高、时间长、色谱光谱全，且具有良好纺织加工性能。夜光纤维采用低弹丝DTY或全牵伸FDY丝，具有弹性和延伸性好的服用性能，经合理的织物组织和经纬密配合，在保证舒适、透气基础上,还具有夜晚发光的功能性和装饰性的效果。夜光纤维具有以下服装或家纺面料应用：
1.绣花线：夜光纤维具有特殊的视觉效果,用于具有民族特色的刺绣工艺中,有利于刺绣品的创新,以提高其艺术、商业及观赏收藏价值。在服装设计中,服装绣花日益受到设计师和消费者的青睐。用夜光丝作为绣线,配以合适的图案,可以使服装更加美观和更具有个性；
2.家居用品和装饰品：装饰品的开发与应用家居用品方面；采用夜光纤维做成发光窗帘、拖鞋、地毯,即使在暗处仍然十分明显,便于人们的夜间活动.玩具的开发夜光纤维可用于各类毛绒玩具及其他玩具装饰品的设计中,比如玩具娃娃的皮肤、头发、眼睛、服装等,赋予玩具的形象面貌,供观赏和娱乐。夜光面料如图1-57，夜光蕾丝如图1-58，夜光夜跑鞋如图1-59。
图1-57夜光面料 图1-58夜光蕾丝面料 图1-59夜光夜跑鞋
八、形态记忆纤维——Polypropylene terephthalate PTT
关键词：智能记忆、形态稳定、聚酯PTT丝
PTT记忆纤维一次成型时能记忆外界赋予的初始形状和特性，定型后的纤维可发生任意形变，并在较低的温度下将此形变固定下来，当给予变形的纤维特定的外部刺激条件时记忆纤维还可回复到原始的形状状态，也就是说最终的产品具有对纤维最初形态记忆的功能，这是因为纤维呈弹簧螺旋状结构，如同有智能记忆元件。
PTT 纤维全名聚对本二甲酸丙二醇脂，和PET（聚对本二甲酸乙二醇脂）及PBT（聚对本二甲酸丁二醇脂）同属聚酯家族，PTT的结构如图1-60：
图1-60PTT的结构图
主要性能特征
PPT形态记忆面料融记忆性能和时尚感，提升面料的廓型稳定性、线条形态受力恢复性、手感活络性。
1.弹性可抗皱性，PTT纤维兼有涤纶和锦纶的特点，有较好的弹性恢复性和抗折皱性，手感滑爽。
2.洗可穿好，像涤纶一样易洗快干，并有较好的耐污性。
3.抗日光性好。
4.染色性好,比涤纶的染色性能好，可在常压下染色，色牢度好，对环境的污染较少。
5.耐磨性和拉伸恢复性好。
主要应用于男女风衣、男夹克、女士时装面料等。PTT面料如图1-61，服装应用如图1-62。
图1-61 PTT记忆面料 图1-62 PTT记忆面料服装
九、相变智能空调纤维——Outlast
关键词: 相变、固液转换、调温、冬暖夏凉
Outlast空调纤维可根据周边环境温度变化调节内部温度。当外部环境温度升高时，可储存一定的温度能量；当外部环境温度降低时，可释放热能，减小纺织品内部温度波动，持续使用具有舒适性，由美国Outlast公司开发。
空调纤维是美国太空总署为宇航员登月服装研发，后来发展到户外服装，如括滑雪衫、毛衣等，当环境温度在20-39℃之间时，可调节在25-30℃之间。
相变调温原理
空调纤维技术主要应用于腈纶纤维，空调纤维的原理：使用物体相变所产生的吸热和放热功能 例如水变成水蒸气就一定会吸收热量，我们称为相变反应，使用了固体——液体转变来实现的吸热和放热的功能，在纤维的生产过程中把PCM（纳米微胶囊）植入到纤维中，在温度达到一定值时，胶囊发生物理形态转化（固体--液体）从而实现吸热和放热功能，Outlast纤维图文简介如图1-63。
图1-63 Outlast纤维图文简介
Outlast空调纤维是一种新型“智能”纤维,具有双向调温功能。目前主要有Outlast睛纶和Outlast 黏胶纤维两个品种，纤维中含有微胶囊热敏相变材料碳化蜡，这种材料在相转变过程中可从周围环境吸收或释放大量的热量，从而保持自身温度相对恒定，其制成的工作装冬暖夏凉，使穿着在舒适的温度范围。
空调纤维技术关键在于是使用的相变材料和仿丝技术相结合。Outlast相变调温纤维服装面料特征如图1-64，服装应用和市场行情如图1-65。
图1-64 Outlast 空调纤维内衣特征
图1-65 Outlast相变调温纤维T恤衫和市场行情
十、吸湿发热纤维——Hygroscopic fever fiber，Dralon
关键词:吸湿、放热、保湿、防静电、抑菌、防霉、防臭、德绒
吸湿发热纤维是主动产热、放热的材料，与传统厚重的保暖面料相比，主动发热面料更加轻便雅观、保暖效果好，除用于日常保暖外，还可应用于防护急救、医疗卫生、智能穿戴等领域,目前市场上流行的德绒属于此类面料。
1.吸湿发热原理
吸湿发热纤维是气态转变液态放热而温暖身体的一种全新材料，吸湿发热纤维吸收外界环境或人体产生的水汽，形成氢键放出热量，水分子动能也转换为热能。日本的吸湿发热纤维研究较为成熟，包括Softwarm 纤维、N38 纤维、EKS 纤维等；美国研发有Outlast 纤维、Thermolite 纤维等;中国开发有共混纺吸湿发热黏胶纤维、改性发热腈纶。
利用吸收人体的皮肤呼吸出来气态汗转换水分放热的过程。吸湿发热纤维水分吸收到饱和状态，放热将停止。释放水分后，再次吸收水分，因此可以重复产生热量。
（1）毛纤维吸湿发热循环：羊毛的吸湿性是16%，发热纤维的吸湿性大概是羊毛的二倍。所以发热纤维保湿效果都会很好，吸湿发热纤维水分吸收到饱和状态，放热将停止。释放水分后，再次吸收水分，因此可以重复产生热量。吸湿转换-放热释放-吸湿转换-放热释放重复发热保湿。
（2）合成吸湿发热纤维。多通过增加纤维大分子链上的亲水基团，来提高纤维的吸湿性能，实现吸湿发热，如改性聚酯、改性聚丙烯腈等纤维，以及接入了高吸水基团的高度交联聚丙烯酸酯类纤维和亚丙烯酸盐系纤维等。也可以在纺丝过程中添加吸湿性强的单体进行共混纺丝制备，如吸湿发热黏胶纤维。
（3）吸湿发热纱线及织物仅通过吸湿发热纤维，难以实现兼具轻薄、透湿及
其他服用性能的吸湿发热服装。可将吸湿性较强的纤维与具有独特物理性能的纤维进行混纺，如铜氨纤维与超细旦抗起球腈纶混纺等，可以兼具吸湿发热及蓬松保暖等服用性能。用吸湿快干的聚酯、吸湿性好的黏胶、蓬松保暖的腈纶和弹力氨纶构成的吸湿发热内衣面料，兼具弹性、轻柔、吸湿发热、快干、透湿等性能，
2.吸湿发热纤维的性能
（1）吸湿发热：国内标准FZ/T73036-2010《吸湿发热针织内衣》规定了吸湿发热内衣应满足两项升温值指标，即最高升温值不低于４℃，30min内平均升温值不低于３℃。
(2)保湿性：纤维通常吸湿率都达到30%，纤维在湿润时候吸收转换水分，干燥时候就会释放水分。保存人体水分，皮肤干裂等有很好的改善作用。
(3)调湿、防静电性：纤维含水量高自然具导电的功能
（4）消臭性：吸湿发热纤维具有很强的消臭能力。
（5）抗菌性：纤维表面形成正电荷，破坏带负电细菌璧，细菌无营养来源。
（6）防霉性：霉菌是真菌的代表，有效地控制抑制霉菌的产生，合理配比可以产生防霉效果。15%吸湿发热纤维，通过SGS标准水洗十次测试，防霉的功能优良效果。吸湿发热纤维面料应用如图1-66。
图1-66吸湿发热纤维面料应用
目前市场上有很受欢迎的德绒，Dralon又称拜耳腈纶，是德国拜耳公司开发的所谓“自发热”的吸湿发热面料，以腈纶为主，会混纺一定比例的氨纶和涤纶，还会混纺一定比例粘胶纤维，使面料有一定的透气性能, 也称钻石绒面料。
应当指出：除了吸湿发热纤维，还有电能发热、光能发热、化学反应放热和相变放热纤维（参见相变调温纤维）。
