謝 婷 錢 娟 張佩華

1. 東華大學紡織學院，上海 201620;2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620

隨著全球氣候變暖問題的日益嚴峻和消費者對服裝熱濕舒適性要求的提高，涼爽功能紡織品的開發(fā)成為研究熱點。涼爽功能紡織品通過調(diào)控服裝與人體形成的微環(huán)境而提高服裝的穿著舒適性，具有節(jié)能和促進能源可持續(xù)發(fā)展[1-2]的優(yōu)點。目前，實現(xiàn)織物涼爽功能的途徑主要包括原料和織物組織結構的選擇與設計，以及采用功能助劑對織物進行后處理等[3-5]。

聚乙烯經(jīng)凝膠紡絲和熱拉伸后可成為具有高強度、低密度、抗沖擊、耐化學腐蝕、抗紫外線等特性的高性能聚乙烯纖維材料，且該纖維已進入規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)階段，廣泛應用于安全防護、航海、航空航天、醫(yī)療、建筑等工業(yè)用紡織品的制備中[6]。涼感聚乙烯纖維屬于本征導熱纖維，其導熱性能與超倍拉伸工藝有關[7-9]。與市場常見的涼感纖維，如異形涼感纖維和添加有導熱性良好的礦石類納米級母粒涼感纖維相比，涼感聚乙烯纖維在制備過程中無需添加功能性涼感顆粒，從而能確保原纖維固有的可紡性和力學性能[10]。研究發(fā)現(xiàn)，涼感聚乙烯纖維具有較高的人體紅外透過率，當環(huán)境溫度大于皮膚表面溫度時能夠加速皮膚的輻射散熱，因此，涼感聚乙烯纖維是制備涼爽功能紡織品的良好原材料。近年來，涼感聚乙烯纖維產(chǎn)量的增加和成本的下降也促進了其在民用領域的開發(fā)和應用[11]。

1 國內(nèi)外涼感聚乙烯纖維的涼爽功能機制

涼感聚乙烯纖維較高的人體紅外透過率和熱導率是其具有涼感的主要原因。紅外透過率是紅外輻射透過物體的能量占入射總能量的比值。熱導率(又稱導熱系數(shù))是指單位溫度和單位時間內(nèi)透過單位導熱面所傳遞的熱量，單位是W/(m·K)。目前，國內(nèi)外普遍通過測量蓄熱板向低溫織物試樣傳遞的最大熱流量，即瞬態(tài)熱流量峰值Qmax表征人體皮膚對織物的接觸冷暖感[12]。

1.1 人體紅外透過率

人體熱量主要通過傳導、對流、輻射、蒸發(fā)以及它們的耦合方式向周圍環(huán)境進行散熱和傳遞[13]。室內(nèi)環(huán)境的熱輻射占人體熱量損失的50%以上[14-15]。人體紅外輻射波長范圍為7.0～14.0 μm，峰值在9.5 μm附近，大多紡織材料在這一波長范圍內(nèi)有很強的吸收峰。聚乙烯僅含有C—C和C—H鍵，在3.4、3.5、6.8、7.3和13.7 μm波長處有狹窄的吸收峰，這些吸收峰與聚乙烯分子結構中亞甲基的伸縮振動、變角振動和搖擺振動有關。聚乙烯分子在7.0～14.0 μm波長范圍內(nèi)只有兩個狹窄吸收峰且遠離人體紅外輻射波長峰值。因此，聚乙烯具有較高的人體紅外透過率[16-17]

國內(nèi)外學者利用聚乙烯較高的人體紅外透過率開發(fā)了許多新型涼爽織物，如Hsu等[8]1021設計了一種納米多孔聚乙烯復合材料(PDA-nanoPE-mesh)，制備流程如圖1。聚多巴胺親水劑和棉網(wǎng)的添加提高了PDA-nanoPE-mesh的綜合使用性能。結果表明，PDA-nanoPE-mesh的人體平均紅外透過率高達78%，而傳統(tǒng)紡織材料的人體紅外透過率普遍低于10%。該復合材料也能對可見光產(chǎn)生明顯散射，減弱太陽能對織物造成的升溫作用(比同等厚度的純棉織物低2.0 ℃)，但其耐用性有待進一步研究。Hsu等[18]結合不同金屬的紅外透過率，通過改變?nèi)梭w經(jīng)織物向環(huán)境的輻射熱量，設計了一種由納米聚乙烯(NanoPE)和嵌入式雙層輻射體(碳層和銅層)構成的人體輻射式加熱/制冷雙?？椢?圖2)。該雙模織物貼近人體皮膚一側的NanoPE的厚度較小，織物溫度上升較快，外層紅外透過率高，織物向環(huán)境輻射的熱量大[19]。通過人體皮膚溫度模擬器測試發(fā)現(xiàn)[20]，在22.0 ℃的環(huán)境溫度下，將雙?？椢镏械奶紝映獯┲鴷r，人體的體表溫度比織物低3.1 ℃，將銅層朝外穿著時，人體的體表溫度卻比織物約高3.4 ℃。

圖1 納米多孔聚乙烯復合材料的制備流程

圖2 人體輻射式加熱/制冷雙?？椢?/p>

Song等[21]設計了一種由納米多孔聚乙烯薄膜和納米尼龍6串珠纖維層制成的納米聚乙烯/尼龍(PANF-PEMN)雙層織物，其結構如圖3所示。該PANF-PEMN雙層織物兼具較高的人體紅外透過率和可見光反射率、透氣及防水功能。測試結果表明，增加該雙層織物的厚度會增大其紅外輻射的光路，降低人體紅外透過率，增加其對可見光的反射率。在30.0 ℃環(huán)境條件下，PANF-PEMN雙層織物的降溫功能是棉、麻和奧戴爾纖維機織布的2.00倍[22]。Yang等[23]研發(fā)了一種由尼龍6和納米聚乙烯復合的雙層口罩，可在有效過濾空氣污染物的同時可提高其穿戴熱舒適性。

圖3 納米聚乙烯/尼龍雙層織物結構示意

張馨等[24]分別采用靜電紡絲法和涂覆法制備了含CaF2、ZnO、MgF2質(zhì)量分數(shù)不同的聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚乙烯3種薄膜輻射制冷材料。通過輻射制冷裝置測試了這3種材料的輻射制冷效果，結果表明，與未添加CaF2的聚乙烯薄膜相比，添加了0.2 g CaF2的聚乙烯薄膜的加熱片的平衡溫度降低了3.1 ℃，其輻射制冷效果最好。

1.2 導熱性能

高分子聚合物的熱傳導主要以晶格振動的形式進行，聲子作為主要熱能載體，通過不規(guī)則擴散傳遞熱能[25]。高分子結構中晶格間的耦合作用、聲子間的碰撞是其平均自由程下降和晶格產(chǎn)生熱阻的主要原因。晶格的缺陷、雜質(zhì)以及晶粒界面都會降低高分子聚合物的熱導率。因此，高分子鏈中的非晶部分、相對分子質(zhì)量的分散性、分子大小的不一及聲子散射都是導致高分子聚合物熱導率普遍較低的原因之一[26-29]。

Porter[30]指出，高分子結構中分子鏈的取向和伸展變化是其導熱性能發(fā)生顯著變化的誘因。普通聚乙烯的熱導率低于0.2 W/(m·K)，通過成型工藝改變分子鏈結構能提高其熱導率。聚乙烯經(jīng)拉伸作用后，分子鏈在外力方向上發(fā)生取向排列，晶體結構改變，聲子的集中效應導致其表面散射和傳播阻力變小，自由程增大，導熱系數(shù)升高[31]。

Choy等[32-33]發(fā)現(xiàn)在室溫下拉伸聚乙烯超過25.00 倍時，聚乙烯沿分子鏈方向的熱導率可達13.4 W/(m·K)。 經(jīng)凝膠紡絲-熱拉伸工藝制備的聚乙烯纖維，其軸向熱導率隨軸向模量呈線性增加，這與拉伸過程中長伸直鏈晶體的大量出現(xiàn)有關，伸直鏈晶體的長度和體積分數(shù)的增加會進一步提高聚乙烯的熱導率。

蔡忠龍等[34]研究了超倍拉伸聚乙烯在軸向和徑向的導熱性能，發(fā)現(xiàn)當拉伸比等于200時，聚乙烯軸向的導熱系數(shù)為拉伸前的2.00倍。這是由于在高拉伸作用下，聚乙烯分子鏈轉變?yōu)獒槧罹w-晶橋結構，且晶橋數(shù)量隨拉伸倍數(shù)的增加而增長。

李麗[35]采用瞬變平面熱源法(TPS)測試了環(huán)氧樹脂與超高分子模量聚乙烯纖維兩相復合結構體系的導熱性能，利用串并聯(lián)等效理論模型計算得到單纖維軸向及其徑向的熱導率，并探究了超高分子模量聚乙烯纖維的導熱性能與其結構的關系，發(fā)現(xiàn)：纖維的熱導率隨其線密度的增加而增大；纖維軸向的等效熱導率隨所受牽伸倍數(shù)的增加而顯著增加，當牽伸比為12.20倍時，纖維軸向的等效熱導率可達到原絲軸向等效熱導率的7.86倍；通過熱牽伸處理可以提高超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維的結晶度和結晶規(guī)整性。

包玉秀等[36]對涼感聚乙烯織物的導熱性能進行了研究。采用高熱導率的超高相對分子質(zhì)量聚乙烯紗線與滌綸交織制備了不同組織結構的機織物，探究了纖維種類、紗線線密度、織物密度以及織物組織結構等因素對織物導熱性能的影響，結果表明：超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維的導熱性明顯好于滌綸和錦綸；織物組織單元內(nèi)紗線交織次數(shù)越少，織物的導熱性越好；超高相對分子質(zhì)量聚乙烯紗線的線密度越大，織物的導熱性越好；織物密度越大其導熱性越好。

2 涼爽聚乙烯紡織品國內(nèi)專利的申請情況與分析

在國家知識產(chǎn)權公共服務網(wǎng)專利檢索及分析系統(tǒng)(http://pss-system.cnipa.gov.cn/sipopublicsearch/portal/uiIndex.shtml)中以 “[(紡織品or織物or面料or纖維)and涼感]” 為檢索式獲得的檢索結果為分析樣本，對國內(nèi)涼爽聚乙烯紡織品的專利申請情況進行整理分析。

自2013年國內(nèi)開始出現(xiàn)涼爽聚乙烯紡織品的專利申請以來，授權發(fā)明專利有6項，受理發(fā)明專利19項， 實用新型專利9項，總體數(shù)量較少，但呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。授權發(fā)明專利主要涉及涼感聚乙烯纖維和其他紡織纖維交織面料的設計和開發(fā)；受理發(fā)明專利主要涉及涼爽聚乙烯交織、涂層面料和涼感聚乙烯改性纖維的發(fā)明；實用新型專利主要涉及涼爽聚乙烯交織面料的制備。

為改善涼感聚乙烯纖維的染色性、吸濕性和手感，相關專利主要從纖維改性、紗線復合、織物組織設計、涂層后處理這4個技術途徑制備涼爽聚乙烯紡織品，下面將對專利申請涉及的主要技術途徑進行分析。

2.1 纖維改性

通過對聚乙烯纖維進行改性制備涼爽聚乙烯紡織品的工藝主要包括制備復合纖維、纖維截面異形化和纖維接枝改性。

《一種復合纖維及其冷感織物》[37]公開了一種將易染色紡織材料填充在聚乙烯異形纖維體中心外圍而制備的復合纖維(圖4)，該復合纖維具有較好的上染率和染色均勻度。《一種一步法花色異染涼感復合纖維及其制備方法》[38]公開了一種由具有吸濕排汗功能的聚酰胺芯層和導熱功能良好的聚乙烯皮層構成的不完全包覆皮芯結構的復合纖維?！兑环N皮芯型涼感長絲的復合纖維及其制備方法》[39]公開了一種以高黏度聚酰胺為芯層，添加了氧化鋯的高密度聚乙烯為皮層的涼感復合纖維的加工技術。

圖4 復合纖維橫截面示意

《一種半消光異形超高分子量聚乙烯纖維及其制備方法》[40]介紹了一種“十”字截面半消光超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維。通過在聚乙烯和白油原料中添加納米級二氧化鈦消光劑進行深色化處理，制備了熱導率大于0.15 W/(m·K)的異形纖維，其斷裂強度為20 cN/dtex，透氣性優(yōu)于常規(guī)圓形纖維。《一種超高分子量聚乙烯床品面料的涂料印花工藝》[41]報道了一種對聚乙烯面料進行正庚烷溶脹、丙酮提抽、二苯甲酮浸泡、紫外線輻射以及乙醇洗滌的表面改性工藝，所得面料親水性提高的同時還被賦予了一定的黏結性，方便了后續(xù)涂料印花色漿的吸附?！兑环N涼感材料用改性聚乙烯配方和制造方法及其應用》[42]闡述了一種在紡絲液中按一定比例添加氫氧化鋁、聚乙烯醇縮丁醛、環(huán)氧樹脂膠和抗氧化劑制備涼感聚乙烯改性纖維的方法。

2.2 紗線復合

《一種PE包覆面料及其制作方法》[43]公開了一種以高強度丙綸絲為芯體，聚乙烯為皮層的復合紗線，該紗線可用于制備輕量、光滑涼爽、高強力、抗紫外線、耐老化、環(huán)保性能好的窗簾面料?！兑环N高強聚乙烯工裝面料的染色方法》[44]，采用超高相對分子質(zhì)量聚乙烯和黏膠纖維混紡比為30∶70的雙股線為工裝面料的經(jīng)緯紗線，發(fā)揮了聚乙烯纖維優(yōu)異的導熱性能、力學性能和耐化學性能與黏膠纖維良好的吸濕性與染色性。《一種功能性強捻彩點絲的制備方法》[45]公開了一種將銅氨長絲與超高相對分子質(zhì)量聚乙烯有色長絲并絲，加入夜光錦綸纖維一起進行強加捻的技術，制備得到的彩點絲兼具涼爽、透氣、吸濕、高強、耐磨、色彩豐富等優(yōu)點。

2.3 織物組織設計

涉及涼爽聚乙烯織物開發(fā)的相關專利主要是將涼感聚乙烯纖維與其他紡織纖維紗線交織，或通過對織物組織結構設計制備新型涼爽織物。

《一種涼爽面料》[46]介紹了一種利用棉纖維、竹纖維等吸濕性和服用舒適性良好的服裝材料與涼感聚乙烯緯紗交織制備的服裝面料?！冻叻肿恿烤垡蚁?UHMWPE)纖維紡織品及其坐墊、靠墊、床單、被面、枕套、枕巾》[47]公開了一種通過采用純UHMWPE纖維，或與其他紡織纖維如棉纖維、滌綸等并線或間隔排列織造，再結合親水處理制備家用涼爽紡織品面料的技術。《一種可洗滌可折疊高檔保健涼席的制備方法》[48]公開了一種將超高相對分子質(zhì)量聚乙烯短纖維紗線與羅布麻纖維紗線以斜紋組織交織制備涼席的方法。

《一種單向?qū)Ш箾鏊\動面料》[49]公開了一種以涼感聚乙烯紗線編織的單向?qū)Ш箾鏊\動面料的制備方法(圖5)。其中，內(nèi)層(1)為親水性聚酯紗線編織的平針組織，外層(2)為雙層單向?qū)Ш箾鏊暰幟媪稀?nèi)層具有良好的接觸涼感和干爽透氣功能，結合親水性聚酯平針外層，能迅速將汗液傳遞到外層?！兑环N復合功能織物》[50]闡述了一種接觸面積隨相對濕度的增加而增加的超高相對分子質(zhì)量涼感聚乙烯纖維內(nèi)層，且與高吸濕纖維中間層和低吸濕纖維的外層構成3層織物。將該多層織物中聚乙烯纖維的比例控制在15%以內(nèi)可有效降低材料成本。

圖5 單向?qū)Ш箾鏊\動面料剖視結構

2.4 涂層后處理

授權發(fā)明專利《一種具有較高人體紅外透過性的涼爽面料及其制備方法》[51]將聚乙烯與稀釋劑的混合熔融液涂覆在織物表面，經(jīng)等離子體親水劑處理后，以萃取稀釋劑的方式制備涂層表面含透氣孔隙的涼爽面料。《降溫隔熱吸濕排汗涼席面料》[52]展示了一種由3層不同材質(zhì)構成的具有降溫隔熱、吸濕排汗功能的涼席面料的制備方法(圖6)，該面料的底層(1)由吸濕排汗纖維紗線與冷感纖維紗線混紡織造，中間層(2)為竹炭纖維紗線和木纖維紗線混紡織造的固定層，外層(3)為含有反射隔熱功能的涼感聚乙烯黏膠涂層。

圖6 降溫隔熱、吸濕排汗涼席面料的斷面結構示意

利用涼感聚乙烯對織物進行涂層后處理也可以充分發(fā)揮該材料優(yōu)異的人體紅外透過率。相較于涼感聚乙烯紗線編織的織物，聚乙烯涂層薄膜與人體的接觸面積更大，接觸涼感更強烈。但涂層織物因黏結劑的引入受到耐洗性的限制，手感也較差，一般在涼席、床品面料等家紡領域中應用較多，在服用面料中未曾出現(xiàn)。相較于其他技術途徑，利用涼感聚乙烯對織物進行涂層后處理制備涼爽織物的專利申請最少。

3 結論和展望

目前對于聚乙烯的導熱性能和人體紅外透過率已有較多的研究，但對聚乙烯纖維、紗線和織物的相關性能研究較少，理論支撐的缺乏也限制了其在服用領域的應用。為進一步拓展涼感聚乙烯纖維在服用領域中的應用，可從以下幾個方面展開后續(xù)研究。

(1)在纖維層面上進行改性，如通過對聚乙烯纖維異形化改善其導濕性能；纖維細旦化提高其柔軟性；與兼具高人體紅外透過率和良好染色性的聚酰胺混合制備復合纖維等。

(2)在紗線層面上，可通過與具有良好服用舒適性、染色性能的纖維材料進行混紡制備涼爽聚乙烯復合紗線，改善其性能。

(3)在織物設計層面上，可通過與其他服用紗線交織，結合織物組織結構制備綜合服用性能較優(yōu)的織物。如以一定比例與吸濕性良好的服用紗線交織，內(nèi)外層織物采用親水性不同或毛細管直徑不同的紗線形成壓力差等。

(4)在確?？椢锞哂袃?yōu)異的導熱性與人體紅外透過率的前提下，改善其染色性能和綜合服用性能，同時控制好成本。服用織物在人體穿著時的實際涼爽程度不僅受織物本身性能的影響，還與人體活動時和織物接觸面積的改變、織物與皮膚間的空間大小、環(huán)境溫濕度等因素密切相關，在設計和制備織物時需要結合穿著場合綜合考慮。