仿生复合材料在功能性纺织品中的研究与应用

仿生复合材料在功能性纺织品中的研究与应用①

龚䶮林素君

（北京服装学院材料科学与工程学院，北京100029）

摘要近年来，随着我国的科技进步和经济发展，功能性纺织品在人们的生活中占据了越来

越大的比重。本文介绍了仿生技术在功能性纺织品中的研究与应用，并初步探讨了仿生复合

材料在功能性纺织品中的发展趋势和技术难题。

关键词仿生复合材料；功能性纺织品

1功能性纺织品的现状

近年来，随着我国的科技进步和经济发展，人们越来越关注个人的生活环境、工作环境及自身的健康。为了适应和改善人们的生活环境和工作环境，提高人们的生活质量和生命质量，扩充人类的活动空间，功能性纺织品在人们的流行生活中占据了越来越大的比重。

自20世纪90年代以来，中国的功能性纺织品开发呈现出持续高涨的态势，并以对全球的纺织品市场产生重大影响。这种持续高涨的开发热情来自两方面的推动力：一是随着消费水平的提高，人们对纺织产品具有某种特殊功能的消费需求不断增加，促使一部分纺织品生产企业投入大量的人力和物力研究开发功能性纺织品，以满足这种消费需求；二是由于通过对花式、组织结构、新型纺织染工艺的创新或新型纤维原料的开发和应用来开发新型纺织产品，已经有些黔驴技穷了，促使一部分企业转而关注功能性纺织产品的开发，以期在利润微薄的传统产业大背景下，寻求更高的附加值。

目前，功能性纺织品的开发领域主要集中在内衣、家用纺织品和防护用纺织品等三个方面，涉及的功能包括抗菌防臭、远红外、抗紫外线、抗静电、防电磁辐射、拒油防水、负离子、防火阻燃、抗沾污、易去污、防水透湿、免烫、高吸湿等。与其他新产品的开发一样，由于市场的不成熟，中国的功能性纺织产品开发也经历了因一哄而上、鱼龙混杂而导致消费者的信任度下降，到市场秩序逐渐规范的过程，并已形成了具有一定规模、功能日趋完善、发展相对稳定的功能性纺织品产业格局。

2功能性纺织品的新进展———仿生技术在纺织中的研究和利用

近年来，我国相关生产企业以及一些跨行业、跨系统的高校、科研单位在功能性纺织品开发上取得了一定成效，应用仿生技术、纳米技术的功能性纺织产品应运而生，如防水、防污、透湿的功能性服装、发射远红外线的保健服、防弹服以及具有防紫外线、抗菌、阻燃、抗静电、超双疏等功能的纺织品均有报道。现将仿生技术在纺织中的应用情况归纳如下。

①基金项目：服装材料研究开发与评价北京市重点实验室，资助项目编号：（2008ZK－01）。

2.1仿“荷叶效应”的纳米仿生防水材料

荷花向来被人们冠以出淤泥而不染的雅号，那么，什么原因导致了这种莲花效应呢？通过电子显微镜，可以观察到莲叶表面覆盖着无数尺寸约10μm突包，而每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛（图1）。这是自然界中生物长期进化的结果，正是这种特殊的纳米结构，使得荷叶表面滴水不沾。

图1莲叶的电子显微图像

（图1来源于http：///sci/nano－...230.html）

科学家们对这一现象进行了研究，发现荷花的这种自清洁效应可以应用到很多地方，在织物上已研制出了仿荷叶结构的纳米防水布———丙纶织物。将颗粒大小为20纳米左右的聚丙烯水分散液浸轧、光照，使颗粒黏结在纤维表面上形成凸凹不平的表面结构，成为双疏材料，既疏水又疏油。用油或水往这种布上倒，都不会浸湿，也不会玷污。

2.2仿变色龙的变色纤维

变色龙能随环境的变化而自动变化，利用仿生学原理，目前已研制成功了一种能自动变色的光敏变色纤维，该纤维不仅对光线十分敏感，而且湿度的变化也能使颜色改变。这种变色纤维被光色性染料染色后，便能随周围环境的光色变化而改变颜色，此外还能随温度的升高而显示不同的颜色（图2）。

图2感温印花布

2.3仿孔雀羽毛的仿生纳米结构研究及其在纺织纤维中的应用

早在数百年前，牛顿就指出，鸟羽和昆虫的颜色不仅仅来源于色素，还来源于物理结构。羽毛表面组织可以对光发生散射和干涉作用从而产生颜色，这两种生色途径都属于结构生色。由于结构生色不会降低光强度，所以产生的颜色特别明亮，甚至还具有金属光泽。色素生色随着化学结构变化，颜色会变化或消失；而结构生色只要材料的折射率和尺寸不变，颜色是不会消失的，所以如果能够将结构生色仿生技术用于纺织印染行业，将革命性地促进行业的发展。

通过实验对孔雀羽毛的结构生色原理的研究发现，蛋白质晶体纤维产生的干涉现象是孔雀羽毛绚

丽多姿的主要原因。我们对孔雀羽毛更为微观的结构进行了观察。从小羽枝上锁定一个羽毛裂纹，观察其微观结构。可以更加清晰地看到小羽枝中的蛋白纤维的二维光子晶体结构的积聚状态和形成特征。我们发现这些蛋白质晶体纤维的粗细度均匀，排列方向严格按照小羽枝的轴向，所以能够从物理结构上形成良好的干涉现象，生出绚丽的颜色（图3 图5）。将孔雀羽毛的结构色和动态色中的光自晶体应用于纺织品中，结合纳米仿生制备技术，人工模拟纳米结构单元，将该结构生色机理用于纺织纤维行业中，改变传统印染工艺，使纺织应用的新型“印染”颜色明亮且永不消失。

图3孔雀羽毛绿色部分的光学显微结构

图4羽毛的形貌电镜扫描

图5孔雀羽毛的微观结构

2.4仿北极熊绒毛特点的中空纤维

中空涤纶短纤维最初从日本引入我国，主要生产喷胶棉以用于服装领域。近年来，中空涤纶的种类和应用范围正在不断扩大。抗菌中空涤纶短纤维是仿北极熊的毛发中空而研制的一种差别化纤维，具有良好的回弹性、蓬松性和保暖性，还具有抗菌性、防臭性能和较强的抗紫外线能力，对人体的皮肤具有保健功能，见图6。

图6北极熊绒纤维

（图6来源于http：///story/52795.html）

2.5仿麂皮超细纤维技术

复合超细纤维是化学纤维领域的最新成果，由于其特殊的纤维组分和结构（图7），其产品具有超天然纤维性能与优异的仿真效果。由北京服装学院承办研究的PA6/PE共混海岛法超细纤维及人造麂皮（图8）的开发项目已取得很好的研究成果，制得了目前世界上实现工业化生产的最细的超细纤维，其直径仅0.2 0.5μm（0.0005 0.0008dt），具有准纳米级尺寸；同时制成了具有开口式微孔和离型效果的超真人造麂皮；该项技术以及产品的各项指标均达到了国际先进水平，并获得了国家科技进步二等奖。海岛型复合超细纤维是近年来超细纤维发展的新方向，相比以往裂离型超细纤维其单纤更细，且单一组分更有利于染色。海岛纤维仿鹿皮产品表观丰满细洁、风格独特，具有极佳的悬垂性、优良的舒适性和显著的防水透气性能，实现了从功能上对鹿皮的仿制，可广泛用于服装产业、军工及装饰材料等多种领域，如高级纺织面料、高级装饰材料、超滤材料等。随着人们对这一新型材料功能的不断认知及市场的进一步开拓，其应用领域会不断扩大，给各行各业带来巨大的经济效益和社会效益。

图7超细纤维形态结构图8人造麂皮形态结构

（图7，图8来源于http：///data/2005/2005－12－09/130076.shtml）

2.6仿蜘蛛丝特性的防弹纤维

蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂功能以及轻盈、耐紫外线、生物可降解等优点，是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。固体状的蜘蛛丝内呈不规则纠结状的甘胺酸蛋白分子链，是其具有弹性的原因（图9，图10）。仿生蜘蛛丝的人造丝即将进入各个领域，尤其在制作防弹服方面发挥着其不可替代的作用。