功能性陶瓷纤维

功能性陶瓷纤维

（1、东华大学化学与化工学院，上海 200051；2、上海雅运纺织化工有限公司，上海 200233）摘要：概括了新型陶瓷微粉的研究现状，介绍了陶瓷纤维的主要制造方法，并着重讨论了几种新型功能性陶瓷纤维的研究方法与开发状况。关键词：陶瓷纤维；防光紫外线；抗菌防臭；保温中图分类号：TQ174.75 文献标识码：B 文章编号：1001－9642（2001）04－0040－03

随着科技的发展和人们生活水平的不断提高，纤维的研究与开发逐步向多功能、高附加值发展。80年代中期，日本率先开发的新型功能性的陶瓷纤维，是通过添加和配合不同种类的陶瓷微粉，采用不同方法制作而成。它的创意始自一家陶瓷公司的奇想，该公司将具有远红外辐射性的陶瓷微粉与纤维结合，据说获得了保暖效果。到了80年代后期，日本形成一股开发热潮，许多公司相继开发了品种繁多的功能性陶瓷纤维，如蓄热保温、抗菌防臭、防紫外线纤维等，并已相继开发投放市场。日本这方面技术于80年代末渗入我国，1990年我国纺织高技术发展战略研讨会上展示了陶瓷整理织物的样品。随着对陶瓷纤维功能认识的逐步发展，我国陶瓷整理的研究开发于90年代中期形成高潮，产品遍及全国市场并进入消费者的生活［1，2］。

1、新型陶瓷微粉的研究现状

1.1 陶瓷微粉

陶瓷的狭义概念，系指以粘土、长石、石英为原料，经成型、干燥、烧结等工艺而制成的成品。在近代，陶瓷的发展已经形成了一个广义的概念，其原料已超出硅酸盐范畴，涉及到金属氧化物、碳化物、氮化物等以及许多无机物和非金属材料；其工艺也摆脱了传统的常压烧结，涉及到热压、超高压、反应烧结以及气相沉积等新型方法。这些新型陶瓷材料具有耐高温、抗热震、抵热容、保温性能优良和化学稳定性好等优点，已广泛应用于冶金、化工、建材、船舶、航空航天、汽车等行业。纺织行业中应用的陶瓷物质基本上是无机物，非金属烧结的粉体材料，种类繁多，常见的陶瓷微粉如表1所示［1－4］。

1.2 陶瓷粉加工难点［2，4］

1.2.1、微粉粒径：聚合物中添加的陶瓷粉粒径要在一定范围之内，不允许粗粒子的存在，否则易引起纺丝断头，使丝的制成率降低。因此使用中对陶瓷微粉的粒径要求很高，其中用于短纤维纺丝的微粉平均颗粒直径应在5μｍ以下，而用于长丝的微粉平均颗粒直径应在3μｍ以下，最好小于1μｍ，最细可达到0.001μｍ。目前，某些陶瓷物质的微粉加工还存在一定难度，尚需投入力量继续进行研究。

表1 常见的陶瓷微粉

Table 1 Familiar porcelain powders

氮化物BN AIN Si3N4 ZrN TiN等

硅化物TiSi2 MoSi2 WSi2等

硼化物TiB2 ZrB2 CrB2等

盐类BaTiO3 CaCO3 BaSO4等

非金属碳粉石墨

莫来石堇青石绢云母萤石方解石麦饭石明矾水晶滑石高岭土结晶

沸石等

1.2.2粉粒的分散性：微粉粒径越小。其抗张力越大，在熔融树脂中易形成二次凝聚粒子而难以分散。而二次凝聚粒子的形成会使聚合物可纺性及纤维物理性能等大大劣化，因此，必须采用有效方法，使陶瓷微粉高度均一地分散在聚合物树脂中。

1.2.3粉粒的干燥：在一些聚合物（如聚酯等）的熔融纺丝过程中，水分的存在将使聚合物发生降解。陶瓷粉中不仅存在着表面间接物理吸附的分子状水，还存在以氢键为引力直接吸附着结晶水。后者被牢固地吸附着，其运动受到限制，即使在350°C高温干燥时也有残留。因此必须采取适当方法处理，尽可能除去粉末中各种形态的水分。

2、陶瓷纤维制造方法

陶瓷微粉与纤维的结合，最早使用后整理技术中的涂层法，将陶瓷微粉掺到树脂内涂敷到织物上。该法对粉末分散性要求较低，实用性好，但织物服用性能及耐洗性差；随着功能性织物的兴起，陶瓷纤维帛的织物具有服用性和耐洗性好、生产成本低等优点，据文献介绍［1－3，5］，陶瓷纤维一般有以下几种制造方法。

2.1 涂层法。

化学纤维通过陶瓷粉、粘合剂和分散剂混合液和喷涂，在纤维表面涂覆着一层陶瓷粉，也就制成了陶瓷纤维。该法也存在着制品手感、耐久性差等问题，因此目前采用这种方法的较少。

2.2 溶液纺丝法。

预先将陶瓷粉分散于聚合物原液中，聚合制成含陶瓷的切片，再经纺丝制成纤维。此法成本较低且成纤性好，但由于直接将陶瓷粉加入聚合釜中，会使釜受到污染，因此在多品种小批量生产中一般不采用此法。

2.3 熔法纺丝法。

此法目前采用较多，包括三种工艺路线。

2.3.1 全造粒法。

将陶瓷粉与成纤聚合物先经熔融造粒和干燥，然后直接用于纺丝。陶瓷粉与成纤聚合物均匀混合，纺丝稳定性好，但由于再造粒工艺的引入，使得生产成本增高。

2.3.2母粒法。

将陶瓷粉与成纤聚合物经熔融造粒和干燥后，用做母粒再与定量成纤聚合物混合纺丝。设备投资较少，生产成本降低，但陶瓷粉与成纤聚合物混合可能不均匀，影响纺丝稳定性和品质量。

2.3.3 注射法。

采用注射器将陶瓷粉直接注入到成纤聚合物中。技术路线简单，但陶瓷粉与成纤聚合物的均匀分散有困难。

开发陶瓷纤维除了采用共混纺丝技术外，大多采用复合纺丝技术，其复合纤维截面形状多为圆形。为显示物质的功能性，要在纤维中加入较大数量的陶瓷粉末，这将使纤维性能受到严重损害。因此在实际生产中，大多采取以高浓度填充陶瓷粉末的聚合物为芯，普通成纤聚合物为鞘的“芯鞘复合纤维”，这样，芯部形成功能性，鞘部保证其纤维性能，二者结合达到功能互补的目的。此外，变换芯鞘层的材质，可以使纤维具有不同的性能；改进芯鞘纺丝工艺，也可赋予纤维必要的特性。

陶瓷纤维纺纱织布过程中，陶瓷物质易磨耗设备，因此开发低磨耗陶瓷纤维是当前研究方向之一。日本帝人公司对此进行了探索，其中一方法是采用熔粘指数35——50的烯烃聚合物对陶瓷粉末进行前处理，然后再混入聚烯烃纺丝液中纺丝。另一是针对鞘层含陶瓷粉末的复合纤维涂敷有机硅表面平滑剂。据称，这两种方法都有效地降低了纤维对设备的磨损[1，4]。

3、几种主要的功能性陶瓷纤维

3.1防紫外线纤维

紫外线是波长180——400nm的电磁波。适量的紫外辐有杀菌作用并能促进维生素D的合成，有利于人体健康。但是过量的紫外线照射会使人体皮肤产生灼伤，且易诱发皮肤病甚至皮肤癌，还会促进白内障的生成并降低人体的免疫工能。因此，为了保护人体避免过量紫外线辐，纺织品防紫外线整理已刻不容缓[6]。

纤维织物你独立地紫外线整理方法主要有两种：（1）使用紫外线吸收剂对织物或纤维进行处理，它主要通过吸收紫外线并进行能量转换，将紫外线变成低能量的热能或波长较短的电磁波，从而达到防紫外线辐射的目的。（2）利用陶瓷微粉与纤维或织物结合，增加表面对紫外线的反射和散射作用，以防紫外线透过织物而损害人体皮肤，其中没有光能的转化作用。这些陶瓷粉末包括高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铁、氧化锌、氧化铅等。经试验对310——370nm波长区紫外线的反射或防护效果，以氧化锌和氧化亚铅为好，二氧化钛和高岭土也有一定作用。这些无机组分与紫外线吸收剂相比，每单位重量的紫外线吸收效果虽销