楊述斌,劉 敏,曹 學(xué),劉健飛,周元友,左祿川,梁倩倩,*

(1.國家絕緣材料工程技術(shù)研究中心,四川 綿陽621024;2.四川東材科技集團(tuán)股份有限公司,四川 綿陽621024)

隨著城市化建設(shè)的加快以及全球環(huán)境質(zhì)量的改變,許多國家都針對“環(huán)境效益第一”提出了一系列的指導(dǎo)政策,中國在“大健康”政策的引導(dǎo)下,具有保健殺菌功能的負(fù)離子紡織品成為了紡織產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展熱點(diǎn)[1-2]。紡織品中的負(fù)離子能夠直接作用于人體的中樞神經(jīng)與血液循環(huán),具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、舒緩身心疲勞、調(diào)節(jié)空氣、抑菌殺菌等功效。近年來有關(guān)空氣中負(fù)離子的產(chǎn)生與作用機(jī)理、負(fù)離子的功效、負(fù)離子紡織品的制備等相關(guān)內(nèi)容已有大量研究,應(yīng)用前景廣闊。氧離子主要對人體呼吸保健、血液循環(huán)以及機(jī)體免疫力有重大影響。負(fù)離子被人體吸收后,能夠提高肺活量,促進(jìn)新陳代謝,同時(shí)能夠增加血液中氧含量,促進(jìn)血液循環(huán)。當(dāng)負(fù)離子與人體內(nèi)的陽離子中和后,還具有活化細(xì)胞,增強(qiáng)機(jī)體免疫力的功效[5-6],其含量與健康的關(guān)系見表1。(3)殺菌。負(fù)離子能夠與細(xì)菌結(jié)合,破壞細(xì)菌細(xì)胞機(jī)能,擾亂細(xì)胞生長,導(dǎo)致菌體死亡,達(dá)到殺菌和抑菌的功效[7]。

1 負(fù)離子的產(chǎn)生與功效

表1 負(fù)離子含量與健康的關(guān)系

1.1 負(fù)離子的產(chǎn)生

自然界中,負(fù)離子的產(chǎn)生主要有三大機(jī)制[3]:(1)大氣電離。在宇宙射線、雷電、風(fēng)暴、植物光合作用形成的光電效應(yīng)等作用下,大氣發(fā)生電離產(chǎn)生負(fù)離子;(2)水分子裂解。水在高速流動(dòng)過程中發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,水分子裂解產(chǎn)生負(fù)離子;(3)天然礦物材料。具有熱電性或壓電性的天然礦物材料或具有永久自發(fā)電極的無機(jī)多孔材料在環(huán)境改變時(shí)能夠產(chǎn)生電極能,電離空氣產(chǎn)生負(fù)離子。

1.2 負(fù)離子的功效

負(fù)離子的功效主要包括三個(gè)方面。(1)環(huán)保。負(fù)離子帶負(fù)電,具有非凡的結(jié)合能力,環(huán)境中諸如粉塵、尾氣等多種有害物質(zhì)帶有正電荷,空氣中的負(fù)氧離子能夠與這些有害物質(zhì)聚合沉積,達(dá)到凈化空氣的目的[4]。(2)保健。國內(nèi)外大量研究與臨床實(shí)踐驗(yàn)證,負(fù)

2 負(fù)離子釋放材料

負(fù)離子有諸多功效,根據(jù)負(fù)離子的產(chǎn)生機(jī)制,提高空氣中負(fù)離子含量主要有兩種方法:一方面人們可對在自然條件下形成的空氣負(fù)離子加以應(yīng)用;另一方面可對自然界中釋放負(fù)離子的天然物質(zhì)進(jìn)行利用,以功能粒子形式應(yīng)用于紡織品、建筑材料、家居材料中,為都市住宅區(qū)內(nèi)居民提供一個(gè)健康養(yǎng)生的生活環(huán)境。目前所發(fā)現(xiàn)的負(fù)離子釋放材料主要包括具有壓電性和熱電性屬性的天然礦石,例如電氣石、蛋白石、奇才石、奇冰石等,材料的組分各不相同,詳見表2。作為一種天然負(fù)離子釋放材料,當(dāng)環(huán)境中溫度與壓力發(fā)生微小變化時(shí),這類物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng)和壓電效應(yīng),即晶體兩端表面出現(xiàn)電熱差和電壓差,這種靜電電壓差可以高達(dá)1.0×106 e V,空氣發(fā)生電離,使鄰近的空氣分子電離轉(zhuǎn)化為空氣負(fù)離子[8-9]。同樣具有永久自發(fā)電極的無機(jī)多孔材料,例如海底沉積物、海藻炭、珊瑚化石以及硅藻泥等,當(dāng)受到外界溫度和壓力細(xì)微變化時(shí),這類物質(zhì)也可以電離空氣產(chǎn)生空氣負(fù)離子,主要應(yīng)用于裝修涂料、乳膠漆等。負(fù)離子釋放材料還包括某些光觸媒材料,當(dāng)大氣中紫外線照射后,光觸媒材料電子發(fā)生躍遷到導(dǎo)帶,留下帶正電的空穴,電子和氧結(jié)合產(chǎn)生負(fù)氧離子,帶正電的空穴和水結(jié)合產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化活性的OH-,負(fù)氧離子與OH-能夠分解微生物中各種成分,從而達(dá)到抑菌殺菌的目的[10]。

表2 釋放負(fù)離子的功能材料及其組分

3 負(fù)離子紡織品的制備方法

目前,負(fù)離子紡織品的制備方法主要有2種,一種為用具有負(fù)離子釋放功能的纖維經(jīng)紡織工藝制備;另一種是對紡織品進(jìn)行后整理獲取釋放負(fù)離子能力。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)原料與生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備的適用性,選擇合適的制備方法。

3.1 負(fù)離子纖維的制造方法

負(fù)離子纖維的制造方法主要包括共聚法、共混紡絲以及纖維表面涂層改性。

共聚法是指在聚酯切片聚合過程中,將負(fù)離子功能粒子和原料一同加入,制備得到負(fù)離子切片,再進(jìn)行紡絲,得到負(fù)離子纖維。共聚法的優(yōu)勢在于負(fù)離子添加劑在切片中分散均勻,切片可紡性良好,負(fù)離子釋放能力穩(wěn)定,但工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高,目前鮮有利用共聚法制備負(fù)離子纖維相關(guān)報(bào)道。張凱軍等[11]利用共聚法將負(fù)離子添加劑直接添加到對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)聚合過程中,制備得到負(fù)離子功能聚酯切片,再對切片進(jìn)行熔融紡絲制備負(fù)離子纖維。結(jié)果表明,負(fù)離子添加劑在切片中均勻分散,切片可紡性能良好,纖維力學(xué)性能優(yōu)異,靜態(tài)負(fù)離子釋放量為23個(gè)/c m3。

共混紡絲法是指在紡絲前,將負(fù)離子功能性母粒與聚酯切片共混均勻,再進(jìn)行熔融紡絲制得負(fù)離子纖維。與共聚法相比,共混紡絲法添加更加靈活,但負(fù)離子添加劑分散性較差,導(dǎo)致纖維吸濕性較差。國內(nèi)研發(fā)的負(fù)離子纖維基本采用這種方法,首先利用一定方法制備納米級無機(jī)負(fù)離子添加劑,再與樹脂材料共混擠出制備負(fù)離子母粒,最后與聚酯切片混合紡絲制備負(fù)離子纖維。日本已做到對棉、麻、動(dòng)物毛等天然纖維進(jìn)行負(fù)離子改性。孫超[6]采用電氣石作為負(fù)離子釋放材料,利用化學(xué)和物理方法對其進(jìn)行表面處理后,與聚酯載體按一定比例混合,熔融擠出制得負(fù)離子母體,將其進(jìn)行干燥,按一定的配比與聚酯切片混合,進(jìn)行紡絲制備負(fù)離子纖維,再與棉纖維、黏纖進(jìn)行共織造,制備成負(fù)離子紡織品。結(jié)果表明,產(chǎn)品負(fù)離子釋放能力保持在2 000個(gè)/c m3以上,經(jīng)40次水洗后,其負(fù)離子釋放能力在500個(gè)/c m3以上。

表面涂層改性法指在基礎(chǔ)纖維的后加工過程中,利用表面接枝或吸附改性技術(shù)將負(fù)離子處理液固化在纖維表面,制備得到負(fù)離子纖維制品。與共聚法和共混紡絲法相比,表面涂層改性法可以對包括天然纖維在內(nèi)的多種類型纖維進(jìn)行改性,但纖維產(chǎn)生負(fù)離子的耐久性較差。羅金瓊等[10]對比分析了多種表面活性劑改性負(fù)離子添加劑處理的聚酯纖維的性能差異。結(jié)果表明,當(dāng)采用單組分表面活性劑時(shí),乙烯-醋酸乙烯乳液、硅烷偶聯(lián)劑的最佳改性濃度分別為3 wt%與1 wt%,纖維負(fù)離子釋放量分別達(dá)到了582個(gè)/c m3與6 260個(gè)/c m3;當(dāng)采用復(fù)合表面活性劑時(shí),2種改性劑濃度均為1 wt%時(shí),纖維最大動(dòng)態(tài)負(fù)離子釋放量可以達(dá)到33 437個(gè)/c m3。

3.2 織物后整理法

后處理改性是指在織物漂染過程中,利用含有負(fù)離子釋放材料的處理液對織物進(jìn)行浸漬、浸軋或涂覆處理,使負(fù)離子釋放材料通過物理吸附、熱固化或化學(xué)反應(yīng)固著于織物表面,從而賦予紡織品負(fù)離子釋放功能。相對于共聚法、共混紡絲法或表面涂層改性法制備負(fù)離子纖維進(jìn)而進(jìn)行織造制備紡織品,織物后整理法制備負(fù)離子紡織品具有操作技術(shù)簡單,服務(wù)對象種類多,可將負(fù)離子釋放材料處理液直接應(yīng)用于各種材料的織物、成衣或其他紡織制品上,是目前國內(nèi)外制備負(fù)離子紡織品的常用方法。程浩南[12]采用電氣石粉體作為負(fù)離子釋放材料,利用聚乙二醇與水性聚氨酯按照一定配比對電氣石粉體進(jìn)行改性制備超細(xì)負(fù)離子整理劑,浸漬處理聚酯織物0.5 h,再進(jìn)行烘焙處理,負(fù)離子功能紡織品的負(fù)離子釋放量可到2 000個(gè)/c m3以上,達(dá)到增強(qiáng)人體免疫力和抗菌力的濃度。楊宏林[13]以純棉織物作為研究對象,采用負(fù)離子整理劑進(jìn)行后處理,結(jié)果表明,當(dāng)整理劑中負(fù)離子質(zhì)量濃度80 g/L、p H值為3～5,處理工藝中烘焙溫度130℃、烘焙時(shí)間為2 min時(shí),處理的純棉織物的負(fù)離子釋放量最高,可達(dá)2 050個(gè)/c m3。

4 負(fù)離子紡織品應(yīng)用

隨著負(fù)離子釋放材料的不斷開發(fā),負(fù)離子紡織品制備工藝不斷完善,產(chǎn)品的種類和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增多,廣泛用于服裝、家居面料、汽車內(nèi)飾以及醫(yī)療紡織品等[14-16]。

4.1 以凈化空氣為目的的紡織品

凈化空氣的負(fù)離子紡織品主要應(yīng)用于辦公室、電影院、交通工具內(nèi)等人多密閉空間,主要包括室內(nèi)紡織裝飾面料、窗簾、地毯、沙發(fā)以及座椅面料等,人們需要利用這類負(fù)離子紡織品來凈化密閉空間內(nèi)的空氣,尤其在家庭房屋裝修之后,更需要使用負(fù)離子紡織品釋放出來的負(fù)離子去吸附裝修材料留下來的甲醛與揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì),達(dá)到凈化空氣,保障人體健康的目的。

4.2 以凈化水質(zhì)為目的的負(fù)離子紡織品

負(fù)離子紡織品釋放出的負(fù)離子一方面能夠殺死水中細(xì)菌,另一方面能夠與水中的重金屬離子結(jié)合沉淀,達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。利用這個(gè)原理,人們可以利用負(fù)離子紡織品作為水體過濾材料,最典型的代表作品就是用負(fù)離子滌綸紡織品做飲水機(jī)的過濾芯。同時(shí),負(fù)離子紡織品能夠增加水中的含氧量,用作植物用水過濾材料時(shí),可以提高植物的成活率,縮短植物的成熟期。

4.3 以人體保健為目標(biāo)的負(fù)離子紡織品

以人體保健為目標(biāo)的負(fù)離子紡織品面對的是一個(gè)最為廣泛的消費(fèi)人群。這類產(chǎn)品可以是家庭或醫(yī)院床上系列用品,例如床單、被套、床墊、蚊帳、睡衣等,也可以是針對運(yùn)動(dòng)員制作的運(yùn)動(dòng)套裝,還可以是為某些特殊人群制作的各種護(hù)具、眼罩以及口罩等。

5 結(jié)語

負(fù)離子被稱為“空氣中的維生素”,具有優(yōu)良的人體保健、環(huán)境保護(hù)與殺菌抗菌功能。目前中國市場已陸續(xù)推出多種商業(yè)化的負(fù)離子紡織品,如床單、被套、窗簾、服裝、地毯、毛巾等,努力為消費(fèi)者營造一個(gè)健康、環(huán)保、衛(wèi)生的生活環(huán)境。但無論是消費(fèi)者的健康環(huán)保意識(shí),還是負(fù)離子紡織品的制備研究,或是應(yīng)用推廣研究方面,中國和國外發(fā)達(dá)國家相比,都還有一定的差距。但是中國電氣石礦產(chǎn)資源豐富,如果能利用好這一巨大優(yōu)勢,將其運(yùn)用于負(fù)離子紡織品的研究中,開發(fā)出更多具有多功能性、性價(jià)比更高的負(fù)離子紡織品,其市場前景與經(jīng)濟(jì)價(jià)值都是極大的。