新型军用功能性纺织面料的开发

                                 摘要：  详细介绍了聚四氟乙烯防水透湿层压织物、抗菌防臭织物的作用机理及生产技术；简要介绍了耐高温阻燃织物、凉爽的研究进展。通过大量测试数据分析，表明这几种新型军用功能纺织面料功能优异，性能优于或基本接近世界先进水平。
    关键词：  军用织物；防水性；透湿性；抗菌性；防臭织物；阻燃织物；性能
    随着核生化武器、自动武器和侦视器材的速发展，提高军服的综合防护性能已成为军需障的重要发展方向。为适应高技术条件下现代部战争的需要，世界发达国家都把新材料的研与开发作为提高军服功效的重要突破口。1年美军为极寒地区的部队装备了 Gore-Tex 层织物作战服，1987 年美国陆军装备了新式迷彩战服，1990 年美军为驻欧洲部队的坦克部队配了 Nomex防火服。目前，世界各国的军服材料向着高性能、多功能、复合化和智能化方向发本文主要介绍了近年来我军在功能纺织材料研与开发方面取得的一些新成果。
1  聚四氟乙烯防水透湿层压织物研究
1.1  聚四氟乙烯微孔薄膜理论研究
    目前，研究与开发防水透湿织物有高密度织造、织物涂层和微孔薄膜层压复合三种方法，而聚四氟乙烯防水透湿层压织物代表了目前世界上该研究领域的发展方向，产品性能优异、应用广泛。我们在剖析美军目前装备由 Gore-Tex 层压织物制作冬季迷彩作战服样品的基础上，运用现代分析测试手段，探讨了聚四氟乙烯微孔薄膜的防水透湿机理。在研究薄膜形态结构如膜孔尺寸、形状、分 布 范 围、单 位 面 积 孔 数、三 维 结 构 的 基础上，提出了层压复合织物透湿的基本理论，建立了聚四氟乙烯层压织物防水透湿的模型，分析了影响层压织物防水透湿性能的诸多因素，详细测试结果见表 1、表 2。     表 1 显示了薄膜的接触角和微孔半径对耐水压有一定的影响，其中孔半径对耐水压的影响更大，表 2 是膜结构参数对透湿量的影响。首先我们提出了透湿性、防水性、防风性等指标，为该产品的国产化批量生产奠定了基础。在美国 Gore公司技术垄断，只卖产品不卖技术的情况下，反复多次进行了聚四氟乙烯微孔薄膜双向拉伸工艺试验，摸索了形成防水透湿微孔薄膜的工艺条件和设备参数，在中试生产设备的基础上，设计了世界上第二条双向拉伸聚四氟乙烯微孔薄膜生产线，年生产能力为 300 万米，设备设计原理及主要指标与美国 Gore公司相当，特别是在卤素灯加热、激光测厚、计算机联动控制技术等方面有创新。
1.2  聚四氟乙烯防水透湿层压织物生产技术
    针对聚四氟乙烯薄膜表面光滑、极性小、粘合困难等问题，一是研制开发了醚型热熔粘合剂和耐低温有机硅粘合剂，使层压织物的低温柔软性优于美国 Gore公司的产品；二是采用电晕辐照技术，有效地改善了聚四氟乙烯微孔薄膜的表面粘结性能，生产出性能优异的层压织物，明显优于美军同类产品（见表 3）。在没有现成的国内外资料及经验可以借鉴的情况下，在工艺流程、设备参数多次小样试验的基础上，自行设计建成了国内第一条年产 300 万米层压织物的复合生产线，该项目被国家经贸委列为 1996 年国家重点新产品“双加”工程开发计划，于 1997 年底建成投产。产品应用于部队极寒高寒地区防护服、公安多功能服、南极考察服、海上油田作业服、海军出海服等。聚四氟乙烯微孔薄膜良好的除尘过滤和液体过滤性能还可应用于防化服和空气超净方面。
2 抗菌防臭织物研究
 2.1  织物抗菌防臭机理
    用于纺织品抗菌剂的品种主要有两大类：有机类和无机类。抗菌剂本身的抗菌机理取决于它们的结构，有机类抗菌剂一般是通过活性成分带有正电荷的基团与细菌表面细胞的负电荷相吸引以物理方式破坏细菌的细胞膜，使细菌死亡。无机类抗菌剂包括有机金属抗菌剂，其抗菌作用是以从纤维中徐徐溶出的微量金属离子向细菌细胞内扩散，引起细菌代谢障碍而死亡。抗菌防臭织物能抗致病菌、真菌基于三种机纤维结合，在织物表面生成生物障碍体，达到静态抑菌的效果。
2.2  抗菌防臭制品的研制
2.2.1  抗菌纤维
    目前，市场上的抗菌纤维主要是通过把抗菌剂掺入纺丝液中而制成。抗菌纤维在使用过程中抗菌剂会不断渗出至纤维表面，维持一定的浓度而具有良好的抗菌效果。
    选择合适的抗菌剂比较困难。用于湿纺的抗菌剂，必须与成形纤维有很好的配伍性，还要有一定的耐化学性及溶解特性。用于熔纺的抗菌剂则要求能耐高温、与高分子材料有良好的相容性，且药剂的加入不影响纤维原有的力学性能。
    有机类抗菌剂广谱抗菌、毒性小，但大多不耐高温。近年来，抗菌纤维的发展侧重于使用无机抗菌剂，其中以含抗菌沸石的纤维最为出名。由于无机抗菌剂具有热稳定性强、功能持久、安全可靠、不会产生抗药性的特点，一直得到人们的重视。随着国内超微细技术的发展，已能够批量生产多种纤维用无机抗菌剂，通过共混或复合引入化纤之中，实现了抗菌化纤的产业化。具有广谱抗菌、能有效除去其造成异味的抗菌除臭剂包括氧化锌、氯化镁、二氧化硅、银沸石、载银硅硼酸等，本项目采用的丙纶抗菌纤维就是用含有这类主要成分的纳米级复合粉体开发的。
    根据化纤厂的实际情况和抗菌纤维生产的要求，我们采用了抗菌母粒与切片共混纺丝的工艺，其中母粒中含复合抗菌粉体 10% ，共混切片中含抗菌母粒 6%~20% 。纺丝工艺与普通丙纶基本相仿：抗菌剂液相合成 → 分离→ 改性复配→ 与丙纶切片共混 → 抗菌母粒→ 与丙纶切片共混→ 纺丝 → 上油→ 牵伸→ 假捻加弹→ 分级包装 → 成品。
2.2.2  抗菌整理天然纤维
    由于难以通过纤维改性达到抗菌防臭的效果，所以到目前为止，天然纤维制品的抗菌防臭加工仍以后整理为主。从物理性能来看，抗菌整理剂可分为溶出型和非溶出型两大类。溶出型抗菌剂需用树脂固着在纤维上，缓慢溶出，达到抗菌作用。因为它易从汗毛孔侵入人体血管，且连续使用长时间会产生抗药性菌，所以无论从安全性还是从耐久性考虑，这种抗菌剂都不是最佳选择。非溶出型抗菌剂则与纤维上的羟基、氨基起反应而与纤维结合，只通过物理方式杀灭接触到的细菌，不破坏皮肤表面微生物的平衡，具有安全性和耐久性。本系列产品采用非溶出型抗菌剂进行后整理加工。
2.3  抗菌性能测试（见表 4）
 
3 耐高温阻燃织物研究
    国际上对芳纶纤维的染色均采用原液染色的方法，颜色单调、成本高。我们对芳纶 1313 纯纺及与棉纤维不同混纺比例的织物进行了系统研究，并对有关机理进行了详细探讨，得出了有应用溶剂预处理和载体染色方法以及高提升度的染料进行染色，织物颜色鲜艳，色牢度好，攻克了芳纶纤维结晶度高、分子间结合力强、玻璃化温度高、织物不能染色的难题；另一方面采用独特的轧—热焙工艺及先进合理的配方对芳棉混纺织物中棉纤维进行阻燃整理，改善了芳纶织物热收缩、碳化膜开裂的燃烧特征和“ 阴燃”现象，使芳棉混纺织物阻燃性优于纯芳纶织物。     表 5 显示了纯芳纶、纯棉阻燃、芳纶 /棉 50/50 和芳纶 /棉阻燃等织物物理性能的对比结果，表明芳纶 /棉混纺阻燃织物虽然断裂强力、撕破强力有明显下降，但不影响穿着效果，并明显改善了芳纶织物的阻燃效果，特别是芳纶织物热收缩和碳化膜开裂的缺点。
    耐高温阻燃织物主要用于我军卫星发射中心消防人员、战略导弹部队、海军舰艇、空军飞行员等部队的防护服装，以减少和避免各种热传递形式（包括战火和核爆炸）对指战员的伤害，同时已应用于消防、冶金、航空航天、化工、纺织等部门的工业用耐热阻燃材料和热防护服装。芳纶织物染色研究的成功，使我国芳纶耐高温织物不再依赖进口，而价格仅为进口的 1/5，推动了我国耐高温阻燃织物的发展和应用。
4 “凉爽”理论与技术研究
    在织物吸汗、透湿、快干理论研究的基础上，设计了特殊的多异多重复合变形长丝，具有吸汗、透湿和快干的特性，制成夏季服装的服用舒适性非常好，被誉为“ 凉爽”。它主要依据专用纺丝组件、特种喷丝板及特种冷却、凝聚、牵伸系统进行设计生产。产生凉爽效果的原理是汗液在纤维表面纵向沟槽中发生快速芯吸、传输，可以快速产生透湿作用。多异多重复合变形长丝具有几条沿轴向的凹形沟槽，当接触汗水时，固液界面张力形成强有力的芯吸（ 毛细）作用，将汗液快速吸收并快速传递至织物的外表面。同样条件下，异形截面丝比表面积越大，汗液蒸发和干燥的速度越快。目前，国际上导汗快干性能最好的纤维是美国 DuPont公司的 Coolmax!，实际穿着对比和模拟物理测试的对比结果见表 6。
   从表 6 可以看出，“ 凉爽”产品的芯吸高度比 Coolmax!纤维大，具有较好的导汗功能，从热条件下“ 凉爽”产品具有较好的导汗、快干、凉爽功能。
5 结语
    士兵防护用纺织品的基本要求是对核生化、火焰、弹道冲击和侦视等提供防护的战地要求，对水、雨、雪、蚊虫等提供防护的环境要求，湿冷、湿热、透气散热、抗菌防臭等生理要求，重量轻、体积小、寿命长、易维护等物理要求和战术动作适应性、成本、后勤供应等使用要求。军服防护材料对提高士兵的生存能力极为重要。我国军用防护功能面料的研究开发目前已取得一些进展，但要最大限度地帮助士兵抵御、防范和抗击各种战场威胁仍任重而道远。