军用功能纺织材料的研究与开发

张建春 总后勤部军需装备研究所

[原载：2001功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集p4-9]

随着核生化武器、自动武器和侦视器材的快速发展，提高军服的综合性能已成为军需保障的重要发展方向。为适应高技术条件下现代局部战争的需要，世界发达国家都把新材料的研究和开发作为提高军服功效的重要突破口。1986年美军为极寒地区的部队装备了Gore-Tex层压织物作战服，1987年美国陆军装备了新式迷彩作战服，1990年美军为驻欧洲部队的坦克乘员配发了Nomex防火服。当前，世界各国军服材料正向着高性能、多功能、复合化、智能化方向发展。本文主要阐述我军在功能纺织材料研究与开发方面的一些新成果。

]、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比例混纺织物进行了系统的应用研究，并对有关机理进行了详细探讨，得出了有应用价值的规律性结论。一方面对芳纶织物采用极性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一热焙工艺及先进合理的配方对芳/棉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，便芳/棉混纺织物阻燃性优于纯芳纶织物。

耐高温阻燃织物主要用于制作我军卫星发射中心消防人员、战略导弹部队、海军舰艇、空军飞行员等特种部队作战防护服，减少和避免各种热传递形式(包括战火和核爆炸)对指战员的伤亡，同时已应用于消防、冶金、航空航天、化工、纺织等部门工业用耐热阻燃材料和热防护服装。芳纶织物染色的研究成功，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。

表1.芳纶/棉织物整理前后的物理性能

项目		芳纶(100%)	阻燃纯棉	阻燃纯棉洗50次后	芳纶/棉50/50	芳纶/棉阻燃整理后	芳纶/棉阻燃整理洗50次后
断裂强力(N)	T	1300	660	725	960	880	895
	W	930	410	430	740	660	650
撕破强力(N)	T	290	34	32	92.2	80.3	79.2
	W	164	21	20	46.4	40.5	40.0
撕毁长度(cm)		2.5	4.5	7.5	CB	4.2	4.5
阻燃时间(s)		2.5	0	0	/	0	0
续燃时间(s)		0	0	0	/	0	0
燃烧特征		收缩开裂	炭化	炭化	全燃收缩	无明显收缩不开裂	炭化不开裂
抗弯长度(mgcm)		425	1610	1163	278	293	281
透湿量(g/m^224h)		7190	7410	/	7480	7313	/

2．聚四氟乙烯防水透湿层压织物研究

2．1聚四氟乙烯微孔薄膜理论研究与生产技术

聚四氟乙烯防水透湿层压织物的性能优异、应用广泛，代表了目前世界上孩领域研究的方向。在剖析美军目前装备的、由Gore-Tex层压织物制作的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防水透湿的机理。在研究膜的形态结构，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湿的模型，分析了影响层压织物防水透湿性能的诸多因素，如温度和蒸汽压差，膜的结构参数与透湿量和时水压的关系等，提出了透湿性、防水性、防风性等标本指标，为该产品的批量国产化生产奠定了基础。在美国高尔公司实行技术垄断，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，在申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，设备设计原理和主要指标与美国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所创新。

图1 PTFE微孔薄膜扫描电镜（3000×）

表2 聚四氟乙烯膜的结构参数指标与耐水压值

试样名	接触角θ(度)	孔半径R(μm)	耐水压值(m)
1＃	136.000	0.426	11.100
2＃	141.000	0.474	10.700
3＃	141.800	0.530	9.800
4＃	140.600	0.543	9.400
5＃	129.400	1.238	1.080
6＃	139.600	0.181	11.800
7＃	103.200	0.158	9.630

表3、聚四氟乙烯微孔膜结构参数与透湿量

试样名	孔半径的四次方R^4(10^-3μm)	单位面积孔数N(10^6/cm^2)	厚度t(μm)	透湿Q(g/cm^224h)
1＃	32.93	103.14	32.97	5492
2＃	50.48	106.87	38.79	5590
3＃	78.90	49.96	28.27	5682
4＃	86.90	36.00	45.27	5440
5＃	2349.00	7.55	26.72	7382
6＃	1.07	3430.00	23.10	6718
7＃	0.62	7950.00	34.20	5958

PTFE微孔薄膜扩幅机示意

2.2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，一是研制开发了聚酯醚热熔粘合剂和耐低温的有机硅粘合剂，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。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。

表4 PTFE层压织物性能对比

检验项目	计量单位	检验值		标准规定指标
		我军	美军
质量	g/m^2	235	191	＞250
透气量	(m^3/m^2d)×lO	1.53	0	-
透湿量	g/m^2d	10490	4750	＞4000
耐静水压	Kpa	100	＞200	＞30
硬挺度	cm	9.5	8.6	＜ 10
剥离强度	N/2.5cm	5.6/5.1	6.2/4.7	5.0/5.0

图2 电晕放电处理PTFE薄膜装置示意图	图3 电晕幅照加工机

3．抗菌防臭材料研究

3.1织物抗菌防臭机理

用于纺织品的抗菌剂主要有两大类: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的抗菌作用，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，与细胞内巯基结合，引起细菌代谢障碍而死亡。

抗菌防臭织物能抗致病菌、真菌主要基于以下三种机理:

其一，是有控制地释放机理。经过整理的织物在足够的湿度下有控制地释放出抗菌剂来，其速率足以杀死或抑制细菌和真菌的生长。

其二，是再生机理。抗菌织物，通过水洗等过程引起化学键断裂再生抗菌剂，使其表面的抗菌剂含量不断维持在一定水平。

其三，是通过将某种阳离子物质与纤维结合，在织物表面生成生物障碍体，达到静态抑菌的效果。

3.2抗菌防臭制品的研制

3.2.]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，必须与成型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物理机械性能。

有机类抗菌剂广谱抗菌、毒性小，但多不耐高温。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。

具有厂谱抗菌、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%。防丝工艺与普通丙纶基本相仿。

纺丝工艺，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。

3.2.2抗菌整理

由于天然纤维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。溶出型抗菌剂的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。本项目采用非溶出型抗菌剂进行后整理加工。

3.3性能测试

3.3.1测试样品

抗菌防臭袜，抗菌内衣布。

3.3.2水洗条件

采用防静电服标准GBI2703-91

3.3.3测试方法

改良的振荡瓶法。

3.3.4抗菌性能测试

表5 抗菌材料的实测值

测试菌种	抗菌内裤		抗菌袜
	初始	洗50次	初始	洗50次
金黄色葡萄球菌	I00	96	100	95
大肠杆菌	99.9	92	90	70
绿脓杆菌	100	98	100	96
白色念珠菌	99.9	93	100	92

4、"凉爽涤纶"理论及技术

在织物吸汗、透湿、快干理论研究的基础上，设计了专用多异多重复合变形涤纶长丝，因其良好的夏季服装的服用舒适性，吸汗、透湿、快干而誉为"凉爽涤纶"。它主要依据专用纺丝组件、特种喷丝板及特种冷却、凝聚、牵伸系统的物理改性方法实现汗液在纤维表面纵向沟槽中快速芯吸、传输，汗汽快速透湿，大比表面积汗水快速蒸发的导汗快干机理，根据异截面形状喷丝板孔高压喷出粘性流液表面张力使表面曲率发生变化，方程为:

K=K₀+(K_m-K₀)·exp(-bt)

式中K_m-化纤丝由喷丝孔压出对其点表面曲率，式中K₀-化纤丝折成圆形截面的曲率，t-喷出后的时间，K一喷出后t毫秒时该点的曲率。还有截面面积方程以及降温冷却方程，用计算机自动计算 (模拟异形喷丝孔形状与纺成化纤丝截面形状的变化过程和关系，以此为喷丝板设计基础及侧吹风及上油系统的设计基础)，使涤纶长丝具有沿轴向凹形沟槽，其纤维放大形状如照片图所示。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，更依赖异形截面丝的较大比表面积使汗液快速蒸发并干燥。

国际上导汗快干性最好的是美国Dupont公司的coolmax纤维，其电镜照片见图6。经实际穿着对比和模拟物理测试的对比结果见下表。在潮湿南方及驻港、驻澳部队和国庆阅兵部队实际使用证明，在湿热条件下具有较好的导汗、快干、凉爽功能。

表6 coolmax与化纤长丝交织的相似产品的对比情况表

	Coolmax	军港绸	军港呢	军港哗叭
芯吸高度(cm/30min)	11.87	16.78	14.43	12.25
透湿率(g/m2hr)	159.82	158.84	153.46	156.23
汽蒸透过率(m/m2·hr)	523.6	548.5	448.6	594.1
动态热湿比(W/m3mmHg)	6.52	6.66	6.76	6.03
吼隙率(%)	66.54	72.24	65.00	60.88