远红外纺织品发展综述vqq-37
王强 曹徐苇 范雪荣 （江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡 214122）
资料来源：第七届后整理年会征集稿
【摘要】文章介绍了远红外纺织品的发展概况，对远红外织物的作用机理及其功能进行了分析，探讨了远红外织物的加工以及性能测试方法，提出了测试中存在的一些问题，最后展望了远红外纺织品的前景。
【关键词】远红外；纺织品；测试方法；功能
1 远红外纺织品国内外发展概况
20世纪80年代中期以来，远红外织物相关专利在日本大量涌现，形成一股开发热潮。日本文献评价，在常温下4～14µm波段，远红外发射率达65%以上的物质可以用于远红外织物的开发。钟纺公司的“玛索尼克”纤维是将远红外陶瓷粉掺入尼龙或聚丙烯腈纺成纤维，或者是涂敷在纤维表面而纺成纱线；可乐丽公司的“洛恩威普”是将远红外陶瓷粉混入聚酯纺出的纤维；旭化成公司开发出新型尼龙保暖织物“SOLAR -V”，该织物采用碳化锆陶瓷溶液涂层，主要用于滑雪衫；东丽公司与ESN 公司共同开发出“梅卡库伦”
聚酯涂层织物，该织物表面涂有热敏性涂料，可根据外界温度的高低改变颜色而自动调节对太阳能的吸收；尤尼吉卡公司在采用碳化锆陶瓷材料生产出“SOLAR - a”聚酯和聚酰胺两种织物的基础上，又开发出由其它白色陶瓷材料将黑色碳化锆陶瓷材料多层包覆的白色蓄热保温材料，进一步拓宽了该类纤维材料的服用范围；东洋纺公司推出的远红外聚酯织物“Louvro”和“Ohdus”具有优良的悬垂性、良好的触感以及优雅的色泽。
我国开发远红外织物始于20 世纪90 年代初，代表性的产品有：江苏省纺织研究所开发的远红外涤纶短纤维；华东理工大学和上海第十化学纤维厂合作开发的1.67 dtex ×
2 远红外纤维的作用原理
2.1 远红外线特征
在电磁波谱中，红外线位于可见光和微波之间，其波长为0.76～1000µm。由于红外线在电磁波谱中占据很宽的范围，所以又分为近、中、远三部分，一般波长范围在4～1000µm的波称为远红外波。远红外线有以下特征：
(1)远红外线具有光线的直进性、屈折性、反射性、穿透性。它的辐射能力很强，可对目标直接加热而不使空间的气体或其它物体升温。
(2)远红外线能被与其波长范围相一致的各种物体所吸收，产生共振效应与温热效应。
(3)远红外线能渗透到人体皮下，然后通过介质传导和血液循环热量深入到细胞组织深处[2]。
2.2 远红外纺织品的特性
研究表明处在绝对零度以上的任何物体都在发射远红外线，因而，普通纺织品在常温下也具有一定的远红外辐射作用。通常将常温下远红外发射率大于65％的织物称为远红外织物，性能优良的远红外织物，其常温远红外发射率应在80％以上。大量实验证明，纤维中加红外辐射性陶瓷粉的含量与发射率间呈现复杂的曲线关系。一般远红外陶瓷粉的含量在4％～15％时，远红外发射率出现极值。远红外纺织品能在接受外界能量之后，辐射出3～25µm的远红外光波。特别是4～14µm波长的远红外线对生物的生长发育有密切的关系，甚至有人将这部分远红外线称为“生育之光”。
远红外纤维又分为保暖型和保健型两种。保暖型属于保温蓄热纤维，主要是用于保暖功能方面的产品；保健型主要是增加微循环功能[3 ,4]。
2.3 远红外织物的作用机理
人体既是远红外的辐射源，又能吸收远红外辐射。由于人体60 %～70 %为水，故人体对红外辐射吸收近似于水，人体组织所拥有的特定振动频率和回转周波数与人体组织中的O-H 和C-H 键伸展，C-C、C=C、C-O、C=O、C-H 及O-H 键弯曲振动对应的波长大部分在3～6µm波段，根据匹配吸收理论，当红外辐射的波长和被辐照的物体吸收波长相对应时，物体分子共振吸收。也就是说远红外纤维的分子振动频率与人体组织中相同振动数的水分子相遇，水分子的能量吸收又激起另一次振动，结果引起共鸣共振的作用。4～14µm 波长的远红外线具有一定的渗透力，能够深入皮下组织，引起生物体中偶极子和自由电荷在电磁场作用下发生排序振动，进而引发分子、原子的无规则运动加剧，于是产生了热反应，使皮下组织升温，进而改善微循环，加强了细胞的再生能力，提高了免疫细胞的吞噬功能，促进生物体的代谢及生长发育[4, 5]。
3 远红外纺织品加工技术
3.1 远红外添加剂
远红外添加剂目前主要采用远红外陶瓷粉。常见的远红外辐射性物质见表1
表1 常见远红外辐射性物质
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名称 |
远 红 外 辐 射 性 物 质 |
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氧化物 |
MgO、Al2O3、TiO2、SiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、ZrO2、BaO、莫来石、堇青石等 |
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碳化物 |
B |
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氮化物 |
BN、AlN、Si3N4、TiN等 |
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硅化物 |
TiSi2、MoSi2、WSi2等 |
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硼化物 |
TiB2、ZrB2、CrB2等 |
常用两种乃至两种以上的陶瓷粉末进行混配，使其远红外发射性能适合人体需要而达到最佳效果[6]。
(1)低温比辐射率高。一般认为辐射体的比辐射率应达到80%以上。
(2)
添加剂应具有较小的粒径，且能均匀分散。用于织物后整理的远红外粉的粒径要求略低，一般平均粒径在5～10µm左右即可使用。粒径过大会影响产品的手感、使用效果和在加工过程中的涂覆混合液的稳定性。用于纤维的远红外粉的粒径要求则高一些，最好在0.1～1.0 µm之间，纺丝时不易堵塞喷丝板。
(3)化学性能稳定且无毒。在纺丝过程中，添加剂在高温下不分解，不对纺丝设备构成腐蚀，不伤害人体，不污染环境。
远红外纤维中远红外粉的含量在1%～10%之间为宜，低于1%时显现不出纤维的远红外性能，而高于10%时，纤维的可纺性差。采用涂层法加工的远红外织物，远红外粉含量可略大，一般在4%～15%之间。同时，要认真选择粘合剂和其它助剂，保证它们既不影响比辐射率，又有较好的分散性能，并且使用时有良好的牢度和手感。
远红外添加剂加工过程大致为：远红外陶瓷材料→(混合) →高温烘焙→超细粉碎→远红外超细粉末[2]
3.2 远红外纤维的加工方法
远红外纤维制备方法分为熔融纺丝法、共混纺丝法和涂层法三大类。
按远红外辐射材料微粉添加过程和方法，远红外纤维的熔融纺丝法有四种工艺路线。
(1)全造粒法：在聚合过程中添加远红外陶瓷微粉制成远红外材料的切片。远红外微粉与成纤聚合物混合均匀，纺丝稳定性好，但由于再造粒工艺的引入，使生产成本增高。
(2)母粒法：将远红外陶瓷微粉制成高浓度远红外母粒，再与定量成纤聚合物混合后纺丝。该方法设备投资较少，生产成本较低，工艺路线较成熟。远红外聚酯纤维纺丝的工艺流程如图1所示。
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图1 母粒法远红外聚酯纤维纺丝工艺流程 |
(3)注射法：在纺丝加工过程中，用注射器将远红外粉直接注入成纤聚合物熔体中而制成远红外纤维。该方法技术路线简单，但远红外粉与成纤聚合物的均匀分散有困难，且需进行设备改造，添置注射器。
(4)复合纺丝法：以远红外母粒为芯，聚合物为皮，在双螺杆复合纺丝机上制成皮芯型远红外纤维。该方法技术难度高，纤维的可纺性好，但设备复杂，成本高。
共混纺丝法是将远红外粉体在聚合物聚合过程中加入反应体系，从切片开始就具有远红外发射功能，该方法的优点是生产易于操作，工艺简单。
涂层法是将远红外吸收剂、分散剂和粘合剂配成涂层液，通过喷涂、浸渍和辊涂等方法，将涂层液均匀地涂在纤维或纤维制品上，经烘干而制得远红外纤维或制品的一种方法。其优点是工艺操作简便，成本较低，对远红外陶瓷粉的要求不高。缺点是制得纤维的手感及耐洗涤性能差，不适于后加工织造。目前本法多用于加工远红外非织造织物和制品。涂层法一般有两种加工方法：
(1) 将低温烘焙型金属氧化物与涂层剂混合，再涂覆到织物上，其反应如下：
式中，M为金属钛、铝、硅等；R为甲基、乙基、丁基等。
该方法是将具有远红外发射性能的陶瓷物质涂敷在织物上，在焙烘过程中形成金属氧化物，且颗粒细而分布均匀，但对原料限制较严，成本较高。
(2)先把远红外粉均匀分散在涂层剂中，再涂覆到织物上。显然，应对所用陶瓷粉的种类、粒径大小及分布宽度，与涂层剂的最佳配比以及涂层剂的种类等做出选择。
所用粘合剂（涂层剂）大都为聚氨酯、丙烯酸酯系列树脂。在涂敷到织物上之前，还需在树脂中添加交联剂，以保证涂层有一定的强度。
涂层工艺流程：织物→涂层剂底涂→烘干→面涂→烘干→烘焙[6]
4 远红外纺织品的性能测试
4.1 辐射性能的测试
远红外辐射性能一般以比辐射率（发射率)来表示。一切物体都有其自身的红外辐射特性。远红外发射率是远红外性能评价的直接指标。发射率又分为半球发射率和法向发射率。法向发射率又包括法向光谱发射率和法向全发射率两个指标。半球发射率又包括半球全发射率（半球积分发射率）和半球光谱发射率。国外一般采用法向发射率来衡量产品的远红外辐射性能，而国内没有统一的测试方法。远红外发射率均采用傅立叶红外光谱仪测定[2,6]。
4.2 保温性能的测试
保温性能的测试方法主要有：热阻CLO(克罗)值法、传热系数法、温差测定法、不锈钢锅法、热源照射下保温性测定法等。
在
该方法的原理为在恒定温度的条件下，测定热源在无试样和有试样的两种情况下，仪器单位时间、单位面积散发的热量，从而计算出材料的传热系数，比较其保温性能的好坏。传热系数的定义为：材料表面温度为
式中，U2为试样传热系数；Ubp为无试样时试验板的传热系数；U1为有试样时试验板的传热系数；A为试验板的面积，m2；P，P，分别为无试样和有试样时热量的损失，W；N为测试仪电加热器功率，W；t1，t，1分别为无试样和有试样时累计加热时间；t2，t，2分别为无试样和有试样时总试验时间；Tp为测试仪内部的恒定温度；Ta为织物外表面气流温度[7]。
在黑体热板上分别装上测定试样和对比试样， 在试样上方位置上放置红外测温仪，放置2O分钟后，在荧光屏上读取各试样的温度值，并求出与对照样品的温度差以ΔT℃表示。
在高
取样要求:取用远红外纤维制成的针织物或机织物时，应在离段头大于
测试条件:温度25士
测试仪器：250W 红外灯，高灵敏红外测温仪，铁丝框架，秒表。
测试方法：将试样固定在铁丝框架上，红外灯(1)以450角置在距试样
红外织物与空白样品表面温度的差值即为温升值(△T)，即 △T（℃）= T - T0
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图2 温升测试示意图 |
实际物体的辐射和吸收比黑体要复杂得多，其特性取决于许多因素，如物体的组成成分、表面粗糙度、辐射波长、表面入射的辐射光谱分布等。
相对而言，使用非接触测温的红外测温仪测温时不干扰纺织品自身的温度场，相对测温较为准确。红外测温仪的测温原理为维恩定律：对应于最大单色辐射力的波长λm与物体的绝对温度T存在如下关系式：
λm T = 2.8976 ×
10
由于实际中的物体不会是黑体，红外辐射测温仪的传感器不可能在全波长范围内检测出辐射能量。对于辐射率（俗称灰色系数）ξ=0.05的金属，其表面总辐射温度T只有真实温度的一半左右。一般织物只能近似视为一定程度的灰体，但不同织物其灰体程度不一样，特别是对于添加陶瓷颗粒的纺织材料而言，其综合灰体程度肯定与一般织物不一样，温度计测出的温度与真实温度有一定差异。另外，在有附加的红外光源照射织物时，测试的背景条件受到干扰，特别是织物的红外透射量或反射量会产生额外的附加量，严重干扰实测值。
第四种及第五种方法主要涉及到织物热阻以及红外透射率的影响。不同织物其透射率不一样，其所引起的温升也不一样，不同热阻的织物其保温能力也不一样。因此，织物最终的保温能力会不一样。测试方法中要排除透射率及热阻的影响也较为困难。因此，要找出科学合理的方法才能真正表征出材料本身吸收红外温升的能力，而排除其他因素的干扰和影响[9]。
4. 3 人体试验法
人体试验法包括3种方法：
（1）血液流速测定法。既然远红外织物有改善微循环、促进血液循环的作用,那么就可以通过人体试用远红外织物,测试其对人体的血液流速是否有加快的作用。
（2）皮肤温度测定法。分别用普通织物和远红外织物制成护腕,套在健康者的
手腕上，在室温下，在一定的时间内，用测温仪分别测得皮肤表面的温度，求出温度差。
（3）实用统计法。用普通纤维和远红外纤维制成棉絮类的制品，分别让一组试用者试用，根据使用者感受对比，统计出两种织物的保暖性能[1]。
5 远红外纺织品的功能
5．1 保温功能
用于服装方面的保温材料可分为两类，一类是单纯阻止人体的热量向外散失的消极保温材料，如棉絮、羽绒等；另一类是通过吸收外界的热量（如太阳能等）并储存起来，再向人体放射，从而使人体有温热感，这一类材料称为积极保温材料，远红外织物就属于这一类。
太阳光谱峰位于0.6µm附近，从0.3～2µm的光能量占太阳能的95%，因而远红外织物是优良的积极保温材料，用做服装，一般可使人的体感温度升高2～
5．2 保健作用
从物理学角度看，人体是一个天然红外辐射源。无论肤色如何，皮肤的比发射率均为0.98。人体表面的热辐射波长在2.5～15µm范围，峰值波长约在9.3µm处，其中8～14µm波段的辐射约占人体总辐射能量的46%。利用远红外线的热效应和非热效应治疗某些常见病、多发病和疑难病，常常具有较好的疗效。人体细胞生长繁殖以脱氧核糖核酸的合成复制为基础，其双螺旋结构中含有大量氢键，这些氢键的断裂和结合需要相应的远红外光子能量。在远红外光照射下，生物体的分子能级被激发而处在较高振动能态下,这便激活了这些引起生物大分子的活性,补充了生物能量，形成了调节机体代谢和免疫功能的能力。另一方面，远红外线作用于皮肤，被皮肤吸收转化为热能，引起温度升高，刺激皮肤内热感受器，通过丘脑反射使血管平滑肌松弛，血管扩张，血液循环特别是微循环加速，增加组织营养，改善供氧状态，加强了细胞再生能力，加速了有害物质的排泄，减轻了神经末梢的化学刺激和机械刺激。因此，远红外线通过热效应实现其保健理疗功能，促进伤口愈合和炎症收缩，降低末梢神经的兴奋性，解除肌肉痉挛，产生镇痛作用[5,11]。
5．3 抗菌作用
远红外织物对细菌有明显的抑制作用，我国现已开发出的远红外涤纶的抑菌率为：白色念珠菌99. 98 %；金黄葡萄球菌为99. 85 %；大肠杆菌77. 27 %。因此适宜于制作卫生用品，如医院病房用床单、医疗用衣、纱布，以及食品和包装行业用品等[1]。
6 结语
随着人民生活水平的提高，人们对衣着轻暖舒适和保健的要求日渐强烈，远红外纤维的研制开发正是顺应了人们这种需要。我国已有很多化纤企业、染整企业、纺织企业加入了这一行列。远红外纺织品适应了人类社会对健康舒适的普遍要求，同时也提高了纺织产品的附加值，随着远红外织物开发技术的普及与提高，随着社会对远红外保健价值的认识和追求，我国远红外织物的市场一定会发展起来[12]。
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