肖茹

    肖茹，博士，东华大学教授、博导，美国加州大学戴维斯分校访问学者。研究方向：纤维材料功能化和高性能化，纳米纤维及生物基纤维材料。主持完成了国家自然科学基金项目及省部级和企业委托项目，作为主要骨干参加或完成了国家973计划、863计划和科技支撑计划等。曾获国家科学技术进步二等奖和上海市科学技术进步一等奖，近年以第一作者或通讯作者发表论文50余篇，授权中国发明专利15项。曾获“上海市育才奖”和“东华大学优秀青年教师”等称号。

    材料、信息和能源是现代文明的三大支柱，其中材料是最基础的，对现代社会的发展和进步起着十分重要的作用。而依靠科学技术的快速发展，各具特色的新材料呈不断涌现之势，以满足社会逐步发展和人们日益提高的使用需求。化学纤维是重要的材料种类，广泛应用于服用、家用和产业用纺织品领域。尤其是随着高性能化、多功能化和智能化纤维及其复合材料的发展，产业用纤维正被应用于防护材料和建筑材料等，以及农林、环保、交通、能源、医疗、信息等新领域，其增速将继续超过服用和家用纺织品对纤维的需求。

    今后相当长一个时期，纤维新材料的发展趋势是通过纤维学科与电子、纳米、生物技术等相关学科的渗透和交叉，研究与生命科学、信息技术、环保技术、新能源相关，且低碳环保的新纤维、新方法、新理论，以满足服用、家用、产业用各领域的需求。这种发展趋势主要体现在以下方面：纤维成分向复合、多重构筑及生物仿生方向发展；纤维性能向高性能化、高功能化及结构功能化方向发展；纤维尺度向细旦化、纳米化方向发展；纤维成形技术向高速高效、短流程、全自动和清洁化等方向发展；纤维品种开发方面由被动适应向主动创新设计方向发展。

    本文将主要介绍智能纤维、功能纤维、纳米纤维和生物基纤维等领域的研究发展现状。

1 智能与功能纤维

1.1 形状记忆纤维

    具有形状记忆功能的纤维是智能纤维材料的一个重要分支。形状记忆纤维是指具有某一原始形状的纤维制品能够感知环境变化的刺激，对其力学参数进行调整，从而恢复到初始形状的一种智能纤维。目前对形状记忆纤维的研究主要包括制备条件及其结构性能；不同刺激条件，温度、湿度响应和异形形状记忆纤维等均被研究和开发[1]。形状记忆纤维在服装、医用、建筑、军事等领域将具显著的应用潜力。服装设计师利用形状记忆纤维通过对温度和湿度的控制打造了可变形的时装；医用绷带、接骨器、心血胆管食道和泌尿科手术用支架等领域产品需要优良的形状记忆功能[2]。

1.2 阻燃纤维

    阻燃纤维是指离开火焰后，能较快地结束续燃和阴燃的纤维。由于聚合物材料的可燃性会对人们的生命和财产安全造成巨大威胁，因此对其阻燃研究已引起人们高度重视。纤维制品由于轻薄、比表面积大，通常极易被点燃，并且其使用时大多处于垂直状态，被引燃后火焰快速向上传播，因此阻燃改性尤显重要。同时由于纤维材料直径小，其制备条件较塑料、橡胶等制品苛刻，因此其阻燃处理特别困难。

    阻燃纤维及织物的制备方法主要包括共混法、共聚法、织物后处理，三种方法各有优缺点，在实际应用中要根据不同成纤聚合物的性质及使用条件灵活选择。目前阻燃纤维主要通过在聚合物基体中引入阻燃剂以减缓或阻止聚合物燃烧而达到阻燃目的，阻燃剂品种繁多，包括卤系、氮系、磷系和无机系等，它们的阻燃机理也不尽相同，至今被大家明确的阻燃机理主要有：气相阻燃机理、凝聚相阻燃机理和中断热交换阻燃机理。阻燃的聚酯纤维、粘胶纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维等的研发或生产都有报道，有些品种相对完善，但总体上我国的阻燃纤维仍处在发展阶段。如今，阻燃纤维材料不仅要满足严格的阻燃标准，而且在强度、耐磨性、染色性、透气性、耐洗性、手感等方面应满足消费者日益提高的要求，因此纤维及其纺织品的阻燃比以往面临更多的挑战。

1.3 调温纤维

    调温纤维具有双向温度调节作用，是一种新型的舒适性纺织品材料。通常，调温纤维通过在其内部加入相变材料（PCM）而实现。当外界环境温度升高时，织物内的相变材料吸热熔化变为液态，此过程称为PCM的制冷过程；而当外界温度降低或人长时间处于静止状态时，相变材料由液态变为固态，同时释放先前储存的热量，此过程称为PCM的制热过程。调温纤维能根据外界环境温度的变化，伴随纺织品中所包含的相变材料发生固-液可逆变化，从环境中吸收热量储存于纺织品内部，或放出纺织品中储存的热量，在纺织品周围形成温度基本恒定的微气候，从而实现温度调节功能。随着消费需求加大和国内外科研人员的不断研发，调温纤维市场前景广阔。

2 纳米纤维

2.1 聚合物基纳米纤维及其功能膜
    纳米纤维由于具有长径比和比表面积大、孔隙率高、与其他物质的互相渗透力强、易于功能化等特性可以满足过滤吸附、生物医用、能源电子[3,4]等应用领域的要求。纳米纤维膜可有效地过滤10μm以下的小颗粒，在其表面添加纳米颗粒或其他纳米材料，可进一步增大纤维过滤材料的比表面积，提高过滤效率[5-7]。丁彬等经静电纺丝法制备聚苯乙烯、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇等有机纳米纤维成功应用于气体传感器领域[8]。纳米纤维膜可避免无机材料、有机高分子材料和碳质材料等传统吸附剂所带来的二次分离的弊端，成为理想的金属离子吸附模板材料[9-11]。纳米纤维与二氧化钛纳米组分复合[12,13]，因其具有高活性、无需载体、较大的比表面积及纳米级多孔结构而成为广泛应用的新型光催化材料。通过导电高分子、碳纳米管、石墨烯等材料对纳米纤维进行导电性改性，可进一步扩大纳米纤维在电学领域的应用[14,15]。

    聚乳酸、壳聚糖等生物相容性纳米纤维[16,17]材料在生物医学领域的应用也是目前科学研究的热点，现主要应用于伤口修复、组织工程[18]、细胞载体以及药物输送[19]等领域。Liu[20]以水溶性聚酯为基体、聚乳酸（PLA）为分散相通过熔融共混挤出法，成功制备了平均直径在400nm以下的PLA纳米纤维。

2.2 碳纳米管纤维

    碳纳米管（CNTs）是由呈六边形排列碳原子所构成的数层至数十层同轴圆管。由于碳纳米管优异的机械、电学、光学、电化学性能，以及大的长径比和比表面积等优点，其在聚合物复合材料、透明电极材料、高性能纤维、储能材料、传感器及生物医药等诸多领域均具有重要的应用前景。但由于碳纳米管复合制备的材料往往不均匀，结构和性能也难以控制，为此制备宏观碳纳米管纤维成为了选择。目前碳纳米管纤维的强度可达2.4GPa，直径一般为2~20nm[21]。碳纳米管纤维制备方法主要有溶液纺丝、碳管阵列抽丝和浮动催化化学气相沉积（CVD）纺丝等[22]。近年来彭慧胜等[23,24]将碳纳米管纤维发展成超级电容器、太阳能电池、智能纤维等纤维状光电转换与储能集成器件，在一根纤维上同时实现光电转换和储能，在全纤维状能源系统迈出了关键一步，而后期可将其应用于可穿戴纺织品和各类便携式电子设备[25]，未来有望给人类生活带来新的科技革命。

2.3 石墨烯纤维

    石墨烯是由碳原子以sp2杂化结构连成的二维单原子片层碳纳米材料，其基本结构单元为有机材料中稳定的碳六元环。自2004年由曼切斯特大学Geim等科学家发现以来[26]，石墨烯以独特结构和优异的电、热、光、机械等系列综合性能引起广泛关注。2011年高超等[27]基于液晶原液经湿法纺丝一维有序组装的原理实现了石墨烯液晶的纺丝，首次制得连续的石墨烯纤维。之后又有多个团队对石墨烯成纤进行研究，如曲良体等[28]采用受限热致凝胶化方法制备了纯石墨烯纤维，Kim等[29]，通过电泳自组装的方法制备石墨烯纤维。添加其他物质可制备特定功能的石墨烯复合纤维，如高建平[30]将GO与天然高分子海藻酸钠共混纺丝，所得复合纤维拉伸强度较纯海藻酸钠纤维提高43%。石墨烯纤维具有良好的电学性能、机械性能和导热性能，故可应用于制造纤维状的电子器件，如太阳能电池、纳米发电机、热电转换器等[31]。而柔性好、可弯曲的特性使其可编织成织物制备可穿戴的器件。

3 生物基纤维

    20世纪以来，石化产业迅速发展，石油基高分子材料覆盖了我们生活的方方面面。它的使用在满足我们日常需要的同时，也带来了“白色污染”和“温室效应”等环境问题。相比之下，生物基材料来源广泛且属于可再生资源，若能加以利用，能在很大程度上缓解资源危机。生物基高分子材料理论上可以100%替代石油基的同类产品。因此，鉴于资源和环境的双重压力，研究和开发以生物质为原料的新型高分子材料日益引起人们的关注，世界各国均加快对生物基高分子材料的开发利用的步伐。1999年美国发布“发展生物基产品再生物能源”的总统令，提出要着重发展可再生资源。美国能源部预计，2020年源于植物可再生资源的基本化学结构材料将达10%，到2050年生物基材料将达50%。此外，我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020）中把农林生物质的研究与开发列为重要的主题之一；国家重点支持的高新技术领域中也明确提出“以可再生的生物质为原料制备高分子材料”，并将生物基化学纤维列为新兴产业，鼓励发展新型生物基纤维材料。

    在强大的政策引导及相关产业的共同努力下，我国在生物基化学纤维领域已开发出较为完整的、具有鲜明特色的品种。生物基化学纤维包括生物基再生纤维和生物基合成纤维。生物基再生纤维是以生物质为原料所制备的纤维。目前，具有代表性的生物基再生纤维包括纤维素纤维（涉及棉短绒浆、木浆、竹浆、麻浆纤维等）、海藻纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维、蛋白纤维等[32]。生物基合成纤维是以生物质为原料经发酵等方法制备小分子，再经聚合制备高分子后纺丝成形所制备的纤维。生物基合成纤维取决于生物基化学品，现在来源于生物质资源的生物基化学品有很多，其中大多数主要是以生物质糖类（以木糖为主的五碳糖和以葡萄糖为主的六碳糖）为原料通过生物方法或化学方法制备[33]。这些化学品有的可以直接利用，有的可以衍生出有用的化学品。目前，常用的生物基合成纤维主要包括聚乳酸（PLA）纤维、聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）纤维、聚对苯二甲酸多元醇酯（PDT）纤维、可生物降解羟基丁酸——羟基戊酸共聚酯（PHBV）纤维等。

4 展望

    纤维新材料作为高新技术材料科学的重要分支，近年来发展十分迅速。由于其优异性能及可设计的特点，不仅为人们提供服用性能良好的高感性纤维，还将为海洋开发工程、生物医学工程、航天航空工程等领域提供工程材料和结构材料，并将成为这些领域战略性新材料。随着纤维科学的基础理论和工艺技术的进一步发展，未来品质更加稳定优良及性能更加卓越突出的纤维新品种将继续问世，成为改善人们生活质量、促进国民经济持续发展不可或缺的新材料。