近日，中山大学材料科学与工程学院的研究人员开发了一种发泡TPU纤维，其用于纺织品时可以持续保持凉爽。相关研究发表在《NPG亚洲材料》上。

多孔材料因其良好的隔热性、柔韧性和超轻等优点而被广泛用于各种场景。发泡技术通过在聚合物中引入均匀分布的泡孔结构，为多孔材料创造了更多的应用领域。近十年来，该研究团队围绕多组分聚合物微孔材料的制备和多孔材料的功能应用进行了系统的研究。

他们提出以TPU为基材，采用微挤出发泡技术，制备具有各向异性泡孔结构的发泡TPU纤维和泡沫织物（FT-面料）。由于FT-面料的多级泡孔分布和聚合物在中红外光谱（MIR）波段的振动吸收，制备的FT-面料的近红外反射率>97％，可实现有效的辐射冷却。FT-面料的多孔结构使其具有超低密度，能够在水中提供额外的浮力。作为概念演示，FT-面料能够在海边场景中发挥冷却和浮力支撑等作用，为新型功能服装提供了可行的途径。

概述

闭孔和开孔聚合物泡沫塑料具有重量轻、功能多的特点，已广泛应用于航空航天、汽车、5G基站、运动防护、建筑、水处理等各个领域。闭孔结构中的空气使聚合物泡沫具有低密度、隔热、缓冲和低介电性能，而开孔结构的多通道结构和毛细管效应赋予聚合物泡沫塑料分离、过滤、吸声和液体吸附性能。遗憾的是，传统的发泡技术往往使用非环保型发泡剂或涉及使用大量溶剂，难以达到碳达峰、碳中和的发展目标。

超临界CO2和N2液体是绿色且无残留的物理发泡剂，已用于制造微孔聚合物。微孔发泡工艺包括在高压下形成均匀的聚合物/流体，以及通过加热或压力淬火对聚合物/气体进行相分离而引起的气泡成核。成核气泡在流体扩散过程中逐渐增加，形成具有微孔甚至纳米孔结构的聚合物泡沫。连续挤出发泡、注射成型发泡和间歇法发泡是制造微孔聚合物的三种关键发泡方法，其中，间歇法发泡最受欢迎，因为它的加工参数和设备易于控制。在过去的10年里，该研发团队在批量工艺的基础上开发了各种发泡技术来制造珠状泡沫、发泡膜、3D形状的泡沫，并基于各种聚合物体系，例如热塑性弹性体、可生物降解塑料、高性能塑料。

随着合成纤维工业的快速发展，具有特殊性能的纤维材料不断问世，其应用逐渐从传统的服装领域扩展到航空航天、环境能源、生物医学等高科技领域。多孔纤维作为一种新型纤维材料，因其高孔隙率、低密度和优异的保温性能而受到广泛关注，被认为是一种有效的保温纤维，有望颠覆和取代超细纤维。制备多孔纤维的技术大多是冰晶模板法、相分离和定向蚀刻。这些方法虽然已成功制备了多孔纤维，但面临着强度不足、功能单一、制备工艺复杂、难以准确控制泡孔结构等挑战，极大地限制了多孔纤维的实际应用。

超临界流体物理发泡技术已得到广泛发展并用于制造发泡块状材料，但关于将发泡技术引入纤维领域的研究却很少。由于发泡剂会迅速从小直径纤维中逸出，因此在发泡过程中很难在纤维基体内实现发泡结构。在最近的研究中，该研究团队开发了微挤出发泡技术来制备发泡TPU纤维。

研究人员以超临界N2为物理发泡剂，采用微挤出物理发泡法制备了一种TPU基弹性轻质泡沫纤维。有趣的是，所制备的泡沫纤维具有出色的辐射冷却能力，密度低于海水。他们研究了编织多孔织物在夏季海滨场景中的潜在用途。讨论了泡孔结构对织物红外辐射反射和吸收以及泳衣织物浮力的影响。由于微挤出物理发泡工艺的规模，所开发的TPU基弹性泡沫纤维具有大规模生产的前景，可用于高科技功能服装。

发泡TPU纤维和FT-面料的物理特性

在微挤出发泡过程中，通过快速加热诱导气泡成核，并在固定温度下通过微挤出机中的气体扩散增强气泡生长，从而在TPU长丝内部形成多孔结构。在纤维剖面部分，纤维内部形成了致密且不规则的多孔结构。与常见的冷冻干燥或相分离方法相比，微挤发泡形成的泡孔结构呈更规则的椭圆形，直径更小，结构更紧密，空腔和微孔也有所收缩。为了实现发泡TPU纤维在服装上的应用，研究人员使用针织横机进行编织，所得织物可以形成完整、致密的结构，适用于功能性应用。

研究人员发现，发泡TPU纤维具有良好的耐磨性能，可以通过针织机制造大面积的织物。此外，他们还测试了FT-面料、防晒布和泳衣的拉伸应力-应变曲线。FT-面料的强度也明显高于泳装，接近商用防晒布。结果表明，所制备的FT-面料具有优异的机械性能，易于织造成功能性纺织品。

研究人员设计了一个实验装置，以验证FT-面料在的冷却性能。在一天中最热的时间（上午10:00至下午 15:00）将覆盖着FT-面料、防晒布和泳衣的模拟皮肤暴露在阳光下。总体而言，当材料放置在水面上时，三种不同纺织品的温度变化相对平滑，而覆盖着FT-面料的模拟皮肤温度明显低于防晒布和泳衣在地面上的皮肤温度。FT面料的平均温度为39.2°C，远低于防晒布（43.4°C）和泳衣（46.1°C）。

他们还分别测试了不同纺织品在水和陆地上的温度变化。FT-面料的温度变化与其他纺织品相比相对平稳，没有出现明显的峰值温度。这是由于FT-面料的多孔结构具有低导热性，可以减慢热交换并将内部温度保持在稳定范围内，同时在水中冷却。防晒布和泳衣在水中的平均温度变化也低于地面，但都明显高于 FT-面料。

透气性和透湿性也是影响其服装穿着舒适度的关键因素，因此研究人员测试了三种纺织品的透气性和透湿性。防晒布通常在涤纶织物表面采用抗紫外线涂层，以达到低于太阳辐射的效果，因此不可避免地会牺牲其透气性和透湿性。另一方面，FT-面料表现出极好的透气性和透湿性，这使得它在任何情况下都穿着舒适。此外，用户暂时离开水后的舒适度也值得考虑，而这个过程在很大程度上取决于泳衣出色的速干性能。FT-面料的残余含水量在6分钟内迅速下降至20%，并趋于稳定，而防晒布和泳衣的残余含水量变化较小。最后，由于海水中含有氯化钠、氨和碘等物质，因此具有良好的耐候性至关重要。为了测试FT-面料的耐候性，他们将三种纺织品的相同区域浸入海水中，并将其放在户外8周，并每周记录其质量的变化。经过8周的耐候性测试后，FT-面料的重量减少了0.03 g，而泳衣的重量减少了0.11 g，这证明了 FT-面料具有良好的稳定性。

结论

该研究团队通过微挤出物理发泡技术开发并验证了一种新型的功能性服装。通过将发泡技术引入纤维制备中可以解决目前纤维难以减重和功能性的问题，具有广泛的潜在应用。首先，FT-面料可以有效地反射近红外阳光。其次，由于FT-面料可以提供浮力、透气性和透湿性、快干性能和耐候性，这为游泳场景中的用户带来了安全性和舒适性。最后，这种发泡TPU纤维的制备工艺具有像目前常见纤维一样大规模生产的潜力，这对功能性服装的未来发展具有重要意义。