近日，中山大學材料科學與工程學院的研究人員開發了一種發泡TPU纖維，其用于紡織品時可以持續保持涼爽。相關研究發表在《NPG亞洲材料》上。

多孔材料因其良好的隔熱性、柔韌性和超輕等優點而被廣泛用于各種場景。發泡技術通過在聚合物中引入均勻分布的泡孔結構，為多孔材料創造了更多的應用領域。近十年來，該研究團隊圍繞多組分聚合物微孔材料的制備和多孔材料的功能應用進行了系統的研究。

他們提出以TPU為基材，采用微擠出發泡技術，制備具有各向異性泡孔結構的發泡TPU纖維和泡沫織物（FT-面料）。由于FT-面料的多級泡孔分布和聚合物在中紅外光譜（MIR）波段的振動吸收，制備的FT-面料的近紅外反射率>97％，可實現有效的輻射冷卻。FT-面料的多孔結構使其具有超低密度，能夠在水中提供額外的浮力。作為概念演示，FT-面料能夠在海邊場景中發揮冷卻和浮力支撐等作用，為新型功能服裝提供了可行的途徑。

概述

閉孔和開孔聚合物泡沫塑料具有重量輕、功能多的特點，已廣泛應用于航空航天、汽車、5G基站、運動防護、建筑、水處理等各個領域。閉孔結構中的空氣使聚合物泡沫具有低密度、隔熱、緩沖和低介電性能，而開孔結構的多通道結構和毛細管效應賦予聚合物泡沫塑料分離、過濾、吸聲和液體吸附性能。遺憾的是，傳統的發泡技術往往使用非環保型發泡劑或涉及使用大量溶劑，難以達到碳達峰、碳中和的發展目標。

超臨界CO2和N2液體是綠色且無殘留的物理發泡劑，已用于制造微孔聚合物。微孔發泡工藝包括在高壓下形成均勻的聚合物/流體，以及通過加熱或壓力淬火對聚合物/氣體進行相分離而引起的氣泡成核。成核氣泡在流體擴散過程中逐漸增加，形成具有微孔甚至納米孔結構的聚合物泡沫。連續擠出發泡、注射成型發泡和間歇法發泡是制造微孔聚合物的三種關鍵發泡方法，其中，間歇法發泡最受歡迎，因為它的加工參數和設備易于控制。在過去的10年里，該研發團隊在批量工藝的基礎上開發了各種發泡技術來制造珠狀泡沫、發泡膜、3D形狀的泡沫，并基于各種聚合物體系，例如熱塑性彈性體、可生物降解塑料、高性能塑料。

隨著合成纖維工業的快速發展，具有特殊性能的纖維材料不斷問世，其應用逐漸從傳統的服裝領域擴展到航空航天、環境能源、生物醫學等高科技領域。多孔纖維作為一種新型纖維材料，因其高孔隙率、低密度和優異的保溫性能而受到廣泛關注，被認為是一種有效的保溫纖維，有望顛覆和取代超細纖維。制備多孔纖維的技術大多是冰晶模板法、相分離和定向蝕刻。這些方法雖然已成功制備了多孔纖維，但面臨著強度不足、功能單一、制備工藝復雜、難以準確控制泡孔結構等挑戰，極大地限制了多孔纖維的實際應用。

超臨界流體物理發泡技術已得到廣泛發展并用于制造發泡塊狀材料，但關于將發泡技術引入纖維領域的研究卻很少。由于發泡劑會迅速從小直徑纖維中逸出，因此在發泡過程中很難在纖維基體內實現發泡結構。在最近的研究中，該研究團隊開發了微擠出發泡技術來制備發泡TPU纖維。

研究人員以超臨界N2為物理發泡劑，采用微擠出物理發泡法制備了一種TPU基彈性輕質泡沫纖維。有趣的是，所制備的泡沫纖維具有出色的輻射冷卻能力，密度低于海水。他們研究了編織多孔織物在夏季海濱場景中的潛在用途。討論了泡孔結構對織物紅外輻射反射和吸收以及泳衣織物浮力的影響。由于微擠出物理發泡工藝的規模，所開發的TPU基彈性泡沫纖維具有大規模生產的前景，可用于高科技功能服裝。

發泡TPU纖維和FT-面料的物理特性

在微擠出發泡過程中，通過快速加熱誘導氣泡成核，并在固定溫度下通過微擠出機中的氣體擴散增強氣泡生長，從而在TPU長絲內部形成多孔結構。在纖維剖面部分，纖維內部形成了致密且不規則的多孔結構。與常見的冷凍干燥或相分離方法相比，微擠發泡形成的泡孔結構呈更規則的橢圓形，直徑更小，結構更緊密，空腔和微孔也有所收縮。為了實現發泡TPU纖維在服裝上的應用，研究人員使用針織橫機進行編織，所得織物可以形成完整、致密的結構，適用于功能性應用。

研究人員發現，發泡TPU纖維具有良好的耐磨性能，可以通過針織機制造大面積的織物。此外，他們還測試了FT-面料、防曬布和泳衣的拉伸應力-應變曲線。FT-面料的強度也明顯高于泳裝，接近商用防曬布。結果表明，所制備的FT-面料具有優異的機械性能，易于織造成功能性紡織品。

研究人員設計了一個實驗裝置，以驗證FT-面料在的冷卻性能。在一天中最熱的時間（上午10:00至下午 15:00）將覆蓋著FT-面料、防曬布和泳衣的模擬皮膚暴露在陽光下?？傮w而言，當材料放置在水面上時，三種不同紡織品的溫度變化相對平滑，而覆蓋著FT-面料的模擬皮膚溫度明顯低于防曬布和泳衣在地面上的皮膚溫度。FT面料的平均溫度為39.2°C，遠低于防曬布（43.4°C）和泳衣（46.1°C）。

他們還分別測試了不同紡織品在水和陸地上的溫度變化。FT-面料的溫度變化與其他紡織品相比相對平穩，沒有出現明顯的峰值溫度。這是由于FT-面料的多孔結構具有低導熱性，可以減慢熱交換并將內部溫度保持在穩定范圍內，同時在水中冷卻。防曬布和泳衣在水中的平均溫度變化也低于地面，但都明顯高于 FT-面料。

透氣性和透濕性也是影響其服裝穿著舒適度的關鍵因素，因此研究人員測試了三種紡織品的透氣性和透濕性。防曬布通常在滌綸織物表面采用抗紫外線涂層，以達到低于太陽輻射的效果，因此不可避免地會犧牲其透氣性和透濕性。另一方面，FT-面料表現出極好的透氣性和透濕性，這使得它在任何情況下都穿著舒適。此外，用戶暫時離開水后的舒適度也值得考慮，而這個過程在很大程度上取決于泳衣出色的速干性能。FT-面料的殘余含水量在6分鐘內迅速下降至20%，并趨于穩定，而防曬布和泳衣的殘余含水量變化較小。最后，由于海水中含有氯化鈉、氨和碘等物質，因此具有良好的耐候性至關重要。為了測試FT-面料的耐候性，他們將三種紡織品的相同區域浸入海水中，并將其放在戶外8周，并每周記錄其質量的變化。經過8周的耐候性測試后，FT-面料的重量減少了0.03 g，而泳衣的重量減少了0.11 g，這證明了 FT-面料具有良好的穩定性。

結論

該研究團隊通過微擠出物理發泡技術開發并驗證了一種新型的功能性服裝。通過將發泡技術引入纖維制備中可以解決目前纖維難以減重和功能性的問題，具有廣泛的潛在應用。首先，FT-面料可以有效地反射近紅外陽光。其次，由于FT-面料可以提供浮力、透氣性和透濕性、快干性能和耐候性，這為游泳場景中的用戶帶來了安全性和舒適性。最后，這種發泡TPU纖維的制備工藝具有像目前常見纖維一樣大規模生產的潛力，這對功能性服裝的未來發展具有重要意義。