【行业动态】研究人员开发发泡TPU纤维，其面料能长期保持清凉。

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，用于纺织品时总能保持凉爽。相关研究发表在NPG亚洲材料上。

多孔结构因其良好的隔热性、柔韧性和超轻性而被广泛应用于各种场景。发泡技术通过在聚合物中引入均匀分布的气泡结构，为多孔结构创造了更多的应用范围。近十年来，研究团队系统地研究了多组分聚合物微孔材料的制备和多孔结构的功能应用。

它们提出以TPU为基材，选择微挤出发泡技术，制备各种泡孔结构的发泡TPU纤维和泡沫织物。（FT-布料）。由于中红外光谱中FT-布料的多层泡孔分布和高聚物。（MIR）波段振动吸收，FT-布料近红外反射率>97％，可以实现有效的辐射冷却。FT-布料的多孔材料使其密度极低，能在水中提供额外的浮力。作为概念演示，FT-布料能起到冷却、浮力支撑等作用，为新型功能服装提供了可行的途径。

简述

在航天工程、汽车、5G基站、运动防护、建筑、水处理等多个领域，闭孔和打孔高聚物泡沫具有重量轻、功能多的特点。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，而打孔结构的多路结构和毛细管效应赋予聚合物泡沫分离、过滤、吸音和液体吸附性能。遗憾的是，传统发泡技术通常采用非环保发泡胶或大量溶剂，很难达到碳达峰、碳中和的发展目标。

超级临界CO2和N2液体为绿色无残留物理发泡剂，已用于微孔聚合物的生产。微孔发泡工艺包括在高压下形成均匀的高聚物/液体，以及由于高聚物/气体通过加热或压力淬火相分离而产生的气泡成核。在液体扩散过程中，成核气泡逐渐增多，形成具有微孔甚至纳米孔结构的高聚物泡沫。持续挤出泡沫、注塑泡沫和间歇泡沫是制造微孔聚合物的三种关键泡沫方法，其中间歇泡沫是最受欢迎的，因为其加工参数和设备易于控制。在过去的10年里，R&D部门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、发泡膜和3D泡沫，并基于热塑性弹性体、生物降解塑料和高性能塑料等各种高聚物系统。

随着人造纤维行业的快速发展，独特的纤维材料不断出现，其应用逐渐从传统服装领域扩展到航天工程、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效果而受到广泛关注。它被认为是一种有效的保温纤维，有望颠覆和替代超细纤维。制备多孔纤维的技术多为冰霜模板法、相分离法和定向蚀刻。虽然这些方法已经成功制备了多孔纤维，但它们面临着强度不足、功能单一、制备工艺复杂、泡孔结构难以准确控制等挑战，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经广泛应用于制造发泡块状材料，但很少有研究将发泡技术引入纤维领域。发泡胶在发泡过程中无法在纤维基体中实现发泡结构，因为它会很快从小直径纤维中逸出。在最近的研究中，研究团队开发了微挤出发泡技术来制备发泡TPU纤维。

研究者采用超临界N2作为物理发泡剂，采用微挤出物理发泡法制备了TPU基弹性轻质泡沫纤维。有趣的是，泡沫纤维具有优异的辐射冷却能力，其密度低于海水。在夏季海滨场景中，他们讨论了编织多孔织物的潜在用途。探讨了泡孔结构对织物红外辐射的反射和吸收以及泳装织物浮力的影响。TPU基弹性泡沫纤维由于微挤出物理发泡工艺的规模，具有大规模生产的前景，可用于高科技服装。

制造过程

研究者选择微挤出发泡法来制备多孔弹性TPU纤维，如图1a所示，微挤出发泡工艺。选用N2作为绿色物理发泡剂，施加压力为25。 在饱和TPU长丝中，MPa饱和N2获得1.25。 wt％N2溶解性。泡沫纤维的制备可以分为三个步骤，包括(1)TPU长丝气体饱和，(2)TPU长丝气体饱和，(3)多孔TPU纤维在拉伸下收集。N2饱和的TPU长丝在微挤出发泡过程中穿过微挤出机，然后穿过喷嘴，在微挤出机中产生加热诱导的气孔成核，以及气体扩散驱动的气孔生长。当发泡聚合物/气体溶体从喷嘴中挤出并通过加热通道时，发泡溶体会凝结，形成的泡孔结构通过蒸发冷却趋于稳定。发泡纤维的泡孔形态可通过调整挤出机中发泡聚物/气体溶体的停留时间和加热通道中发泡纤维的拉申水平来调节。制备好的发泡纤维通过针织机编织成织物（FT-布料)，具有密度极低、弹性高、多孔等优点，可用于功能性服装。

人们常常戴着太阳帽、太阳伞、防晒服等，在太阳辐射强烈的海边环境中保护自己。与此同时，除天空中太阳辐射外，地面反射的热传递也不容忽视，它能不断地加热地面物体。所以，选择具有一定减温功能的材料，除了阻挡阳光外，还能帮助人们在炎热的环境中保持热舒适。海水的酸碱度、腐蚀性、海面的辐射强度、风、浪等都会影响到人体的舒适性和安全性。所以，在如此复杂的环境中，为了提高人们的舒适度，需要一种功能更加丰富、功能更加全面的服装。FT-布料能有效反射太阳辐射，防止紫外线损伤和近红外线加热，同时在大气窗内(8–13 μm）它具有很高的发射率，在调节体温和保持身体热舒适方面有一定的作用。另外，由于其极低的密度，优异的耐氯性，防紫外线，疏水，FT-布料可用于泳装，在水中为人体提供一定的浮力，同时快速干燥，保证身体上岸后的舒适。

泡沫TPU纤维和FT-布料的物理特性

在微挤出发泡过程中，通过快速加热诱导气泡成核，通过微挤出机中的气体在固定温度下扩散增强气泡生长，进而在TPU长丝内部形成多孔材料。纤维剖面部分，纤维内部形成致密且不规则的多孔材料。微挤发泡形成的泡孔结构与常见的冷冻干燥或相分离方法相比，呈椭圆形，直径更小，结构更紧密，内腔和微孔也收缩。为了实现发泡TPU纤维在服装中的应用，研究人员使用针织横机进行编织，获得的织物可以形成完整致密的结构，适用于功能应用。

研究人员发现，发泡TPU纤维具有良好的耐磨性，可以通过针织机制造大面积的织物。此外，他们还测试了FT-布料、防晒布和泳装的拉伸应力-应变曲线。FT-布料的强度明显高于泳装，接近商用防晒布。结果表明，制备的FT-织物具有优异的机械性能，易于纺织成功的纺织品。

为了验证FT-布料的冷却性能，研究人员设计了一种实验装置。一天中最热的时间(早上10天:00至下午 15:00)将覆盖FT-布料、防晒布和泳衣的模拟皮肤暴露在阳光下。一般来说，当材料放在水面上时，三种不同纺织品的温度变化相对光滑，而覆盖FT-织物的模拟皮肤温度远低于地面上防晒布和泳装的皮肤温度。FT织物的平均温度为39.2°C，远低于防晒布(43.43.°C）和泳装（46.1°C）。

它们还对水和陆地上不同纺织品的温度变化进行了测试。FT-与其他纺织品相比，布料的温度变化相对稳定，没有明显的峰值温度。这是因为FT-布料的多孔材料传热性低，可以减缓热交换，保持内部温度稳定，同时在水中冷却。水中防晒布和泳装的平均温度变化也低于路面，但明显高于 FT-布料。

透气性和透湿性也是影响服装穿着舒适性的重要因素，因此研究人员对三种纺织品的透气性和透湿性进行了测试。为了达到低于太阳辐射的效果，防晒布通常在涤纶织物表面采用防紫外线涂层，因此不可避免地会牺牲其透气性和透湿性。另一方面，FT-布料具有优异的透气性和透湿性，使其在任何时候都穿着舒适。另外，顾客暂时离开水后的舒适性也值得考虑，这一过程在很大程度上取决于游泳服的优异快干性能。FT-在6分钟内，布料的残留水分迅速下降到20%，并且保持稳定，而防晒布和泳装的残留水分变化较小。最后，由于海水中含有氧化钠、氨和碘等成分，因此具有良好的耐候性尤为重要。为了测试FT-织物的耐候性，他们将三种纺织品的相同区域浸泡在海水中，并将其放在室外8周，并每周记录其质量变化。经过8周的耐候性测试，FT-布料重量降低0.03 g，而且泳衣的重量减少了0.11 g，这证明了 FT-布料具有良好的稳定性。

结论

研究小组开发了一种新型的功能性服装，通过微挤出物理发泡进行验证。通过在纤维制备中引入发泡技术，可以解决当前纤维难以减肥和功能的问题，具有广泛的潜在应用。首先，FT-布料能有效地反射近红外线阳光。第二，由于FT-布料能提供浮力、透气性和透湿性、快干性和耐候性，这给游水场景中的用户带来了安全和舒适。最后，这种发泡TPU纤维的制备工艺具有大规模生产的潜力，就像现在常见的纤维一样，对于未来的功能服装发展具有重要意义。

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原题：“【行业信息】研究人员开发发泡TPU纤维，其面料能长时间保持凉爽”

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