液體非對稱傳輸非織造材料的成型方法及其應用研究進展

王镕琛　張一風　段書霞　石沛龍　賈江換　張恒

摘要：液體非對稱傳輸非織造材料是當前市場上應用范圍廣且開發價值高的纖維制品。為了探討液體非對稱傳輸非織造材料的成型方法以及功能性應用特點，簡述了液體非對稱傳輸非織造材料的差動毛細效應、潤濕梯度效應和蒸騰效應等機理，介紹了靜電紡絲、針刺、水刺、化學整理和等離子體改性等非織造成型和整理方法，闡述了液體非對稱傳輸非織造材料在醫療衛生、油水分離和服裝領域的應用形式。最后總結了液體非對稱傳輸非織造材料的成型方法的特點，展望了其未來應用趨勢。

關鍵詞：液體非對稱傳輸;非織造材料;功能紡織品;成型方法

中圖分類號：TS174文獻標志碼：A文章編號：1009265X（2022）03001310

Research progress on forming methods and application of liquid

asymmetric transmission nonwoven material

WANG Rongchen ZHANG Yifeng DUAN Shuxia SHI Peilong

JIA Jianghuan ZHANG Heng

Abstract： Liquid asymmetric transmission nonwoven materials are fiber products with extensive application and high development value in the current market. To investigate liquid asymmetric transmission nonwoven material forming methods and functional application characteristics， the differential capillary effect， wetting gradient effect and transpiration effect and other mechanisms of liquid asymmetric transmission nonwoven materials were briefly described. The nonwoven forming and finishing processes such as electrospinning， needle punching， hydroentanglement， chemical finishing and plasma modification were introduced. Moreover， the application forms of liquid asymmetric transmission nonwoven materials in the medical， health care， oilwater separation， moisture absorption and clothing fields were elaborated. Finally， the characteristics of liquid asymmetric transmission nonwoven material forming methods were summarized and the future application tendency was prospected.

Key words： liquid asymmetric transmission; nonwoven material; functional textiles; forming methods

液體非對稱傳輸非織造材料作為一種纖維集合體，具有液體單向傳輸功能，屬于先進紡織材料領域。隨著人們生活質量的提高，液體非對稱傳輸非織造材料在日常生活中逐漸發揮著重要的作用。例如在醫療衛生領域[1]，液體非對稱傳輸非織造材料可以有效阻隔病毒細菌、有害顆粒和溶液等物質的滲入，保護醫務人員在診療護理過程中不受感染。在油水分離領域[23]，液體非對稱傳輸非織造材料可以通過油和水不同的潤濕性，從而實現油水分離效果。在服裝領域[4]，液體非對稱傳輸非織造材料可以將皮膚表面的汗液快速傳遞至體外，為穿著者提供良好的熱濕舒適性。液體非對稱傳輸材料可以通過機織、針織和非織造成型等技術制備。其中，非織造技術作為一種現代的材料成型技術，具有成型速度快、工藝簡單和結構易調控的特點，為液體非對稱傳輸非織造材料的快速成型與功能性應用提供了理論思路與技術支持。采用非織造成型技術制備液體非對稱傳輸非織造材料已逐漸成為纖維材料領域的研究熱點。本文主要從液體非對稱傳輸非織造材料的傳輸機理、非織造成型方法和制備工藝等方面進行綜述和分析，列舉了液體非對稱傳輸非織造材料在醫療衛生、油水分離和服裝等領域的應用和研究進展。

1液體非對稱傳輸非織造材料

1.1液體非對稱傳輸特性

液體非對稱傳輸是指液體在外力（壓力場、光、磁等）或內應力作用下，可以沿著特定的方向發生移動和（或）滲透，反之則難以實現液體的快速傳輸和（或）滲透[57]。其工作原理是通過內外兩層的潤濕性或結構性差異而實現，其傳輸過程如圖1所示。兩側的潤濕性或結構性差異會形成潤濕梯度或差動毛細效應，進而賦予其一定的液體非對稱傳輸特性。

1.2液體非對稱傳輸機理

液體在非織造材料內的非對稱傳輸機理可分為差動毛細效應、潤濕梯度效應、蒸騰效應和上述的組合應用。

1.2.1差動毛細效應

當非織造材料具有雙層結構時，其中一層纖維網的孔徑較粗，毛細管的附加壓力小;另一層纖維網的孔徑較細，毛細管的附加壓力大。所以兩層界面處會形成附加壓力差，液體在附加壓力差的作用下沿著特定方向從一側傳遞到另一側[9]，這就是差動毛細效應。差動毛細效應如圖2所示。

兩層非織造材料間毛細管形成的附加壓力差ΔP為：

式中：ΔP為附加壓力差，σ為氣液界面表面張力，θ為液體與材料的接觸角，r為孔隙理論半徑。

1.2.2潤濕梯度效應

當非織造材料兩側潤濕性差異較大時會產生潤濕梯度效應。自然界中具備液體非對稱傳輸能力的生物大多都基于這個機理，原因是它們表面具有潤濕性不同的兩種區域，即親水區和疏水區。在兩種區域之間會產生一種界面不平衡力。一旦液滴受到這種不平衡力，就會朝著特定的方向運動，即液體非對稱傳輸運動[10]。界面不平衡力原理如圖3所示。

該界面不平衡力（潤濕梯度驅動力）可以通過Young方程推導出[11]，可用式（2）表示。潤濕梯度效應是目前液體非對稱傳輸的主要實現方法。

式中：R為液體與界面的基半徑，θA和θB分別表示液體在潤濕梯度前后兩側的接觸角，φ表示極角。

1.2.3蒸騰效應

植物具有極強的水傳導能力，可以克服重力將水分從其根部傳遞至葉片部分，再通過葉片將水分蒸發出來[12]。植物的蒸騰作用如圖4所示。其蒸發速率遠比表面上液態水分的揮發快得多。該機理的產生與植物的根、莖、枝、葉的系統構造緊密相關[13]。借助植物這方面的特性和優勢來進一步展開對非織造材料的研究，可以仿照植物蒸騰效應的特點來大大提高非織造材料對水分的液體非對稱傳輸能力。基于植物蒸騰效應的液體非對稱傳輸非織造材料具有分層纖維結構，同時具備反重力的液體非對稱傳輸特性和不受阻礙的散熱能力，因此可以更好地用于干燥和冷卻。

1.2.4多種組合機理

除了上述3種單一液體非對稱傳輸機理外，還會出現一些上述3種機理的兩兩組合形式如表1所示。例如把植物的蒸騰效應與差動毛細效應相結合，所制備的材料既具有了結構穩定的特點，同時還擁有植物蒸騰作用克服重力傳輸的能力，因此把其

中兩種機理相結合可以同時發揮二者的共同優勢。同理，差動毛細效應與潤濕梯度效應、蒸騰效應與潤濕梯度效應均可以組合制備更多類型的液體非對稱傳輸材料。

2液體非對稱傳輸非織造材料的成型

與整理方法液體非對稱傳輸非織造材料的成型與整理方法包括靜電紡絲法、針刺法和水刺法和后整理法。其中后整理法又分為化學整理法和等離子體改性法。

2.1靜電紡絲法

靜電紡絲法是通過表面電荷之間的靜電排斥力來制備連續的納米纖維。用該技術制備的納米纖維網具有直徑小、比表面積大和孔隙率高等特點[1]。劉沙柯等[19]以聚乙烯醇（PVA）和海藻酸鈉（SA）為原料，通過靜電紡絲法直接將纖維沉積在滌綸表面，并在該表面形成了聚乙烯醇/海藻酸鈉納米纖維薄膜。與未處理滌綸相比，改性滌綸的毛細效應值提高;Huang等[20]通過靜電紡絲法在親水棉上沉積不同厚度的聚苯乙烯層，接著制備出親水/疏水Janus型雙層非織造材料，該材料可以收集霧滴中的水分，其原理如圖5所示，與未處理的親水棉相比，Janus型雙層非織造材料的水分收集率提高了147%。

除了上述直接將納米纖維膜沉積在材料上以外，還可以設計一種三層纖維膜的結構（外層膜兩側分別是疏水膜與超親水膜，中間為轉移層）。在內外存在的壓力差或濕度差的情況下，該結構可讓水蒸氣和空氣自由通過，而阻擋水滴的傳遞，從而達到防水透氣的目的[1]。Miao等[21]先通過靜電紡絲法制備水解聚丙烯腈（PURPAN）/（PANSiO2）雙層纖維膜，再通過靜電紡絲法將PU膜沉積在該雙層纖維膜上，從而形成了三層纖維膜結構，再將這個三層纖維膜結構水解為PUR/（PURHPAN）/（HPANSiO2）纖維膜，最后測量其液體非對稱傳輸的指數（AOTC）為1021%;Li等[22]用聚氨酯（PU）和氟化聚氨酯（FPU）為原料，通過靜電紡絲法制備了疏水性纖維膜，該纖維膜可以使水蒸氣傳輸并且防水滲透;Cakir等[23]通過靜電紡絲法將聚氨酯（PU）和二氧化硅噴涂在材料表面，測量噴涂后的材料與水的接觸角為154.5°，達到了防水透氣的效果。

綜上可知，靜電紡絲法對于液體非對稱傳輸非織造材料的制備起到了推動作用，并且該技術具有制備工藝簡便且成本低廉等優勢。但是目前這種方法在該領域的應用相對較少，所以未來需要加大靜電紡絲法在制備液體非對稱傳輸非織造材料的應用。

2.2針刺法

利用針刺法制備的液體非對稱傳輸非織造材料，通常是將潤濕性不同的兩種纖維分層放置，經開松梳理后通過針刺法將兩層纖維網復合在一起。由于兩層纖維網的親疏水性不同，使得復合后的雙層結構具有潤濕梯度效應。江奇佳等[24]先采用針刺法將滌綸纖維和粘膠纖維分別加工制備成兩種單層纖維網，再將二者疊合通過針刺形成復合纖維網。液體在滌綸/粘膠針刺復合纖維網的傳遞具有選擇性和方向性，所以該材料具有液體非對稱傳輸性能。

針刺法制備的液體非對稱傳輸非織造材料具有良好的拉伸性、透氣性以及熱穩定性，并且其性能穩定，在高溫或酸堿環境下不會受到特別大的影響[25]，是未來的研究方向。

2.3水刺法

水刺法和針刺法的原理相似，都是為了構建雙層結構之間的潤濕梯度以此來實現液體的非對稱傳輸。王偉等[26]以粘膠纖維和二維、三維卷曲度的滌綸纖維為原料，通過水刺法來制備液體非對稱傳輸非織造材料。二維卷曲滌綸復合水刺非織造材料的液體非對稱傳輸指數（AOTC）較大，所以該類型非織造材料的液體非對稱傳輸能力最強;Song等[27]將疏水性殼聚糖纖維和親水性粘膠纖維分別加工成纖維網，再通過水刺法將二者疊合并固結在一起制成殼聚糖/粘膠復合非織造材料，制備過程如圖6（a）所示。研究發現，從殼聚糖一側滴加的液體可以穿過非織造材料，從粘膠一側滴加的液體呈現水平擴散而不是垂直穿過，其兩側的液體轉移情況如圖6（b）所示。

2.4后整理法

后整理法是在非織造材料制備完成后，將其本身不具備液體非對稱傳輸特性的非織造材料通過化學整理法或者等離子體改性法使其具有該特性，后整理法分類如圖7所示。

2.4.1化學整理法

化學整理法，是將一種或者幾種化學整理劑涂敷到非織造材料使得整理面對水具有不同的潤濕性，一般包括單面親水整理、單面疏水整理還有雙面親疏水性整理3種。

a）單面親水整理

單面親水整理是用親水整理劑對非織造材料的一側進行親水整理，使得整理面親水性得到明顯提高。由于整理面的親水性比另一側強，進而在垂直方向上形成了潤濕梯度，此時非織造材料就具有了液體非對稱傳輸性能。任祺等[28]先將整理劑Hansi QSCONC對聚丙烯SMS非織造材料進行親水整理，當其體積與水的體積比為1∶5時，此時非織造材料的液體非對稱傳輸能力最強;秦志[29]通過單側浸泡工藝，將乙醇超聲振蕩清洗后的PP非織造材料，放在鄰苯二酚（CCH）和聚乙烯亞胺（PEI）溶液中單面浸泡，從而得到液體非對稱傳輸非織造材料;張建國等[30]利用吸濕排汗去污整理劑TF620對尼龍一側進行親水整理，通過測量該側材料的潤濕性發現其親水性提高，所以被親水整理的尼龍與另一側在垂直方向上形成了潤濕梯度，即液體非對稱傳輸能力得到明顯提升。

b）單面疏水整理

對親水材料來說，如果對其中一側進行疏水整理也可以達到類似的效果。李珂等[31]用疏水整理劑Repellen SMS，以泡沫整理技術進行疏水整理，再測量整理完成的非織造材料單向傳遞指數高達153.35;齊國瑞等[32]利用拒水劑RUCODRY ECO對純棉水刺非織造材料進行單面疏水整理，當液體從親水側滴向疏水側，液體無法傳輸，而從疏水側滴向親水側可以實現液體非對稱傳輸;潘虹等[33]利用FG910型含氟拒水劑對純棉水刺非織造材料進行單面疏水整理，此時材料兩側的親疏水性的差別較大;Wu等[34]以聚丙烯腈為原料，通過靜電紡絲法將聚丙烯腈—二甲基甲酰胺溶液加工成纖維膜，再將纖維膜在200℃的條件下加熱3 h，整理前后對比如圖8所示。

c）雙面親疏水性整理

除了上述兩種方式以外，還可以將非織造材料兩側同時進行親/疏水性整理，即一側親水整理，另一側疏水整理，使得兩側具有親疏水性不同的區域。王潔等[35]利用泡沫整理法對聚丙烯SMS非織造材料一側進行單面親水整理，而另一側進行三拒抗整理;Bormashenko等[36]先將三氯甲烷與二氯甲烷的混合溶液涂在不銹鋼金屬絲網兩側，使金屬絲網的兩側均獲得超疏水性，再對其中的一側進行紫外光照射使其疏水性轉變為親水性。然后材料兩側親疏水性不同的區域形成潤濕梯度，從而處理后的非織造材料具有液體非對稱傳輸能力。

目前化學法主要應用于聚丙烯SMS非織造材料，整理方式一般有噴灑法、浸泡法和泡沫法等，有關化學法整理非織造材料的研究如表2所示。

2.4.2等離子體改性法

等離子體改性法是在化學法完成后的基礎上進行的，該方法可以改變非織造材料化學和物理的表面性質，并且不影響其體積特征。Wang等[37]將等離子體改性法與化學法相結合來制備液體非對稱傳輸非織造材料，首先在不做處理的滌綸非織造材料任意兩側滴加液體均可發生滲透，接著用疏水劑對兩側進行整理，在其中一側滴加液體無法進行滲透，當這一側進行紫外線照射后，液體在該面進行擴散且無法滲透到另一側，但在僅受化學處理沒有被紫外線照射一側滴加液體便可以迅速滲透到另一側;Zhou等[38]選用商業聚酯非織造材料為模型，先用化學技術對非織造材料進行預處理，然后進行紫外線照射。在照射前涂層非織造材料兩側都具有超疏水性，過程如圖9所示，涂層非織造材料上的水、大豆油和十六烷（從左到右）可長時間穩定停留，經過10 h紫外線照射，表面十六烷已經完全滲透，水和大豆油保持不變;經過14 h照射，大豆油也完全滲透，水依然保持不變;照射24 h之后，所有液滴均完成滲透。所以經過24 h紫外線照射的涂層非織造材料具有液體非對稱傳輸能力。

綜上可知，靜電紡絲法簡單易操作，但是應用少、產量低;針刺法的優點是原料廣泛、種類多，但是纖維一般較粗導致手感比較粗糙;水刺法制備的材料表面手感細膩，但是用于生產的原料較貴。所以針刺法在液體非對稱傳輸非織造材料的應用偏多，其它的方法目前處于研究階段。后整理法中的化學整理法操作簡便，但制備用到的化學試劑對人體和環境都有著不同程度的危害，而且其液體非對稱傳輸性能還容易受到外界環境的影響，幾種方法的對比如表3所示，所以開發無毒無害的化學整理劑是制備液體非對稱傳輸非織造材料的必然趨勢。與后整理法相比，前3種方法沒有使用化學試劑，而且非對稱傳輸性能不會因環境改變而失效，所以更加安全穩定，受到了學者的關注。

3液體非對稱傳輸非織造材料的應用

隨著科技水平的提升以及研究的不斷深入，液體非對稱傳輸非織造材料得到了更為廣泛的開發與應用。當前液體非對稱傳輸非織造材料主要應用于醫療衛生、油水分離和服裝等領域。

3.1醫療衛生

液體非對稱傳輸非織造材料在醫療衛生領域被廣泛應用，通過其性能的特殊性制備的手術服等醫用防護用品既具有良好的透氣性和排汗能力，又可以防止外界液體的滲入。徐宏等[39]采用靜電噴灑法對非織造材料進行液體非對稱傳輸整理，整理過后的非織造材料可以使汗液快速排出并且防止外側的液體向內部滲透，該材料可作為制備手術服的原料;馬若陽等[40]利用表面泡沫整理技術對聚丙烯SMS非織造材料的兩側進行整理，使得其在垂直方向上形成潤濕梯度，因此以聚丙烯SMS為主要原材料的手術服具備了防滲透的能力;王潔等[35]采用泡沫整理法對紡粘熔噴紡粘（SMS）一面親水整理，一面三拒（拒酒精、拒血液、拒油）一抗（抗靜電）整理，使得材料在具備防護能力的同時還具有液體非對稱傳輸能力;Wang等[41]將ZIF8摻入PAN中制備出粗糙的纖維，再通過靜電紡絲技術把粗糙纖維層與PAN層復合成多層結構的材料，該材料具有液體非對稱傳輸性能以及高水蒸氣傳輸率，是制備口罩的優質材料。

3.2油水分離

液體非對稱傳輸非織造材料也可以用于油水分離。當前油水分離的方法包括燃燒法和化學處理法，分離效率較高，但會對環境造成污染。液體非對稱傳輸非織造材料是利用材料與水和油的潤濕性不同而實現對兩種物質的分離[42]。張賢等[43]以八甲基環四硅氧烷（D4）為原材料，利用等離子體氣相接枝法將其聚合于通過靜電紡絲法制備的醋酸纖維（CA）膜表面，從而形成一種單面超疏水單面親水的Janus型CA纖維膜，該纖維膜具有分離率高、重復利用性好以及制備工藝簡單等特點，能有效解決油水分離問題;附青山等[44]通過靜電紡絲法在多孔聚乙烯瓶上沉積聚丙烯腈（PAN）纖維膜，制備出具有高效油水分離性能的分離膜裝置;Fu等[45]利用十八胺（ODA）和丙氧基化甘油三縮水甘油醚（GPTE）組成的溶液浸涂聚酯非織造材料，再在其中一側進行紫外線照射，最終制備的非織造材料在水中可以讓油進行定向傳遞，從而實現油水分離，其工作原理如圖10所示。

3.3服裝

液體非對稱傳輸非織造材料同樣適用于服裝領域。人們運動時所穿的服飾需要具備吸濕快干性能，因為原料的導濕性是影響服裝舒適性的重要因素之一[46]。賀建國等[47]選擇濕度狀態下的具有良好保形性的PBT長絲和具有吸濕快干功能的Cooldry長絲作為原料，將兩種材料進行組合并且浮點型結構設計，最后制備一種既舒適又持久的液體非對稱傳輸非織造材料;Wang等[15]以靜電紡絲法制備了仿生多孔Murray液體非對稱傳輸纖維膜，該纖維膜具備逆重力導液和內層速干性能，所以可作為運動服的制備原料;在洗刷過后的鞋子上面會殘留少量的水及洗劑的雜質，所以會發生氧化反應而導致鞋面變黃。王曉佩等[48]通過了解運動鞋變黃原理提出了針對運動鞋的液體非對稱傳輸貼膜，不僅可以將鞋面附著的水和洗滌劑排出，還阻擋外界水分和氧氣的進入，從而達到防止鞋面變黃的目的。

4結語

液體非對稱傳輸的機理主要包括差動毛細效應、潤濕梯度效應、蒸騰效應以及幾個原理的組合應用，并且組合應用可以充分發揮各自機理的優勢。目前潤濕梯度效應是液體非對稱傳輸的主要實現方法。

非織造成型技術具有成型快、生產效率高等優勢。運用非織造成型技術能夠更快地完成液體非對稱傳輸非織造材料的制備。后整理法操作簡單，但是使用的化學試劑會對人體以及環境造成危害，并且其性能易受外界環境影響而失效。所以靜電紡絲法、針刺法和水刺法相對于后整理法來說不僅安全而且其液體非對稱傳輸性能更穩定。

液體非對稱傳輸非織造材料主要應用于醫療衛生、油水分離、服裝、航空航天和自清潔等領域。所以當前的研究方向是拓展其應用領域，從而實現液體非對稱傳輸非織造材料的多元化發展。

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收稿日期：20210630網絡出版日期：20211021

基金項目：國家自然科學基金項目（52003306）;河南省高等學校重點科研項目（20A540001）;河南省醫用防護用品重點實驗室項目（YD2021006）;中原工學院自主創新應用研究項目（K2020YY002）

作者簡介：王镕琛（1996-），男，鄭州人，碩士研究生，主要從事新型非織造成型技術方面的研究。

通信作者：張恒，Email：zhangheng2699@zut.edu.cn