氮化硼/納米纖維素改性涼感棉織物制備及其性能

中圖分類號：TS195 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）08-0052-07

近年來，全球氣候變暖，夏季高溫天氣頻繁出現，人們越來越關注如何高效環保地降低高溫帶來的影響。通過紡織品對人體微環境進行溫度調節，是降低高溫帶來不適感的有效策略之一[1-2]。目前市面上開發的夏季舒適涼感織物多為棉織物，這是由于棉纖維具有優異的吸濕和透氣性，穿著舒適度高。但人們往往關注其吸濕性能而忽略了其散熱性能，開發的涼感棉織物無法將熱量快速傳輸達到涼爽的效果，涼感性能相對較差[3-4]。傳統涼感棉織物的制備主要依靠對棉纖維的物理改性、化學改性，或在后整理階段使用涼感整理劑等策略實現。其中，使用涼感整理劑的方法適用范圍最廣，可用于大多數涼感紡織品的加工處理[5-7]。但目前的涼感整理劑對棉纖維的附著能力差、涼感性能不持久、難以提升棉織物的導熱性能。因此，開發導熱優異、涼感持久的新型涼感棉織物具有十分廣闊的前景[8-9] 。

棉纖維內部孔隙率高，本征導熱率低，若能提升其導熱率，可大幅提升棉織物散熱性能、實現熱量快速傳輸，以達到涼感效果。目前，提升材料導熱率可通過加入導熱填料，在材料內構建導熱通路的策略實現[10-11]。例如，Zhao 等[12]使用雙向冷凍技術，將氮化硼和聚氨酯組裝成具有三維導熱網絡的復合材料，其具有約 39.00W/（m?K） 的面內導熱率和約11.5W/（m?K） 的垂直導熱率；Wang等[13]利用環氧樹脂作為基體，加入少量的氮化硼納米片，組裝成仿天然貝殼珍珠層結構的復合材料，該復合材料具有高的導熱率和優異的力學性能；Lin等[14將同軸靜電紡絲與靜電噴涂和熱壓策略結合，制備了具有高度互連氮化硼網絡結構的復合薄膜，該薄膜具有28.3W/（m?K） 的面內導熱系數。

本文采用“浸-軋-烘”工藝，選用低密度、高導熱并兼具電絕緣性的六方氮化硼（HexagonalBoronNitride，h-BN）作為導熱填料，并對其進行功能化修飾，將其改性為功能化氮化硼（FunctionalizedBoronNitride，FBN）。同時，引入納米纖維素（NanofibrillatedCellulose，NFC）作為綠色環保的修飾劑，進一步提升FBN的分散性。將FBN/NFC浸軋到棉織物上后，測試不同濃度FBN/NFC整理后的棉織物、對應濃度的 h -BN整理后的棉織物與原始棉織物的導熱性能、涼感系數以及力學性能，探究最佳的FBN/NFC配方及整理工藝，以期對涼感紡織品的設計提供一定的參考意義。

1實驗

1. 1 原料及試劑

六方氮化硼（h-BN，粉末，分析純，德國ESKCeramicsGmbHamp;Co公司）;異丙醇（IPA，分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；納米纖維素（NFC，分析純，桂林奇宏科技有限公司）。

1. 2 實驗設備

電子天平（STX123ZH，奧豪斯儀器有限公司）；恒溫磁力攪拌器（DF-101S，上海力辰邦西儀器科技有限公司）；高速臺式離心機（TG16-WS，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司）；數控超聲波清洗器（KQ-250DE，昆山超聲儀器有限公司）；超聲波細胞粉碎機（JY98-IIIDN，寧波新芝生物科技股份有限公司）；鼓風干燥箱（BPG-9156A，上海一恒科學儀器有限公司）；真空干燥箱（DZF-6210，上海一恒科學儀器有限公司）；掃描電子顯微鏡（SEM，GeminiSEM500，CarlZeissAG，英國），接觸角表面能測量儀（DSA25，Kruss，德國），激光導熱儀（NETZSCHLFA467 ， 25^°C ）；織物涼感性能測試儀（HD291N，江蘇南通宏大實驗儀器有限公司）；全自動織物透氣性測試儀（YG461C-11，江蘇南通宏大實驗儀器有限公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 FBN/NFC分散液的制備

以h-BN粉末為原料，通過超聲輔助液相剝離法制備功能化氮化硼（FBN）。將 50mL 水和 50mL IPA混合，得到IPA和水的混合溶液，向混合溶液中添加 1.2gh-BN 粉末，在 300Δr/min 轉速下攪拌30min 使溶液混合均勻。將上述混合溶液在冰浴條件下以300W功率在超聲波細胞破碎機中超聲處理 ^4h ，隨后以 500r/min 在離心機中進行離心，離心結束后取上清液在 10000r/min 下進行二次離心，時間 10min ，得到FBN粉末。將不同質量的FBN粉末加入質量分數為 25% 的 NFC均勻分散體中，并在 250r/min 下攪拌 60min ，得到不同FBN質量分數的FBN/NFC溶液。

1.3.2 改性棉織物的制備

改性棉織物的制備流程示意如圖1所示，將配置的FBN/NFC溶液通過兩浸兩軋工藝整理到棉織物上，在 120°C 下進行定型，定型時間 90s ，最終得到FBN/NFC改性棉織物。采用上述方法將 h -BN溶液整理到棉織物上得到 h -BN改性棉織物以用作對比。

圖1改性棉織物的制備流程示意圖

Fig.1Schematic diagram of the preparation process for modified cotton fabrics

2 結果與分析

2. 1 FBN/NFC改性棉織物的微觀表面形貌結構

棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物在不同放大倍數下的掃描電鏡圖像如圖2所示。從圖2中可以清楚地觀察到改性前后纖維表面的變化。原始棉織物的纖維表面光滑平整。經過h -BN改性后的棉織物中的纖維，其表面出現片層狀的h-BN，但仍有部分裸露。這主要是因為h-BN具有疏水性，難以對纖維實現良好覆蓋。FBN/NFC改性棉織物中的纖維基本被完全覆蓋，這是由于FBN經過功能化修飾，片層更小，在水溶液中的分散性顯著提升。同時，NFC作為環境友好的分散劑，進一步增加了FBN在水溶液中的分散性。因此，FBN/NFC改性棉織物中的纖維基本被完全覆蓋，纖維的粗糙度和覆蓋率得到提升，構建了完整的互相連接的導熱通路，能夠更好地進行人體熱量的傳遞。

圖2不同放大倍數棉織物、h-BN 改性棉織物和 FBN/NFC改性棉織物的掃描電鏡圖像

2.2 FBN/NFC改性棉織物的性能

棉織物、h-BN改性棉織物及FBN/NFC改性棉織物的面內導熱系數如圖3所示，隨著氮化硼負載量的提升，h-BN和FBN/NFC改性棉織物的面內導熱系數逐漸提升。h-BN由于片層較大，且具有疏水性，難以實現對纖維的良好覆蓋，因此，對棉織物導熱性能的提升有限。而FBN由于功能化修飾后表面帶有活性基團，片層的尺寸更小；同時，NFC可以增強體系濃度，與FBN之間形成氫鍵相互作用，有利于負載在纖維表面，形成數量更多、質量更高、完整且相互連接的導熱通路，極大地改善了棉織物的導熱性能。原始棉織物的面內導熱系數為2.215W/（m?K） ，當FBN質量分數為 10% 時，FBN/NFC改性棉織物的導熱系數達到 6.93W/（m?K） ，是原始棉織物的3.96倍。所以，在后續測試中，均采用質量分數為 10% 的FBN/NFC改性布進行性能測試和數據對比。

為了進一步論證FBN/NFC改性棉織物導熱性能的提升效果，對棉織物、h-BN改性棉織物以及FBN/NFC改性棉織物進行了有限元模擬，模擬了3種織物的傳熱過程。模擬模型為長方體，長寬為10mm×10mm ，在模擬模型中，模型初始溫度設定為 22^°C 。將左側邊界定義為熱源并設置為 100^°C ，其他邊界為熱通量散熱條件，與空氣的傳熱系數設置為 5W/（m?K） ，不考慮熱輻射，熱流由左向右傳遞。棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物的有限元模擬溫度分布和熱通量如圖4所示，從圖4的計算結果來看，1s內，棉織物的模型右側溫度為 93.98^°C ，熱通量為 360.6W/m² _h-BN 改性棉織物的模型右側溫度為 95.96C ，熱通量為370.3W/m² ，而FBN/NFC改性棉織物的模型右側溫度為 97.99^°C ，熱通量為 380.2W/m² 。 FBN/NFC改性棉織物具有更高的熱通量矢量和更寬的溫度分布，說明其具有更好的傳熱能力。

圖3織物、不同氮化硼負載量下 h -BN改性棉織物和 FBN/NFC改性棉織物的面內導熱系數 Fig.3In-plane thermal conductivity of cotton fabrics， h -BNmodifiedcottonfabricsand FBN/NFCmodified cotton fabrics withvaryingboron nitride loading amounts

圖4棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物的有限元模擬溫度分布和熱通量 Fig.4Finite element simulation temperature distribution and heat flux of cotton fabrics， h-BN modified cotton fabrics and FBN/NFC modified cotton fabrics

棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物的靜態接觸角測試數據如圖5所示，圖像顯示了水滴在接觸織物瞬間的角度變化。經h-BN改性后，h-BN改性棉織物的接觸角增大，這是由于h-BN具有疏水性，其表面不含極性基團，分散性能較差，容易在水溶液中出現團聚。改性后，棉布由親水變為疏水，接觸角增大。而FBN/NFC改性棉織物，FBN粉末在功能化后由原本的疏水性轉變為親水性，加入NFC后，分散性進一步提升。所以，改性后，棉織物的親水性增強，使得FBN/NFC改性棉織物的接觸角變小。

為了測試不同溶液整理后棉織物透氣性的變化，對棉織物分別使用去離子水、h-BN溶液和FBN/NFC溶液進行兩浸兩軋和定型烘干整理后測試了其透氣性。透氣性測試采用測試十次透氣率后計算平均值來表示棉織物的透氣性。使用去離子水整理的棉織物透氣性為 62.52mm/s ，透氣性最好，經氮化硼溶液涂層整理后的棉織物透氣性均有所降低，使用 h -BN溶液整理的棉織物透氣性為 50.23mm/s 使用FBN/NFC溶液整理的棉織物透氣性為40.28mm/s 。結合圖2的掃描電鏡圖像，發現氮化硼整理到棉織物上后，有部分氮化硼負載在纖維與纖維的空隙中。而織物正是通過纖維與纖維之間的空隙來進行透氣，涂層整理的氮化硼造成了織物孔隙率下降，濕阻上升，最終導致棉織物透氣性下降。但織物的透氣性能下降不多，對棉織物的日常使用影響不大。

圖5棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物的接觸角測試

取用5張棉織物及改性棉織物在多個取樣點測試計算所得的平均涼感系數（結果見圖6），并與國家涼感標準GB/T35263—2017《紡織品接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》進行對比，規定在織物與熱板溫差在 15°C 時，瞬時涼感系數大于等于0.15J/（cm²?s） ，稱該織物具有瞬間涼感性能，數值越大則表示皮膚感受到涼感程度越強。通過圖6中數據對比，經氮化硼改性處理后的棉織物其涼感系數發生了顯著增強。棉織物的涼感系數僅有0.07J/（cm²?s） ，經h-BN溶液改性后的棉織物涼感系數提升至 0.21J/（cm²?s） ，FBN/NFC 溶液改性后的棉織物涼感系數則提升至 0.27J/（cm²?s） 。兩種氮化硼溶液改性棉織物的涼感系數均高于國家標準，并與其導熱系數的提升趨勢保持一致。以上結果表明經FBN改性后的棉織物可以有效提升棉織物的涼感性能，對人體熱量進行傳輸，加快熱量逸散的速度，使人體感到涼爽舒適

為了測試不同棉織物的力學性能，采用電子織物強力機對棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物進行了拉伸測試，測試標準為國家標準：GB/T3923.1—2013（紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定）。測試方法為將布樣剪裁成 40mm×10mm 的經向及緯向長條狀，上下夾頭間的距離設置為 20mm ，拉伸速度設置為100mm/min ，分別對織物的經向和緯向斷裂伸長率進行測試，測試結果如圖7所示。測試結果表明，兩種氮化硼改性棉織物的力學性能均有所下降，棉織物的經向斷裂強力為 370N 。經h-BN改性后的棉織物，其經向斷裂強力為370.6N，與棉織物的370.8N基本一致，但斷裂伸長率為 15.55% ，對比棉織物的 16.86% 有所下降。而經FBN/NFC改性后的棉織物，斷裂強力為319.3N，斷裂伸長率為15.98% ，對比棉織物均有所下降。而在緯向上，h-BN改性棉織物的斷裂強力為144.6N，與棉織物的138.1N持平，FBN改性棉織物的斷裂強力為162.8N，高于棉織物和 h -BN改性棉織物的斷裂強力。這表明，經氮化硼改性后，由于氮化硼片層分散在纖維間，原本整齊穩定排列的纖維，變得相對紊亂，纖維間的結構被破壞，導致織物的經向拉伸性能變差；而在緯向上，填充在纖維間空隙中的FBN 片層，很好地附著在纖維上，填補了纖維間的空隙，可以幫助纖維更好地抵抗緯向上的拉伸，使得織物的緯向拉伸性能得到提升，而h-BN片層無法良好附著在纖維上，導致其緯向斷裂強力沒有得到提升。綜合來看，氮化硼處理對棉織物的力學性能的影響不大，且整理后都表現為高強低伸型。

圖6棉織物、h-BN改性棉織物和FBN/NFC改性棉織物以及國家標準涼感系數

Fig.6Cotton fabrics，h-BN modified cotton fabrics， FBN/NFC modified cotton fabrics and the national standard cool feeling coefficient

圖7棉織物、h-BN 改性棉織物和FBN/NFC 改性棉織物的經向和緯向拉伸測試曲線 Fig.7Warp and weft tensile test curves of cotton fabrics，h-BNmodifiedcotton fabrics and FBN/NFC modified cotton fabrics

3結論

本文采用“浸-軋-烘”工藝，使用不同濃度的h-BN和FBN/NFC溶液對棉織物進行涂層整理，并測試其導熱性能和涼感性能，得到最佳FBN/NFC配方和整理工藝，主要結論如下：a）通過質量分數 10% 的FBN/NFC溶液兩浸兩軋 .120^qC 定型 90s 整理，得到的棉織物導熱性能和涼感系數為最佳。b）經質量分數 10% 的FBN/NFC溶液改性后的棉織物，面內導熱系數達到 6.93W/（m?K） ，比原始棉織物高約3.96倍，大幅提升了棉織物的熱量傳遞能力。

c）FBN/NFC整理后的改性棉織物涼感系數為0.27J/（cm²?s） ，高于國家標準，可以作為個人熱管埋萬面的涼感紡織品進行實際應用。

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Abstract：As global warming intensifies and summer temperatures rise，people's demand for comfort and coolness in summer clothing has been increasing year byyear.However，the cool feeling performance，breathability and comfort of existing textiles on the market is generally poor.Traditional coton fabrics，while excellent in moisture absorption and breathability and suitable for summer wear，have a low thermal conductivity，resulting in poor cool feeling performance when used alone.This makes it dificult to meet people's demand foracoo sensation in hightemperature environments.Hence，the research and development of cotton fabrics with cool feeling function holds broad prospects.

To develop cotton fabrics with a cool feeling efect，one approach is to introduce high thermal conductivity fillers toconstruct thermal conduction pathways，soas to enhance theoverall thermal conductivityof thecotton fabric to achieve the desired coolness.In our study，functional BN（FBN）was synthesized usingan ultrasonicassisted liquid-phase exfoliation method，and further functionalized with nanofibrilated celllose（NFC）.FBN/ nanofibrillted cellulose （NFC）solutions were prepared by blending diferent concentrations of FBN powder with a uniform dispersion of NFC. Meanwhile， h-BN solutions of the same concentrations were prepared as control experiments.The two prepared boron nitride solutions were then applied to cotton fabrics through a double-dip and double-nip process， followed by heat-setting at 120^°C for 90 seconds， ultimately yielding two types of modified coton fabrics with boron nitride solutions.After comparing the thermal conductivity，cool feling performance， mechanical properties，and other properties of the original coton fabric，h-BN modified cotton fabrics，and FBN/ NFC modified coton fabrics，it was found that the FBN/NFC modified cotton fabric prepared under this process had an in-plane thermal conductivity of 6.93W/（mK） ，approximately 3.96 times higher than that of the original coton fabric.Through finite element simulations of theirheat transfer process，the FBN/NFC modified cotton fabric exhibited higher heat fluxvectorsanda broader temperature distribution，indicating its enhanced heat transfer capability. The cool feeling coefficient of the FBN/NFC modified cotton fabric was 0.27J/（cm²?s） ，exceeding the national standardand aligning with the trend of increased thermal conductivity.This indicated thatthecotton fabrics modified byFBN/NFC solution could efectively transfer human heat，accelerate the rate of heat dissipation， and bring acool and comfortable feeling to the human body.After modification with FBN/NFC solution，the hydrophilicityof coton fabricswasenhanced，while its breathabilityslightly decreased.Additionally，the modification with the FBN/NFC solution had minimal impact on the mechanical properties of the coton fabric， which remained high-strength and low-elongation after modification.

The above results indicate that the cotton fabric， after being treated with a 10% mass fraction FBN/NFC solution through a double dipping and double nipping process， followed by heat-setting at 120‰ for 90 seconds， exhibitssignificant improvements inboth thermal conductivityand col feeling coefficient compared to theoriginal coton fabric.FBN/NFC modified cottn fabricscan be practically applied as cool feeling textiles for personal heat management and this offers certain guiding significance for the design of cool feeling textiles.

Keywords：boronnitride;nanofibrillatedcellulose;cottonfabric modification;thermalconductivity；cool felingfabrice