高性能纖維對來自外部的光、電、熱、力等物理作用和氧化劑、酸堿等化學(xué)作用均具有較強的耐受力，使纖維具有**高模、耐高溫、阻燃等性能。高性能纖維可分為有機纖維和無機纖維兩類。有機纖維包括：芳香族聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維等；無機纖維主要包括：碳纖維、陶瓷纖維等。其中，仍處于高速發(fā)展期的三大纖維，即碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維已逐漸并行進入了激烈的技術(shù)創(chuàng)新競爭期；全球市場需求規(guī)模加速擴張，生產(chǎn)企業(yè)不斷開拓應(yīng)用領(lǐng)域、開發(fā)適銷的新產(chǎn)品，以贏得競爭優(yōu)勢。

目前高性能纖維正處于蓬勃發(fā)展階段，各種產(chǎn)品（復(fù)合材料，繩纜等）也陸續(xù)應(yīng)用于**、航空航天、航海、土木工程以及紡織服裝等領(lǐng)域。本研究對三大高性能纖維及紡織品的降低成本、提升功能和提高附加值的各種優(yōu)化技術(shù)進行介紹分析，以促進高性能紡織品發(fā)展為可社會共用、軍民共享的**產(chǎn)品。

碳纖維是由沿軸向堆疊的層狀石墨微晶組成的一種纖維狀碳基材料，有著優(yōu)異力學(xué)性能和輕質(zhì)特性。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，碳纖維的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)遍布多個高新技術(shù)領(lǐng)域。

1.1  生產(chǎn)技術(shù)

目前，90%左右的商用碳纖維是由聚丙烯腈（Polyacrylonitrile, PAN）生產(chǎn)，傳統(tǒng)工業(yè) PAN 基碳纖維價格高且產(chǎn)量有限，難以大幅度推廣。為了降低成本，廉價的紡織級 PAN 和可再生的木質(zhì)素等被用來作為碳纖維生產(chǎn)的前驅(qū)體材料。

Jiang 等采用濕法紡絲制備了以麥草木質(zhì)素和紡織腈綸共混物為原料的前驅(qū)體纖維，既可降低碳纖維的生產(chǎn)成本；由于木質(zhì)素具有較高的熱反應(yīng)溫度，也可使木質(zhì)素/PAN 共混纖維的熱穩(wěn)定性得到提升。Huang和團隊使用了不含金屬元素的鹽酸胍來改性紡織腈綸，可使預(yù)氧化工序在較低溫度下進行，降低生產(chǎn)成本。同時，低溫下腈基的環(huán)化反應(yīng)形成的聚合物結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，使碳纖維有更好的力學(xué)性能。在預(yù)氧化前對含有光引發(fā)劑的 PAN 纖維進行紫外線照射，可增加環(huán)化反應(yīng)速率而縮短氧化時間。而 Jo 等研究發(fā)現(xiàn)，對不含光引發(fā)劑的紡織級 PAN 纖維進行紫外線照射同樣可以有效促進預(yù)氧化過程，用時*需 30 min。工藝簡單的靜電紡絲是制備碳納米纖維（Carbon nanofibers, CNFs）的**方法，其工藝較多地取決于如 PAN、瀝青和木質(zhì)素等前驅(qū)體。Chen 等用酸酐對甘蔗渣進行均相酯化后與 PAN 共混來靜電紡絲來制備 CNFs。酯化甘蔗渣有助 CNFs 的氮原子保留，使得纖維的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電率和表面活性均得到提高。該方法的原料加入可再生和便宜的甘蔗渣，過程中簡化了酯化后相分離步驟，都利于降低生產(chǎn)成本。

從這里可以看出，無論是傳統(tǒng)的濕紡還是新穎的電紡，降低碳纖維生產(chǎn)成本的關(guān)鍵是原料和工藝，研究的重點落在了碳基前驅(qū)體原料的篩選、改性以及工藝優(yōu)化中工序的加減。當(dāng)然，要想實現(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)率還有待提高。

1.2  著色技術(shù)

碳纖維的高結(jié)晶度和化學(xué)惰性使其難以用傳統(tǒng)的染料或顏料來著色。光子晶體是一種采用不同折射率的材料在空間進行周期有序排列的介電材料，其具有的光子帶隙使一定波長的光子被選擇性地反射，反射光在晶體表面衍射產(chǎn)生顏色。這種有色碳纖維可通過電泳沉積法將分散的帶電膠體納米粒子組裝到碳纖維表面制得，但在實際應(yīng)用中機械耐久性不夠。Niu 等將具有大折射率對比度的ZnO 和 Al2O3 層作為周期組分，通過原子層沉積技術(shù)將其沉積在經(jīng)等離子體活化的碳纖維表面，所制備的多色碳纖維具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和耐洗性。在散射光條件下，該纖維的平紋機織物可表現(xiàn)出與角度無關(guān)的反射特性和色彩。

1.3  功能性技術(shù)

1.3.1  柔性纖維電極

隨著可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，電子智能紡織品的研究工作近年來**提升。相應(yīng)電子元件的研究和發(fā)展逐漸占據(jù)一席，比如基于碳纖維的織物是目前流行的柔性電極材料；然而此類電極的靈活性和優(yōu)越性能等始終是智能紡織品發(fā)展中的一個重要問題。Li 等通過動態(tài)模板煅燒工藝對涂有KOH 的棉織物進行碳化，促使纖維壁上形成了分層有序的多孔結(jié)構(gòu)，制作出的碳纖維織物機械強度優(yōu)異、可作為超級電容電極。還有從其他角度開發(fā)超電容碳纖維織物電極，比如通過鎳納米粒子的選擇性化學(xué)刻蝕和電化學(xué)剝落技術(shù)使織物產(chǎn)生多尺度孔隙和反應(yīng)基團，以及對碳纖維織物進行雜原子改性。另外，CNFs 有很好的導(dǎo)電性和大比表面積，在電子器件的應(yīng)用中極具潛力。Levitt 等 將 2D 過渡金屬碳化物 Ti3C2Tx 混入 PAN 溶液后采用靜電紡制備碳納米纖維氈，以此制作的復(fù)合電極的電容比純碳纖維的要高，Ti3C2Tx 的加入改善了復(fù)合電極的電化學(xué)性能，其導(dǎo)電性和耐用性也更強。

1.3.2      柔性傳感器

隨著大眾健康意識的提高和特殊領(lǐng)域的裝備需求，智能紡織品也逐漸融入監(jiān)測系統(tǒng)以用于健康護理和監(jiān)測，其中的關(guān)鍵元件之一是傳感器。Azizkhani 等選擇室溫可固化的硅橡膠為基體、短切碳纖維為導(dǎo)電材料制備了電阻應(yīng)變傳感器，在高達 25%的應(yīng)變振幅內(nèi)具有高靈敏度；且其低于 15 s 的恢復(fù)時間。該類傳感器用于人體監(jiān)測時能保證信號穩(wěn)定和較強的傳感性能。類似的，壓阻式短切碳纖維/聚二甲基硅氧烷復(fù)合傳感器[18]的高靈敏度和可拉伸性使其適用于不同應(yīng)用的應(yīng)變傳感檢測，如人體運動、織物的褶皺等。但這類傳感器需進一步改善，其壓阻特性對負載結(jié)構(gòu)敏感，施加的應(yīng)變過高會導(dǎo)致靈敏度降低、壓阻過渡延遲等問題。

芳綸全稱為芳香族聚酰胺纖維，具有**高模、低密度、耐磨、耐沖擊和優(yōu)良絕緣性等優(yōu)點。由于酰胺鍵與苯環(huán)連接位置不同， 芳綸存在分子結(jié)構(gòu)的差異， ?？煞譃閷ξ环季]、間位芳綸及芳綸Ⅲ。

2.1  生產(chǎn)技術(shù)

近幾年，國內(nèi)外的芳綸纖維已經(jīng)逐步實現(xiàn)高產(chǎn)值的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并且產(chǎn)量逐年攀升。主要產(chǎn)品之一的芳綸 1414（poly-p-phenylene terephthamide, PPTA）纖維在紡紗過程中存在著控制成品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵點，陳洲榕對此進行了生產(chǎn)工藝研究：紡紗前加入水和抗靜電劑對 PPTA 纖維做預(yù)處理以減少靜電；在梳棉時選用齒深淺齒密小、移動速度快的錫林、道夫等器件以解決紡紗中易生粉末、結(jié)節(jié)的難題，同時調(diào)整器件隔距以加快纖維轉(zhuǎn)移。開發(fā)生產(chǎn)更高機械性能的芳綸纖維是拓展芳綸的應(yīng)用領(lǐng)域值得研究的課題。Teng 等在濃硫酸中將商用 PPTA 與 h-PPTA（高分子量 PPTA）共混，干噴濕紡時 h-PPTA 可增強大分子間作用，而且對 PPTA 短鏈沿纖維軸的取向產(chǎn)生了誘導(dǎo)，所生產(chǎn)的芳綸纖維的拉伸強度和初始模量得到提高。此外，任仲愷等對**芳綸 1313 進行了研究制備，常規(guī)的芳綸 1313 斷裂強度低于芳綸 1414，通過提高紡絲液黏度和降低含固量可以增加聚合物分子量，并且添加改性劑能增加纖維的取向度和結(jié)構(gòu)均勻度，同時逐步升溫的分段水洗方式保證了纖維結(jié)構(gòu)的致密性，這些多方面的工藝改進使纖維更**耐用。

2.2  著色技術(shù)

芳綸的結(jié)構(gòu)緊密、玻璃化溫度高，難以用常規(guī)工藝染色。因此當(dāng)纖維大分子鏈流動性增加，無定形區(qū)增多時，染料才易進入纖維內(nèi)部與其結(jié)合。Azam 等提出近年芳綸染色的得色深度都較低，因此其采用苯甲醇作為膨脹劑對陽離子染料上染間位芳綸的工藝進行優(yōu)化，芳綸織物的染色深度高且強度損失小。另外，Kale 等在染色芳綸表面進行二氧化鈦納米粒子涂層處理來解決染色芳綸耐光性差的問題。而對于芳綸紡織品的印花，用分散染料進行載體印花是一個很好的嘗試，但仍需進一步優(yōu)化工藝以提高色牢度。

2.3  功能性技術(shù)

2.3.1   織物結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著個人和工業(yè)防護用品領(lǐng)域的需求增加，用芳綸制造的高性能防護織物的研究也應(yīng)運發(fā)展。Moure 等基于芳綸織物紗線間的摩擦對抗沖擊性能的較大影響，從紗線到組織的不同層次比較了不同結(jié)構(gòu)的對位芳綸織物的力學(xué)性能和紗線摩擦系數(shù)。該研究發(fā)現(xiàn)，即使紗線的力學(xué)性能基本相同，其織物的力學(xué)性能也不同；當(dāng)芳綸纖維在增強織物上按垂直角度疊層交織時可吸收大量的能量，大于一般柔軟織物吸收的。并且織物有較高的吸收能量密度和摩擦系數(shù)時，其防護性能也較佳。

2.3.2織物性能提升

對于防護服實用性能的提升，Nayak 等對芳綸織物進行碳化硼涂層處理，雖然織物的整體抗刺性能得到了提高，但也造成了應(yīng)力集中使織物的局部防護性能受到影響；同時涂層限制了汗液蒸汽的流動，導(dǎo)致舒適性降低。對于芳綸織物的導(dǎo)濕排汗性能差的問題，可采取酸性高錳酸鉀或等離子體改性結(jié)合導(dǎo)濕排汗整理的方法，使織物纖維產(chǎn)生極性基團，提高纖維浸潤性，整理劑可更好地在纖維上滲透和結(jié)合。一般來說，多功能產(chǎn)品在市場更受歡迎。Shen 等通過浸漬涂層方法將水性聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和氟代烷基硅烷的混合溶液涂布于芳綸織物上，所得織物兼具耐久的超疏水和化學(xué)防護功能。Liu 等對芳綸織物進行浸漬剪切增稠液（Shear thickening fluid, STF）和覆蓋碳納米管（Carbon nanotubes, CNT）的復(fù)合工藝，得到了具有優(yōu)異的保護和傳感功能的復(fù)合織物。其中，CNT 增加了織物的導(dǎo)電和響應(yīng)特性，可進行有效的檢測；STF 的加入，使得復(fù)合織物能承受更高的沖擊力，提供更強的保護。