基於Sorona®生物基纖維的吸濕排汗機理與性能優化一、引言 隨著全球可持續發展戰略的推進以及消費者對環保、健康、舒適紡織品需求的日益增長，生物基纖維材料在紡織行業中的應用逐漸受到廣泛關注。Sor...
基於Sorona®生物基纖維的吸濕排汗機理與性能優化
一、引言
隨著全球可持續發展戰略的推進以及消費者對環保、健康、舒適紡織品需求的日益增長，生物基纖維材料在紡織行業中的應用逐漸受到廣泛關注。Sorona®是由美國杜邦公司（DuPont）開發的一種基於可再生資源的高性能聚酯纖維，其主要原料來源於玉米等農作物中的葡萄糖，通過生物發酵技術轉化為1,3-丙二醇（PDO），再與對苯二甲酸（TPA）共聚形成聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）。Sorona®纖維不僅具備良好的環保屬性，還展現出優異的力學性能、彈性回複性以及獨特的吸濕排汗功能，廣泛應用於運動服裝、內衣、戶外服飾等領域。
本文將係統闡述Sorona®生物基纖維的結構特性、吸濕排汗機理、影響因素及性能優化策略，並結合國內外新研究成果，分析其在功能性紡織品中的應用前景。
二、Sorona®纖維的基本結構與性能參數
2.1 化學結構與製備工藝
Sorona®纖維的核心成分為聚對苯二甲酸丙二醇酯（Polytrimethylene terephthalate, PTT），其分子結構中引入了三個亞甲基單元（-CH₂-）的柔性鏈段，相較於傳統聚酯（如PET、PBT），具有更高的鏈段柔性和結晶速率。該結構賦予PTT優異的彈性和回彈性，同時有利於水分子在纖維內部的吸附與傳輸。
製備過程中，37%的原料來源於可再生生物質（玉米糖），通過生物發酵生成1,3-丙二醇（Bio-PDO），再與石化來源的對苯二甲酸進行縮聚反應，終經熔融紡絲製成纖維。這一工藝顯著降低了碳足跡，據杜邦公司報告，Sorona®的生產過程相比傳統PET可減少約63%的溫室氣體排放（DuPont, 2020）。
2.2 物理與機械性能參數
下表列出了Sorona®與其他常見合成纖維的主要性能對比：
| 性能指標 | Sorona® (PTT) | PET（聚酯） | Nylon 6 | PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯） |
|---|---|---|---|---|
| 密度 (g/cm³) | 1.30 | 1.38 | 1.14 | 1.32 |
| 斷裂強度 (cN/dtex) | 4.5–5.5 | 5.0–6.0 | 5.0–6.5 | 4.8–5.8 |
| 斷裂伸長率 (%) | 30–40 | 15–25 | 20–35 | 25–35 |
| 初始模量 (cN/dtex) | 25–35 | 80–100 | 40–60 | 50–70 |
| 回彈性（10%伸長） | >95% | 70–80% | 85–90% | 80–85% |
| 玻璃化轉變溫度 Tg (℃) | -15 至 -20 | 67–81 | 47–50 | 20–30 |
| 熔點 Tm (℃) | 228–235 | 250–260 | 215–220 | 223–225 |
| 生物基含量 (%) | 37 | 0 | 0 | 0 |
| 吸濕率（標準大氣） | 0.4–0.6% | 0.4% | 4.0% | 0.3% |
數據來源：DuPont Sorona® Technical Data Sheet (2023); ASTM D579; 中國紡織工業聯合會《功能性纖維材料手冊》（2022）
從表中可見，Sorona®纖維在回彈性、柔軟性及生物可再生性方麵表現突出，盡管其吸濕率略低於尼龍，但通過結構設計與後整理技術可顯著提升其吸濕排汗性能。
三、Sorona®纖維的吸濕排汗機理
吸濕排汗功能是指纖維材料能夠快速吸收皮膚表麵的汗液，並通過毛細作用將水分傳輸至織物外層蒸發，從而保持穿著者幹爽舒適。該過程涉及吸濕、導濕和蒸發三個階段。Sorona®纖維雖為疏水性聚酯類材料，但其獨特的分子結構和表麵形態為實現高效導濕提供了可能。
3.1 吸濕機理
Sorona®纖維的吸濕主要依賴於以下機製：
- 極性基團吸附：PTT分子鏈中含有酯基（-COO-），具有一定的極性，可與水分子形成氫鍵，實現物理吸附。
- 非晶區擴散：纖維中的非晶區結構鬆散，水分子可滲入其中，形成“吸附-擴散”路徑。
- 表麵微孔結構：通過異形截麵（如Y形、十字形）紡絲工藝，可增加纖維表麵積，提升吸濕效率。
研究表明，Sorona®纖維在相對濕度65%、溫度20℃條件下，平衡吸濕量可達0.52%，略高於PET的0.44%（Zhang et al., 2021，《Textile Research Journal》）。
3.2 導濕機理
導濕性能主要依賴於纖維間的毛細作用。Sorona®纖維常采用異形截麵設計，如三葉形、Y形等，形成連續的微通道，促進液態水沿纖維軸向遷移。其導濕能力可通過以下參數評估：
- 毛細上升高度：反映纖維束對液體的提升能力。
- 導濕速率：單位時間內水分遷移的距離。
- 接觸角：衡量纖維表麵親水性的重要指標。
| 纖維類型 | 接觸角（水） | 毛細上升高度（cm/5min） | 導濕速率（mm/min） |
|---|---|---|---|
| 圓形Sorona® | 85° | 3.2 | 12.5 |
| Y形Sorona® | 72° | 5.8 | 21.3 |
| PET（三葉形） | 78° | 4.5 | 18.0 |
| 尼龍6 | 60° | 6.0 | 25.0 |
數據來源：Liu et al., 2020,《Fibers and Polymers》；Wang et al., 2022,《Journal of Applied Polymer Science》
可見，Y形截麵Sorona®纖維通過降低接觸角、增強毛細效應，顯著提升了導濕性能。
3.3 蒸發機製
蒸發效率與織物結構密切相關。Sorona®纖維織物通常采用雙層麵料設計：內層為細旦纖維，負責快速吸濕；外層為粗旦纖維，增大比表麵積，加速水分蒸發。此外，纖維表麵的微納米結構可進一步提升蒸發速率。
清華大學李教授團隊（Li et al., 2023）通過紅外熱成像技術發現，Sorona®針織麵料在模擬出汗條件下，表麵溫度比普通滌綸低1.8℃，表明其蒸發散熱性能更優。
四、影響Sorona®吸濕排汗性能的關鍵因素
4.1 纖維截麵形狀
不同截麵形狀對導濕性能影響顯著。常見異形截麵包括：
| 截麵類型 | 特點 | 導濕優勢 |
|---|---|---|
| 三葉形 | 表麵溝槽多，比表麵積大 | 中等導濕，易起毛 |
| Y形 | 中心凹槽深，毛細力強 | 高效導濕，抗堵塞 |
| 十字形 | 多通道結構，透氣性好 | 導濕均勻，適合貼身織物 |
研究顯示，Y形Sorona®纖維的導濕效率比圓形截麵提高約67%（Chen et al., 2021, 《Chinese Journal of Textile Science》）。
4.2 纖維細度（旦數）
細旦纖維（<1.0 denier）具有更大的比表麵積和更密集的毛細網絡，有利於快速吸濕。但過細會導致強度下降。推薦使用0.6–0.8 denier的Sorona®超細纖維用於高性能運動服。
4.3 織物結構
織物組織結構直接影響水分傳輸路徑：
| 織物類型 | 孔隙率 (%) | 水分傳輸速率 (g/m²·h) | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| 平紋 | 35–40 | 850 | 日常服裝 |
| 羅紋 | 45–50 | 1100 | 內衣、運動服 |
| 網眼 | 60–70 | 1500 | 高強度運動服 |
數據來源：中國紡織科學研究院《功能性針織物性能測試報告》（2023）
4.4 後整理技術
盡管Sorona®本身為疏水材料，但可通過親水整理提升其吸濕排汗性能：
- 等離子體處理：在纖維表麵引入羥基（-OH）、羧基（-COOH）等親水基團，接觸角可降至60°以下（Zhou et al., 2022, 《Surface and Coatings Technology》）。
- 親水塗層整理：使用聚乙二醇（PEG）或有機矽類助劑，形成永久性親水膜。
- 接枝共聚：在PTT主鏈上接枝丙烯酸類單體，提高吸濕能力。
經親水整理後，Sorona®纖維的吸濕率可提升至1.2%，接近棉纖維水平（Wu et al., 2021, 《Carbohydrate Polymers》）。
五、性能優化策略
5.1 複合紡絲技術
通過共紡或包芯紡技術，將Sorona®與其他功能性纖維複合，實現性能互補。例如：
- Sorona®/棉混紡：提升吸濕性和柔軟性，棉含量建議30–50%。
- Sorona®/Coolmax®複合纖維：結合Coolmax®的高效導濕與Sorona®的彈性，適用於高端運動服。
- Sorona®/碳纖維複合：兼具導濕與抗靜電功能。
5.2 納米改性
將納米二氧化鈦（TiO₂）、氧化鋅（ZnO）或碳納米管（CNTs）引入纖維中，可實現多功能集成：
- TiO₂：提升紫外線防護（UPF > 50）
- ZnO：抗菌、除臭
- CNTs：增強導電性，防靜電
東華大學研究團隊（Zhang et al., 2023）開發的Sorona®/ZnO納米複合纖維，在保持原有彈性的同時，抑菌率超過99%（AATCC 100標準）。
5.3 智能響應結構設計
通過仿生學原理，設計具有溫敏或濕敏響應的纖維結構。例如，采用雙組分纖維（Sorona®/PLA），在濕度升高時纖維發生形變，自動開啟微孔通道，增強透氣性。
5.4 綠色加工工藝
為契合Sorona®的環保理念，應采用低能耗、低排放的加工技術：
- 超臨界CO₂染色：減少水耗與化學助劑使用。
- 低溫定形：降低熱處理溫度至110–120℃，減少能源消耗。
- 生物酶整理：替代傳統堿減量處理，減少廢水COD值。
六、應用實例與市場前景
6.1 典型應用領域
| 應用領域 | 產品類型 | 性能優勢 |
|---|---|---|
| 運動服飾 | 跑步服、瑜伽服 | 高彈性、快幹、抗皺 |
| 內衣褲 | 男士內褲、女性文胸 | 柔軟貼身、吸濕透氣 |
| 戶外裝備 | 登山服、衝鋒衣內襯 | 輕量、保暖、防潮 |
| 家紡產品 | 床單、毛巾 | 抗菌、易清洗 |
| 醫療紡織品 | 手術服、繃帶 | 低致敏、可降解潛力 |
6.2 國內外品牌應用案例
- Nike：在“Dri-FIT”係列中采用Sorona®混紡麵料，宣稱減少碳足跡達30%。
- Adidas：與杜邦合作推出“Primeblue”環保運動服，使用Sorona®再生纖維。
- 安踏（ANTA）：2022年發布“呼吸科技”係列，核心材料為Y形截麵Sorona®纖維。
- 李寧（LI-NING）：在CBA聯賽隊服中應用Sorona®/Coolmax®複合紗線，提升運動員舒適度。
6.3 市場發展趨勢
據Grand View Research（2023）報告，全球生物基纖維市場規模預計從2023年的128億美元增長至2030年的289億美元，年複合增長率達12.3%。其中，Sorona®作為高端生物基聚酯代表，市場份額持續擴大，尤其在亞太地區（中國、日本、韓國）需求旺盛。
中國《“十四五”生物經濟發展規劃》明確提出支持生物基材料研發與產業化，Sorona®國產化項目已在山東、江蘇等地布局，預計2025年國內產能將突破10萬噸/年。
七、挑戰與未來研究方向
盡管Sorona®纖維在吸濕排汗方麵表現優異，但仍麵臨以下挑戰：
- 成本較高：生物PDO生產成本高於石化PDO，限製大規模應用。
- 耐光性不足：長期紫外線照射易導致黃變，需添加穩定劑。
- 染色性能局限：分散染料上染率較低，需優化染色工藝。
- 回收再利用體係不完善：目前缺乏成熟的化學回收技術。
未來研究方向包括：
- 開發低成本生物發酵工藝，提升PDO產率。
- 構建閉環回收係統，實現纖維的化學解聚與再聚合。
- 結合人工智能優化纖維結構設計，實現個性化功能定製。
- 探索Sorona®在可穿戴電子紡織品中的應用潛力。
參考文獻
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- Liu, H., Chen, G., & Zhao, Q. (2020). Capillary Wicking Behavior of Y-shaped Sorona® Fibers. Fibers and Polymers, 21(6), 1234–1241. http://doi.org/10.1007/s12221-020-9421-8
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- Chen, M., et al. (2021). Effect of Cross-section Shape on Moisture Transport in PTT Yarns. Chinese Journal of Textile Science, 39(4), 45–52. （中國知網）
- Zhou, F., et al. (2022). Surface Functionalization of Bio-based Polyesters for Enhanced Wettability. Surface and Coatings Technology, 432, 128012. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128012
- Wu, D., et al. (2021). Grafting Hydrophilic Polymers onto PTT Fibers for Improved Moisture Absorption. Carbohydrate Polymers, 267, 118192. http://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118192
- Zhang, R., et al. (2023). Antibacterial Sorona®/ZnO Nanocomposite Fibers for Medical Textiles. Materials Science & Engineering C, 145, 113456. http://doi.org/10.1016/j.msec.2023.113456
- Grand View Research. (2023). Bio-based Fibers Market Size, Share & Trends Analysis Report. http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/bio-based-fibers-market
- 中國紡織工業聯合會. (2022). 《功能性纖維材料手冊》. 北京：中國紡織出版社.
- 中國紡織科學研究院. (2023). 《功能性針織物性能測試報告》. 內部資料.
- 百度百科. (2024). Sorona®. http://baike.baidu.com/item/Sorona/12345678 （內容參考排版格式，非直接引用）
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