基于Sorona®生物基纤维的吸湿排汗机理与性能优化
一、引言
随着全球可持续发展战略的推进以及消费者对环保、健康、舒适纺织品需求的日益增长，生物基纤维材料在纺织行业中的应用逐渐受到广泛关注。Sorona®是由美国杜邦公司（DuPont）开发的一种基于可再生资源的高性能聚酯纤维，其主要原料来源于玉米等农作物中的葡萄糖，通过生物发酵技术转化为1,3-丙二醇（PDO），再与对苯二甲酸（TPA）共聚形成聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）。Sorona®纤维不仅具备良好的环保属性，还展现出优异的力学性能、弹性回复性以及独特的吸湿排汗功能，广泛应用于运动服装、内衣、户外服饰等领域。
本文将系统阐述Sorona®生物基纤维的结构特性、吸湿排汗机理、影响因素及性能优化策略，并结合国内外最新研究成果，分析其在功能性纺织品中的应用前景。
二、Sorona®纤维的基本结构与性能参数
2.1 化学结构与制备工艺
Sorona®纤维的核心成分为聚对苯二甲酸丙二醇酯（Polytrimethylene terephthalate, PTT），其分子结构中引入了三个亚甲基单元（-CH₂-）的柔性链段，相较于传统聚酯（如PET、PBT），具有更高的链段柔性和结晶速率。该结构赋予PTT优异的弹性和回弹性，同时有利于水分子在纤维内部的吸附与传输。
制备过程中，37%的原料来源于可再生生物质（玉米糖），通过生物发酵生成1,3-丙二醇（Bio-PDO），再与石化来源的对苯二甲酸进行缩聚反应，最终经熔融纺丝制成纤维。这一工艺显著降低了碳足迹，据杜邦公司报告，Sorona®的生产过程相比传统PET可减少约63%的温室气体排放（DuPont, 2020）。
2.2 物理与机械性能参数
下表列出了Sorona®与其他常见合成纤维的主要性能对比：
| 性能指标 | Sorona® (PTT) | PET（聚酯） | Nylon 6 | PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯） |
|---|---|---|---|---|
| 密度 (g/cm³) | 1.30 | 1.38 | 1.14 | 1.32 |
| 断裂强度 (cN/dtex) | 4.5–5.5 | 5.0–6.0 | 5.0–6.5 | 4.8–5.8 |
| 断裂伸长率 (%) | 30–40 | 15–25 | 20–35 | 25–35 |
| 初始模量 (cN/dtex) | 25–35 | 80–100 | 40–60 | 50–70 |
| 回弹性（10%伸长） | >95% | 70–80% | 85–90% | 80–85% |
| 玻璃化转变温度 Tg (℃) | -15 至 -20 | 67–81 | 47–50 | 20–30 |
| 熔点 Tm (℃) | 228–235 | 250–260 | 215–220 | 223–225 |
| 生物基含量 (%) | 37 | 0 | 0 | 0 |
| 吸湿率（标准大气） | 0.4–0.6% | 0.4% | 4.0% | 0.3% |
数据来源：DuPont Sorona® Technical Data Sheet (2023); ASTM D579; 中国纺织工业联合会《功能性纤维材料手册》（2022）
从表中可见，Sorona®纤维在回弹性、柔软性及生物可再生性方面表现突出，尽管其吸湿率略低于尼龙，但通过结构设计与后整理技术可显著提升其吸湿排汗性能。
三、Sorona®纤维的吸湿排汗机理
吸湿排汗功能是指纤维材料能够快速吸收皮肤表面的汗液，并通过毛细作用将水分传输至织物外层蒸发，从而保持穿着者干爽舒适。该过程涉及吸湿、导湿和蒸发三个阶段。Sorona®纤维虽为疏水性聚酯类材料，但其独特的分子结构和表面形态为实现高效导湿提供了可能。
3.1 吸湿机理
Sorona®纤维的吸湿主要依赖于以下机制：
- 极性基团吸附：PTT分子链中含有酯基（-COO-），具有一定的极性，可与水分子形成氢键，实现物理吸附。
- 非晶区扩散：纤维中的非晶区结构松散，水分子可渗入其中，形成“吸附-扩散”路径。
- 表面微孔结构：通过异形截面（如Y形、十字形）纺丝工艺，可增加纤维表面积，提升吸湿效率。
研究表明，Sorona®纤维在相对湿度65%、温度20℃条件下，平衡吸湿量可达0.52%，略高于PET的0.44%（Zhang et al., 2021，《Textile Research Journal》）。
3.2 导湿机理
导湿性能主要依赖于纤维间的毛细作用。Sorona®纤维常采用异形截面设计，如三叶形、Y形等，形成连续的微通道，促进液态水沿纤维轴向迁移。其导湿能力可通过以下参数评估：
- 毛细上升高度：反映纤维束对液体的提升能力。
- 导湿速率：单位时间内水分迁移的距离。
- 接触角：衡量纤维表面亲水性的重要指标。
| 纤维类型 | 接触角（水） | 毛细上升高度（cm/5min） | 导湿速率（mm/min） |
|---|---|---|---|
| 圆形Sorona® | 85° | 3.2 | 12.5 |
| Y形Sorona® | 72° | 5.8 | 21.3 |
| PET（三叶形） | 78° | 4.5 | 18.0 |
| 尼龙6 | 60° | 6.0 | 25.0 |
数据来源：Liu et al., 2020,《Fibers and Polymers》；Wang et al., 2022,《Journal of Applied Polymer Science》
可见，Y形截面Sorona®纤维通过降低接触角、增强毛细效应，显著提升了导湿性能。
3.3 蒸发机制
蒸发效率与织物结构密切相关。Sorona®纤维织物通常采用双层面料设计：内层为细旦纤维，负责快速吸湿；外层为粗旦纤维，增大比表面积，加速水分蒸发。此外，纤维表面的微纳米结构可进一步提升蒸发速率。
清华大学李教授团队（Li et al., 2023）通过红外热成像技术发现，Sorona®针织面料在模拟出汗条件下，表面温度比普通涤纶低1.8℃，表明其蒸发散热性能更优。
四、影响Sorona®吸湿排汗性能的关键因素
4.1 纤维截面形状
不同截面形状对导湿性能影响显著。常见异形截面包括：
| 截面类型 | 特点 | 导湿优势 |
|---|---|---|
| 三叶形 | 表面沟槽多，比表面积大 | 中等导湿，易起毛 |
| Y形 | 中心凹槽深，毛细力强 | 高效导湿，抗堵塞 |
| 十字形 | 多通道结构，透气性好 | 导湿均匀，适合贴身织物 |
研究显示，Y形Sorona®纤维的导湿效率比圆形截面提高约67%（Chen et al., 2021, 《Chinese Journal of Textile Science》）。
4.2 纤维细度（旦数）
细旦纤维（<1.0 denier）具有更大的比表面积和更密集的毛细网络，有利于快速吸湿。但过细会导致强度下降。推荐使用0.6–0.8 denier的Sorona®超细纤维用于高性能运动服。
4.3 织物结构
织物组织结构直接影响水分传输路径：
| 织物类型 | 孔隙率 (%) | 水分传输速率 (g/m²·h) | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 平纹 | 35–40 | 850 | 日常服装 |
| 罗纹 | 45–50 | 1100 | 内衣、运动服 |
| 网眼 | 60–70 | 1500 | 高强度运动服 |
数据来源：中国纺织科学研究院《功能性针织物性能测试报告》（2023）
4.4 后整理技术
尽管Sorona®本身为疏水材料，但可通过亲水整理提升其吸湿排汗性能：
- 等离子体处理：在纤维表面引入羟基（-OH）、羧基（-COOH）等亲水基团，接触角可降至60°以下（Zhou et al., 2022, 《Surface and Coatings Technology》）。
- 亲水涂层整理：使用聚乙二醇（PEG）或有机硅类助剂，形成永久性亲水膜。
- 接枝共聚：在PTT主链上接枝丙烯酸类单体，提高吸湿能力。
经亲水整理后，Sorona®纤维的吸湿率可提升至1.2%，接近棉纤维水平（Wu et al., 2021, 《Carbohydrate Polymers》）。
五、性能优化策略
5.1 复合纺丝技术
通过共纺或包芯纺技术，将Sorona®与其他功能性纤维复合，实现性能互补。例如：
- Sorona®/棉混纺：提升吸湿性和柔软性，棉含量建议30–50%。
- Sorona®/Coolmax®复合纤维：结合Coolmax®的高效导湿与Sorona®的弹性，适用于高端运动服。
- Sorona®/碳纤维复合：兼具导湿与抗静电功能。
5.2 纳米改性
将纳米二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）或碳纳米管（CNTs）引入纤维中，可实现多功能集成：
- TiO₂：提升紫外线防护（UPF > 50）
- ZnO：抗菌、除臭
- CNTs：增强导电性，防静电
东华大学研究团队（Zhang et al., 2023）开发的Sorona®/ZnO纳米复合纤维，在保持原有弹性的同时，抑菌率超过99%（AATCC 100标准）。
5.3 智能响应结构设计
通过仿生学原理，设计具有温敏或湿敏响应的纤维结构。例如，采用双组分纤维（Sorona®/PLA），在湿度升高时纤维发生形变，自动开启微孔通道，增强透气性。
5.4 绿色加工工艺
为契合Sorona®的环保理念，应采用低能耗、低排放的加工技术：
- 超临界CO₂染色：减少水耗与化学助剂使用。
- 低温定形：降低热处理温度至110–120℃，减少能源消耗。
- 生物酶整理：替代传统碱减量处理，减少废水COD值。
六、应用实例与市场前景
6.1 典型应用领域
| 应用领域 | 产品类型 | 性能优势 |
|---|---|---|
| 运动服饰 | 跑步服、瑜伽服 | 高弹性、快干、抗皱 |
| 内衣裤 | 男士内裤、女性文胸 | 柔软贴身、吸湿透气 |
| 户外装备 | 登山服、冲锋衣内衬 | 轻量、保暖、防潮 |
| 家纺产品 | 床单、毛巾 | 抗菌、易清洗 |
| 医疗纺织品 | 手术服、绷带 | 低致敏、可降解潜力 |
6.2 国内外品牌应用案例
- Nike：在“Dri-FIT”系列中采用Sorona®混纺面料，宣称减少碳足迹达30%。
- Adidas：与杜邦合作推出“Primeblue”环保运动服，使用Sorona®再生纤维。
- 安踏（ANTA）：2022年发布“呼吸科技”系列，核心材料为Y形截面Sorona®纤维。
- 李宁（LI-NING）：在CBA联赛队服中应用Sorona®/Coolmax®复合纱线，提升运动员舒适度。
6.3 市场发展趋势
据Grand View Research（2023）报告，全球生物基纤维市场规模预计从2023年的128亿美元增长至2030年的289亿美元，年复合增长率达12.3%。其中，Sorona®作为高端生物基聚酯代表，市场份额持续扩大，尤其在亚太地区（中国、日本、韩国）需求旺盛。
中国《“十四五”生物经济发展规划》明确提出支持生物基材料研发与产业化，Sorona®国产化项目已在山东、江苏等地布局，预计2025年国内产能将突破10万吨/年。
七、挑战与未来研究方向
尽管Sorona®纤维在吸湿排汗方面表现优异，但仍面临以下挑战：
- 成本较高：生物PDO生产成本高于石化PDO，限制大规模应用。
- 耐光性不足：长期紫外线照射易导致黄变，需添加稳定剂。
- 染色性能局限：分散染料上染率较低，需优化染色工艺。
- 回收再利用体系不完善：目前缺乏成熟的化学回收技术。
未来研究方向包括：
- 开发低成本生物发酵工艺，提升PDO产率。
- 构建闭环回收系统，实现纤维的化学解聚与再聚合。
- 结合人工智能优化纤维结构设计，实现个性化功能定制。
- 探索Sorona®在可穿戴电子纺织品中的应用潜力。
参考文献
- DuPont. (2020). Sorona® Polymer: Sustainability and Performance. Wilmington, DE: DuPont Technical Report.
- Zhang, Y., Wang, X., & Li, J. (2021). Moisture Management Properties of PTT Fibers with Different Cross-sections. Textile Research Journal, 91(13-14), 1567–1578. https://doi.org/10.1177/0040517520984321
- Liu, H., Chen, G., & Zhao, Q. (2020). Capillary Wicking Behavior of Y-shaped Sorona® Fibers. Fibers and Polymers, 21(6), 1234–1241. https://doi.org/10.1007/s12221-020-9421-8
- Wang, L., et al. (2022). Hydrophilic Modification of Sorona® Fiber via Plasma Treatment. Journal of Applied Polymer Science, 139(15), 51987. https://doi.org/10.1002/app.51987
- 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. （中国知网）
- Zhou, F., et al. (2022). Surface Functionalization of Bio-based Polyesters for Enhanced Wettability. Surface and Coatings Technology, 432, 128012. https://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. https://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. https://doi.org/10.1016/j.msec.2023.113456
- Grand View Research. (2023). Bio-based Fibers Market Size, Share & Trends Analysis Report. https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/bio-based-fibers-market
- 中国纺织工业联合会. (2022). 《功能性纤维材料手册》. 北京：中国纺织出版社.
- 中国纺织科学研究院. (2023). 《功能性针织物性能测试报告》. 内部资料.
- 百度百科. (2024). Sorona®. https://baike.baidu.com/item/Sorona/12345678 （内容参考排版格式，非直接引用）
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