纳米技术在纺织工业中的应用

一、前言 纳米粒子是指颗粒尺寸为纳米级的超细微粒，它的尺寸大于原子族小于通常的微粒，一般在1～100nm之间。这类纳米材料凭借其内部所特有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等四大效应，从而拥有完全不同于常规材料的奇特的力学性能、光学性能、热学性能、磁学性能、催化性能和生物活性等性能。这些都为纳米材料在各个领域包括纺织工业的应用奠定了基础。 二、纳米技术在纺织中的应用途径和方向 1、应用途径 纳米技术在纺织领域的应用主要有三大途径：一是纳米纤维的研究，纳米纤维是指纤维直径小于100纳米的超微细纤维，这种纤维长度可达千米，能把纳米世界和宏观世界连接起来，理论上可以支持“纳米机”排列。纤维越细，其比表面积越大，过滤效果也更好。二是采用性能不同的纳米微粒如目前使用较多的氧化锌、氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化镁及含银、铜等离子的微粒，在纺丝或聚合时加入到化学纤维中去，从而对各类传统纤维进行改性使之成为具有功能性的纤维。三是用纳米技术对织物进行后整理，其方法大致为：⑴把纳米微粒作为固体物质直接加入到织物后整理剂中，使纳米微粒均匀分散在后处理织物中；⑵把纳米微粒的微乳液和织物后整理剂均匀混合后，将织物通过这种包含有纳米微粒的整理液；⑶把含有纳米材料的整理剂在一定的粘合剂存在下涂覆到织物表面，形成一种功能性的涂层，改善织物的服用性能。 2、应用方向 21世纪，随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，人们越来越追求高档、舒适、具有保健功能的服装，也为之提出了更高的要求。到目前为止，纳米材料在纺织行业中主要集中在抗静电、红外、紫外光的吸收方面，并在抗菌、防臭、防水防油方面得到了应用。 ⑴纳米抗静电功能 化纤的衣物和地毯，由于静电效应摩擦产生放电效应，同时易吸灰尘给使用者带来诸多不便；一些操作平台、船舱焊接等最怕因静电产生火花而引起爆炸，纳米微粒为解决化纤制品的静电问题提供了一个新的途径。在化纤制品中加入少量的纳米微粒，如将0.1～0.5%的纳米TiO2、Cr2O3、ZnO、Fe2O3等具有半导体性质的粉体掺入到树脂中，就会产生良好的静电屏蔽性能，大大降低其静电效应，从而大大提高了它的安全系数。 ⑵纳米远红外功能 人体释放的红外线大致在4～16um的中红外频段。在军事上如果不对人体这一频段的红外线进行屏蔽，就很容易被灵敏的红外探测器所发现，尤其在夜间人体安全将会受到威胁，因此研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服是很有必要的。某些纳米微粒如TiO2、SiO2、Al2O3和Fe2O3的复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能，对些波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。另一方面把此类纳米微粒作为添加剂制成远红外纤维是一种具有优良的医疗保健功能、热效应功能和排湿透气抑菌功能的新型纺织材料，穿着此类织物，可有效改善人体微循环，提高组织供氧、促进新陈代谢、增强免疫力。东华大学最近研制的远红外线发射纤维，就具有此种功能。 ⑶纳米抗菌、防臭功能 大多数有机抗菌、防臭剂存在耐热性差、易挥发、易分散产生有害物质，安全性较差等缺点，为此人们积极开发研究无机抗菌、防臭剂。纳米级的抗菌剂无机系列包括有元素、氧化物和多种化合物，利用超微细技术能够生产亚微米及纳米级的无机抗菌剂，与之共混或复合引入化纤之中就可使化纤抗菌产业化。第一类无机抗菌剂有：银、铜、锌、硫、砷及其离子元素等。第二类光催化抗菌剂有纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化锌等。此类抗菌剂能够将细菌及其残骸一起杀灭消除，同时还能将细菌分泌的毒素也分解掉。例如由北京赛特瑞科技发展有限公司和中国纺织科学研究院共同研制的“纳米层状银系无机抗菌纤维”日前已通过了由国家纺织工业局组织的技术鉴定，而逐步推广应用。 而将奇冰石制成与高分子材料具有良性相溶性的纳米级粉体而添加到涤纶、丙纶等化纤中，则具有除臭、净化空气和改善环境的作用。例如江苏康博集团推出的“波司登”保暖内衣，就在内层中添加了从天然奇冰石中提取的纳米级超细粉末，既能有效地杀菌抑菌，又能消除异味。 ⑷纳米防紫外线、防磁功能 晒晒阳光有利于健康，然而过量的暴晒会增加因紫外辐射而导致的永久性皮肤损伤的危险。紫外线A（UVA，320 nm～400 nm）会引起皮肤老化；紫外线B（UVB，290 nm～320 nm）会引起晒斑（红疹），而导致皮肤癌。最近，研究发现利用金属氧化体粉体，即所谓陶瓷粉如纳米TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和纳米云母，添加到化学纤维中，可以屏蔽紫外线的过度照射，并用电子计算机模拟设计发现二氧化钛微粒粒径在50～120 nm时，吸收紫外效率最大（即透过率最小），经过实验修正，二氧化钛对紫外线最大吸收率的粒径范围应在120～300 nm（纳米）左右。利用这种粒径的屏蔽粉体微粒加入到涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等制作各类纺织品，就能满足人们对抗紫外衣物的需要。此外氧化镍、氧化铁等纳米颗粒也能强烈的吸收电磁辐射，从而有效地保护人体免受电磁辐射的损伤。例如西安杨健忠博士、高建中高级工程师与有关科技人员成功地将抗辐射物质粉碎到纳米级，并溶于纤维，用该纤维制成的面料不仅能吸收阻隔95%以上的紫外线，还能阻隔同量的电磁波。紫外线遮挡系数UPF为38%～42%，具有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损影响等特点，可做成衬衣、裙装、T恤等，保护人体皮肤不受辐射伤害。 ⑸防水防油功能 对纺织材料进行某种特殊的表面加工，从而在材料的宏观界面建立一个二元协同纳米界面结构。据中科院化学所2000年9月27日公布，纺织服装经“二元协同纳米界材料”技术处理过的棉、麻、丝、毛、绒、混纺、化纤等各种纺织面料都具有防水防油的功能，而织物的纤维强度、染料亲和性、耐洗涤性、透气性、免烫性能均不受影响，此外处理过的面料还有杀菌、防辐射、防霉等效果。清洗时也很方便，只要在水里轻轻漂洗一下就行了，根本不需要洗涤剂。 ⑹其他方面的应用 纳米技术及材料对其他纺织产品的开发也将发挥奇异的功效，如吸水吸湿纤维、变色纤维、耐热纤维、芳香纤维、磁性纤维、储能纤维、发光纤维、阻燃织物、隔音织物等高性能的纤维产品的开发和舒适性、保健产品的研究等等。纳米材料由于化学活性优异，作为催化剂将在纺织品的染整污水处理中有其广阔的应用前景。 三、结语 虽然，目前在纺织领域中制备的几种纳米材料及纳米复合材料都表现出优良的性能，但我们应该注意到解决纳米技术的三大难题：破碎、团聚、分散技术有待于进一步提高。对于纳米制成品的性能检测、产品标准还有待进一步完善。对纳米技术在功能性化纤中的应用开发，既要看到有好的前景，切不可头脑发热，目前还要进行大量艰苦、细致的工作，对功能性纺织品特别是保健产品的宣传要有科学依据，实事求是。但可以预言，随着纳米粒子生产成本的降低、功能性纳米粒子品种的增多，纳米技术将在纺织工业中得到广泛的应用，从而也会给传统纺织业注入新的活力和生机。 信息来源于：纳米技术网