奈米材料與技術論文

　　奈米技術的開發，奈米材料的應用，推動了整個人類社會的發展，也給市場帶來了巨大的商業機遇。 下面小編給大家分享一些，大家快來跟小編一起欣賞吧。

　　篇一

　　奈米技術與奈米材料在纖維中的應用

　　摘要：

　　本文介紹了納米技術在化學纖維中的應用方式，並闡述了納米技術在功能性纖維和其他特種纖維中的應用情況，以及奈米材料在應用中存在的問題及解決方法，最後展望了納米技術的應用前景。

　　關鍵詞：奈米技術;奈米材料;功能性纖維;特種纖維

　　近年來，奈米技術與奈米材料正引起人們的極大關注。奈米材料憑藉其內部所特有的表面效應、體積效應、量子尺寸效應、巨集觀量子隧道效應等四大效應，從而擁有完全不同於常規材料的奇特的力學效能、光學效能、熱力效能、磁學效能、催化效能和生物活性等效能。這些都為奈米材料在紡織工業的應用奠定了基礎。

　　可以說，奈米材料是21 世紀最有前途的材料，在功能性紡織品和高分子科學領域有著廣闊的應用前景。[1]

　　1 奈米技術在化學纖維中的應用方式

　　奈米粒子的奇特性質為奈米技術的廣泛應用奠定了基礎，應用奈米技術開發功能性化學纖維主要有兩個途徑[2]。

　　1.1 纖維超細化

　　使纖維達到奈米級，以滿足特殊用途領域的需要。

　　1.2 共混紡絲法

　　共混紡絲法是指在化纖聚合、熔融階段或紡絲階段加入功能性奈米材料粉體，以使生產出的化學纖維具有某些特殊的效能。此法是生產功能性化纖的主要方法。由於奈米粉體的表面效應，其化學活性高，經過分散處理後，容易與高分子材料相結合，較普通微粉體更容易共熔混紡;而且奈米粉體粒徑小，能較好地滿足紡絲裝置對新增物粒徑的要求，在化纖生產過程中能較好地避免對裝置的磨損、堵塞及纖維可紡性差、易斷絲等問題;對化纖的染色、後整理加工及服用效能等也不會造成很大的影響。該法的優點在於奈米粉體均勻地分散在纖維內部，因而耐久性好，其賦予織物的功能具有穩定性。目前化纖產品中複合型纖維的比例不斷擴大，如果在不同的原液中新增不同的奈米粉體，可開發出具有多種功能的紡織品。例如在芯鞘型複合纖維的皮、芯層原液中各自加入不同的粉體材料，生產出的纖維可具有兩種或兩種以上功能。

　　2 奈米技術在功能性纖維方面的應用

　　2.1 抗紫外線纖維

　　太陽光中能穿過大氣層輻射到地面的紫外線佔總能量的6%。紫外線具有滅菌消毒和促進體內維生素D 合成的作用，但同時也有加速人體面板老化及產生癌變的危險[3-5]。

　　2.1.1 抗紫外線纖維的紫外防護機理

　　紫外線屬於電磁波，其波長範圍在100nm～400nm 之間。研究表明，TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、雲母、高嶺土等在300nm～400nm 波段都具有吸收紫外線的特徵。若將這些材料製成奈米級超細粉體，由於微粒尺寸與光波波長相當或更小，這種小尺寸效應會導致對光的吸收顯著增強。

　　另外，這類超細粉體的比表面積大，表面能高，在與高分子材料共混時，很容易與後者結合，加之化纖紡絲裝置對共混材料粒度的要求，決定了奈米粒子是製造功能性化纖的優選新增材料。

　　2.1.2 抗紫外線纖維的應用

　　此類化纖包括的品種面很廣，從國內外研製和生產的品種來看，涉及滌綸、維綸、腈綸、尼龍和丙綸等;加工方法有尼龍、聚氨酯混紡、尼龍、醋酸纖維混紡等。主要用來製作運動衫、罩衫、制服、套褲、職業服、游泳衣和童裝等。在我國大多數地區，人們夏季穿著服裝單薄，這就需要利用奈米粒子的抗紫外線功能來開發各種化纖產品，以滿足婦女、老人、兒童、野外工作者和高溫崗位工人的需要。

　　2.2 抗菌除臭纖維

　　通常所說的抗菌包括抑制、殺滅、消除細菌分泌的毒素以及預防等功能。抗菌化纖的除臭功能表現在：保健方面：防止面板感染，消除病菌分泌的毒素和將汗液等轉化為臭味物質的細菌;美學方面：除去令人不愉快的臭味[6-8]。

　　2.2.1 抗菌除臭纖維的抗菌除臭機理

　　奈米級TiO2、ZnO等光催化型殺菌劑，表現出超過傳統抗菌劑僅能殺滅細菌本身的效能。其殺菌機理為：奈米級TiO2、ZnO等抗菌劑能在水分和空氣存在的情況下，自行分解出自由移動的電子***e-***，同時留下帶正電的空穴***h+***，逐步產生反應，生成的羥基自由基和超氧化物陰離子自由基非常活潑，有極強的化學活性，能與多種有機物發生反應***包括細菌內的有機物及其分泌的毒素***，從而將細菌、殘骸和毒素殺滅、消除。

　　奈米級TiO2、ZnO的除臭機理主要有以下兩種：①吸附臭味。超細ZnO的比表面積大、孔容大，可以吸附多種含硫臭體。②氧化分解。TiO2、ZnO等物質在H2O、O2體系中可發生光催化反應，產生的超氧化物陰離子自由基能與多種臭體反應，從而更徹底地消除臭味。

　　2.2.2 抗菌除臭纖維的應用

　　日本在抗菌防臭功能纖維上開發較多。最近，日本石玻璃公司開發了一種含活性玻璃粒子的抗菌防臭功能纖維。這是一種含有銀粒子的溶解性玻璃微粉，粒徑在50nm 以下。這種纖維在毒性、穩定性、永續性和抑制細菌抗藥性等方面的表現較為優良。在使用過程中，一旦接觸到水分，纖維內部的溶解性玻璃粒子就會緩慢釋放出銀離子，它能在幾小時到幾年的時間內以特定的速度釋放，阻礙細菌繁殖，顯示出優良的抗菌性。日本帝人公司生產的由奈米TiO2、ZnO 作為消臭劑的除臭纖維能吸收臭氣淨化空氣，可用於製造消臭敷料、繃帶、尿布、睡衣、窗簾、廁所用紡織品以及環保用過濾織物等。

　　我國抗菌劑的研究相對滯後，但近年來發展較快。北京賽特瑞公司生產的銀系抗菌劑，採用奈米層狀銀系無機抗菌材料製備的抗菌防黴織物，僅需新增0.5%～1%的無機抗菌劑，具有廣譜抗菌功能，且抗菌效果顯著、持久，對面板無刺激性。上海合成纖維研究所研製的一種新型抗菌纖維，是將奈米級TiO2、ZnO 等新增到天然或聚合物長絲中，紡製出各種永久性抗菌、防臭纖維，經試驗證明，這種纖維對綠膿桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等具有很強的殺菌能力，目前該技術僅僅完成了實驗室研究工作，還不能達到工業化生產規模。許德生等人採用奈米級TiO2、ZnO 和粘膠纖維共混製成的纖維，既具有普通粘膠纖維特性，又能防菌、抗菌、防紫外線和抗電磁輻射。北京服裝學院科研人員的研究表明，用奈米級ZnO 對棉織物進行處理後，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌和黑麴黴菌等均有顯著抑制作用。另外，國家超細粉末工程中心利用奈米ZnO等粉體做核，在外包覆銀以抗細菌，在外包覆CuO、ZnSiO3 以抗真菌，將這種抗菌粉體加1%到合成纖維中，就能製得抗菌性良好的功能性纖維。 　　2.3 遠紅外纖維

　　2.3.1 機理

　　人體釋放的紅外線大致在4μm～16μm的中紅外波段，在戰場上如果不對這一波段的紅外線進行遮蔽，很容易被非常靈敏的中紅外探測器所發現，尤其在夜間，人體安全將會受到威脅，因此很有必要研製對人體紅外線具有遮蔽功能的衣服[9-10]。

　　遠紅外線反射功能纖維是一種具有遠紅外吸收及反射功能的化纖，通過吸收人體發射出的熱量，並再向人體輻射一定波長範圍的遠紅外線，可使人體皮下組織血流量增加，起到促進血液迴圈的作用;由於能反射人體輻射的紅外線，也起到了遮蔽紅外線，減少熱量損失的作用，使此類纖維及織物的保溫效能較常規織物有所提高。遠紅外超細新增劑是一種白色或淺白色粉體。這類抗紅外線功能助劑是在遠紅外加熱所使用的陶瓷粉體的基礎上開發出來的，所以稱之為“遠紅外陶瓷粉”。根據應用的化纖品種和效能要求的不同，通常包括奈米級ZnO、SiO、Al2O3 等，除了要求將它們的粒度用直接製備或二次粉碎的方法控制在100nm以下外，同時還要對其進行表面改性處理，以確保這類粉體的分散性、相容性和功能化纖的可紡性。

　　2.3.2 遠紅外纖維應用

　　日本對遠紅外聚酯的研究最多。1996年已確立了遠紅外纖維製品的保溫性試驗方法和對人體的溫熱特性系列評價方法，對遠紅外線與生物關係已有了系統的研究。日本三菱人造絲公司將PTA、EG和奈米陶瓷粉混合先製成母粒，再與普通聚酯在283℃下共混紡絲，製成中空度21.3%、蓬鬆度153mL/g 的遠紅外短纖維;日本可樂麗公司將聚酯和含氧化陶瓷的增塑劑共混紡絲製得遠紅外纖維;日本尤尼吉卡公司推出一種太陽遠紅外滌綸，其物理機械效能與普通滌綸相似，具有明顯的升溫效應，據報道，該織物水洗後在相同條件下比普通滌綸快乾30min。

　　2.4 阻燃纖維

　　2.4.1 阻燃纖維的阻燃機理

　　阻燃的目的在於降低熱分解過程中可燃氣體的生成，抑制氣相燃燒過程的反應。阻燃纖維多數通過用新增型阻燃劑和反應型阻燃劑對原材料進行處理製得。奈米SbO3阻燃劑在燃燒初期首先熔融，熔點為655℃，在材料表面形成保護膜隔絕空氣，通過內部吸熱反應，降低燃燒溫度。在高溫狀態下SbO3 被汽化，稀釋空氣中的氧濃度，從而起到阻燃作用。

　　2.4.2 阻燃纖維應用

　　國外用共混法制得的阻燃改性纖維有阻燃粘膠纖維，如美國的Durvil、奧地利的Lenzing、日本的Tuflan;也有阻燃丙綸纖維，如瑞士的Sandoflam 5071[11]。

　　3 奈米材料在其他特種纖維中的應用

　　3.1 智慧隱身纖維

　　將奈米金屬粒子、奈米氧化物***如奈米級Fe2O3、Ni2O3等***、奈米複合材料以共混法加入成纖聚合物熔體或紡絲溶液中，經熔融紡絲或溼法紡絲製成隱身材料。製成的高效能毫米波形隱身材料、可見光-紅外線型材料和結構式隱身材料，可避開雷達、紅外線探測器的偵測。另外，可採用對電、熱比較敏感的奈米金屬粒子與纖維原料共混，製成具備防止熱成像裝置偵測的功能纖維。目前美國正在研究採用熱敏、光敏或電化學染料做迷彩服，以使迷彩服的顏色和圖案隨環境變化而改變，具備動態防偵視功能。美國研製的 “超黑粉”奈米隱身材料，對雷達波的吸收率大於99%。法國研製出一種寬頻微波吸收塗層，這種吸波塗層由粘合劑和奈米微粉填充材料組成。這種由多層薄膜疊合而成的結構具有很好的磁導率，在50MHz～50GHz 內具有很好的吸波效能。目前世界軍事發達國家正在研究覆蓋釐米波、毫米波、紅外和可見光等波段的奈米複合材料。

　　3.2 變色纖維

　　變色纖維是一種具有特殊組成結構的纖維，當受到光、熱、水分或輻射等外界激化條件作用後，具有可逆自動改變顏色的效能。纖維在一定波長的光的照射下會發生顏色變化，而在另一種波長的光的作用下又會發生可逆變化回到原來的顏色，這種纖維稱為光敏變色纖維。具有光敏變色的物質通常是一種具有異構體的有機物，這些化學物質因光的作用產生異構，並生成兩種化合物。這些化合物的分子式沒有發生變化，但對應的鍵合方式或電子狀態產生了變化，可逆地出現吸收光譜不同的兩種狀態，即可逆地顯色、褪色或變色。美國Clemson 大學和Georgia 理工學院等研究機構近年來正在探索光纖中摻入奈米變色染料或改變光纖表面的塗層材料，使纖維的顏色能夠實現自動控制。日本鬆井色素化學工業公司製成的光致變色纖維在無陽光下不變色，在陽光或UV 照射下顯深綠色[11]。

　　4 奈米材料應用中存在的問題及解決方法

　　奈米材料在化學纖維應用過程中存在的問題，主要是它的分散性差、易凝聚。為解決這一問題，需對奈米粒子的表面進行處理以降低其表面能。表面處理的方法有很多，根據表面處理劑與顆粒之間有無化學反應，可分為表面化學改性和表面吸附包覆改性。化學改性是指在奈米微粒的表面進行化學吸附或反應;而包覆改性主要利用一些表面活性劑、聚合物以及聚合物單體等吸附在顆粒表面，增強奈米微粒與基材的親和性[12-13]。

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　　[13]羅敏.奈米技術在紡織中的應用[J].化工新型材料，2001，29***7***：29-30.

　　***作者單位：孫炳軍，淄博市纖維紡織監督檢驗所;張玉海，淄博市紡織行業協會***

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