（纺织材料与纺织品设计专业论文）纳米防螨抗菌棉针织服装的研究与开发.pdf

摘要 人体和普通织物之间所形成的理想气候条件是螨虫等微生物生殖繁衍的最 佳场所 纺织品也就成为细菌传播的主要载体之一 如果纺织品进行了抗菌处理 就可以抑制细菌的繁殖或直接杀死病菌 可以防患于未然 避免和减少了由病菌 给人类带来身体和精神上的损害以及经济上的巨大损失 防螨抗菌服装是纺织品又一次与医药联姻开发的功能性纺织品 防螨抗茵整 理的织物可广泛应用于人们的内衣 运动衣 袜子 鞋用布 尿布 医院 宾馆 家庭用的床单 被套 毛毯 毛巾 沙发布 窗帘布 地毯 浴巾 以及医药 食品 服务行业的工作服 部队的服装以及绷带 纱布等 具有重大的社会效益 和良好经济效益 本文首先从理论上分析纳米材料的抗菌机理 纳米a g 主要是通过物理吸附 或离子交换等方法 将a g 固定在载体上 通过游离的a g 破坏细菌体内酶蛋白 的巯基而使酶丧失活性而杀死细菌 纳米t i 0 2 是在光催化作用下使细菌分解而 达到抗菌效果 两种材料各有优势 根据它们各自不同的抗菌特性 本科题选用纳 米材料复配合成的办法达到最佳的抗菌效果 使其抗菌性更加广普 耐久 时效 抗茵剂的制备中分散问题是关键 目前市面上仅有的1 2 种纳米抗菌棉针 织服装普遍存在着抗菌能力低 不耐洗涤的缺陷 其原因正是纳米分散不充分其 粒度大于1 5 0 纳米 超出了纳米材料粒度应小于1 0 0 纳米才能较好地发挥纳米材 料特性的基本要求 从而抗茵能力低下 所以分散充分成为本课题研究的重点 另一个关键问题是不耐洗涤性 其原因是因为纳米材料没有与针织服装中的棉纤 维原料有机地结合在一起 耐洗涤性差 所以不具有实用价值 因此 解决分散问 题和纳米颗粒与纤维的粘合问题是开发出实用的纳米防螨抗菌棉针织服装的技 一j r j 1 一 术关键 一 根据纳米分散理论和实际操作实验 本课题确定出了最佳实验方案 在实 验中 主要通过在相同条件下静置相同时间后测定其体系的体积沉降率的方法确 定了良好的分散剂和最佳分散工艺 经过该工艺分散的纳米粉 分散均匀粒度平 均在3 5 n m 整理工艺参数的确定中充分考虑到企业的实际生产需要 不断地调 整优化 实践出与企业实际生产相结合的整理工艺 整理后服装的抗菌防螨效果 的检验是用世界上通用的 奎氏检验法 抗菌效果的检验分别采用了三种不同 的方法 由于三种方法的检验原理和操作的难易程度不同 所以既可以检验织物 的抗菌效果又可以确定出最佳的抗菌整理工艺和抗菌整理剂的用量 即既考虑了 企业的生产成本 又使织物保持了很好的防螨抗菌效果 同时通过实验的手段对 织物的各种机械性能和织物的风格进行了系统测试 实验验证 经防螨抗菌整理 后的织物其风格和各项机械性能指标均未发生明显改变 仍具有良好的风格 机 械性能以及防螨抗菌效果 关键字t 棉针织服装纳米防螨抗菌分散检验 s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o nn a n oa n t i m i t ea n d a n t i b a c t e r i a lf o r1 0 0 c o t t o nk n i t t e da p p a r e l a b s t r a c t t h ei d e a lc o n d i t i o nb e t w e e nh u m a nb o d ya n df a b r i c i st h eb e s tp l a c ef o r m i c r o o r g a n i s mg r o w t h s o t h et e x t i l eb e c o m eo n eo ft h em a i nc a r r i e r so f m i c r o o r g a n i s m i no r d e rt oa v o i da n yh a r mt ot h em a n w ec a nm a k et h e mh a v et h e f u n c t i o no fa n t i m i t ea n da n t i b a c t e r i a l w h i c hw i l lh e l pu sk i l lt h eh a r m f u lm i t ea n d b a c t e r i a l a v o i d i n ga n dr e d u d n ga n yh u r ti ns p i r i ta n da n yl o s si nm o n ey a n t i b a c t e r i a la n da n t i m i t ef a b r i cc a nb eu s e dw i d e l yi nf a m i l y h o s p i m l h o t e l s e r v i c ea n d a r m y w h i c hh a ss og r e a ts o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i c a lb e n e f i t t h i sp r o j e c t f i r s t l y a n a l y z et h et h e o r yo fa n t i b a c t e r i a la n da n t i m i t ef o rn a n o m a t e r i a l i n c l u d i n ga g t i 0 2 t h e ns u mu paw h o l ea n di n s t r u c t i o n a ln a n o d i s p e r s i o n t h e o r y a tt h ea p p l i c a t i o no fa b i o n a n om a t e r i a li n a n t i b a c t e r i a lf i n i s h i n go f1 0 0 c o t t o n k n i t t i n gs w e a t e r t h ep a p e rg i v e s as y s t e m a t i cd i s c u s s i o n b a s e do nt h e g u i d a n c eo ft h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t s ap e r f e c te x p e r i m e n tp l a nw a s e s t a b l i s h e da f t e rl o t so fr e p e a tt e s t a b o u tn a n om a t e r i a l c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n t c h a r a c t e ro fd i f f e r e n tl l a n om a t e r i a lw i t hi t sd i f f e r e n ta n t i b a c t e r i a l a n t i m i t e m e c h a n i s ma n de l e m e n t s t h i sp r o j o c ts e l e c tt h em u l t i p l em a t e r i a lt oh a v et h eb e s t e f f e c t t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ea p p l i c a t i o no fn a n om a t e r i a li sd i s p e r s i o n g o o d d i s p e r s i o nw i l lr e l e a s ef u l l yf u n c t i o n o fl l a n o m a t e r i a l a f t e rc o m p a r es om a n y i n o r g a n i ca n do r g a n i cd i s p e r s a n t t h i sp r o i e c ts e l e c tm u l t i p l ed i s p e r s a n tt og a i nt h e b e s te f f e c t i nf a c td oa st h et h e o r yi n s t r u c t i o na n df o r e c a s tt h i sp r o j e c tg o tt h eg o o d e f f e c tf i n i s h i n gi m p r e g n a n t w h i c hg e tt h ea c h i e v e m e n to fo v e r9 9 a n t i b a c t e r i a la n d 9 7 a n t i m i t e i no r d e rt og e tt h es u i t a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fa f t e r f i n i s h i n gt o c o n s i s t e n tw i t ht h ef a c t so fe n t e r p r i s e t h i sp r o j e c tc o n t i n u a l l ya d j u s tt h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e rt om a k ei tc o n f i r m a b i l i t ya sw e l la sp r a c t i c a l i t y n o to n l yd e g r a d et h ec o s t o fp r o d u c t i o nb u ta l s ok e e pe x c e l l e n te f f e c to fa n t i m i t ea n da n t i b a c t e r i a l a l s ot h e t e s tp r o v et h a ta n t i b a c l e r i a lf a b r i cs t y l e s e r v i c e a b i l i t ya l m o s th a v et h es a m ei n d e x p o i n t sa so r i g i n a l w a n gc o n gm e i t e x t i l em a t e r i a la n d t e x t i l ed e s i g n d i r e c t e db ym e n g j i a g u a n g p r o f e s s o r k e y w o r d s c o t t o nk n i t t i n gn a n o m e t e ra n t i m i t ea n t i b a c t e r i a ld i s p e r s i o n t e s t 学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和 致谢的地方外 学位论文的中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 学位论文 与资料如有不实之处 本人承担一切相关责任 队 幅步删栅舰糊 舌趸一砂 学位论文知识产权声明 本人完全了解有关西安工程大学关于知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学 本人保证毕业离校后 使用学位论 文工作成果或学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学 学院有权 保留送交的学位论文的复印件 允许学位论文被查阅或借阅 学校可以公布学位论文 的全部内容或部分内容 可以采用影印 缩印或其它复制手段保存学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 黧萎斋集 谚蝴 指导老师签名 印c 目 日期 歹 7 辱乡刖占 1 绪论 1 1 纳米与现代生活 1 绪论 纳米科技的发展为新材料的丌发丌拓了一条全新的道路 并注入了新的活力 因此推动了各个行业的技术创新 纳米技术在与人类息息相关的信息 能源 环境 生物 农业各个领域都取得了一定的成果 每一项成果的推出直接影响着人们生存环 境和生存状态的改变 2 1 世纪是纳米科技时代 是继续工业革命以来三次主导技术 引发的产业革命后 由纳米技术引发的第四次浪潮 正如科学家a r m s t r o n g 在1 9 9 1 年曾预占的那样 我们相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心位置 并发挥 革命的作用 正如2 0 世纪7 0 年代的初以来微米科技已经起到的主导作用那样川1 目前 纳米技术的重大突破正在引起全世界的密切关注 纳米电子学 纳米材料 学 纳米生物学等因纳米科技迅猛发展 纳米电子学领域 美国已研制成功可由激光 驱动 宽度只有4 纳米的并具有开关特性的复杂分子 日本日立公司与英国剑桥大学 利用纳米技术 研制成功存储达1 6 吉拉的 单分子存储器 将来分子电路和分子 电脑一旦研制成功并实用化 就可以研制体积更小 功能更强的计算机 纳米材料学 领域 因纳米材料在声 光 电磁 热力学等方面具有许多鲜为人知的奇异特性 如 声子谱发生改变 光吸收显著增大 由磁有序向磁无序 超导相向正常相转交等 隐 形飞机正是采用具有一定频宽的微波吸收纳米材料制造的 它可以吸收雷达发射的微 波 从而有效地躲避雷达的侦察 纳米生物学领域 纳米机器人是纳米生物学中最具 诱惑力的研究内容 第一代纳米机器人可以注入人体的血管内 进行全身健康检查 疏通脑血管中的血栓 清除心脏动脉血管中的脂肪沉积物 吞噬病毒并杀死癌细胞 第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置 第三代纳米机器人将包括纳米计算机 这是一种可以进行人机对话的装置 一旦这种 纳米机器人研制成功 有可能在1 秒钟内完成1 0 1 0 次操作 人类的劳动方式也将 由此而产生彻底的变革 纳米技术带给人们的惊喜使得各个国家的政府争先恐后的倾 全力研发纳米技术 美国曾提出 国家纳米技术倡议 n n i 日本也很早提出 先 进技术的探索计划 e r a t o 各个国家都不惜巨资去争取这一技术的世界领先 位置 我们国家纳米材料开发方面总体上处于世界先进行列 令世人瞩目 纳米材料的应用从报道来看主要集中在电子信息 生物工程 医学 医药 航空 航天 国防等高新尖端领域 并都取得了骄人的成果 对纺织轻工业等传统产业来说 1 绪论 利用纳米科技丌发的起步相对较晚 但是人们对纳米科技的信服和重视 使得越来越 多的传统产业纳米新产品不断推出 尤其是商家企业 要在剧烈的市场竞争中立于不 败之地 势必采取两种方法 一是对于老产品不断提高其性能价格比 占据有利的竞 争优势 获得尽量多地市场份额 二是不断创新 以新技术开发出新产品 引领市场 潮流 开辟处按技术推动型的新市场 纳米材料及其技术正具有上述两方面的禀赋优 势 于是纳米粉体 纳米陶瓷 纳米工程塑料 纳米功能纤维 纳米涂层和纳米薄膜 等很快出现 并带动传统产业发生革命 纳米陶瓷将解决困扰陶瓷产业多年的脆性问 题 纳米材料还能使精细化工 油漆 油墨和涂料 产品升级换代 如自清洁 防老 化 抗辐射的新型涂料和智能涂料 在纺织领域近几年更是出现许多新成果 如抗菌 防螨 自清洁 防静电 抗紫外等新型纳米纺织品 人们的生活也是随着这些成果的 推出在各个方面得到不断的完善 并随着现代人生活高品质的不断追求 纳米科技会 带给人类越来越多的惊喜 i 2 纳米防螨抗菌开发的必要性 近年来在许多城市已将螨虫和白蚁列入需要消灭的虫害之列 人们传统观念中的 四害 老鼠 蟑螂 苍蝇 蚊子 增至为 六害 这是因为随着地毯 布艺沙发等在 家庭中普及使用和宠物大量进入家庭 螨虫繁殖也趋向频繁 并已对人们的身体健康 造成新的危害 一些调查资料表明 在婴幼儿的支气管哮喘发病率中 由螨虫抗原引 起的约占8 0 9 0 2 1 3 4 随着城市住宅建筑的多层化和高层化 室内结构也日益封 闭化 由于家庭中空调 地毯等的普及 致使被褥 床垫等大件纺织品曝晒不便 因 而导致室内的卫生状况逐渐恶化 因为对人们适宜的条件 同时也是室内螨虫繁殖的 良好条件 尤其是食物充足的地方 室内螨虫能存活约四月 在此期间它能生产2 0 0 倍于体重的粪便 并孵下达3 0 0 个卵1 5 1 这就清楚地表明 为什么室内过敏源会在很 短时间内急剧增加 室内螨虫本身不是过敏源 但其排泄物及其残骸等会引起哮喘 湿疹及过敏性鼻炎 6 l 7 l 因此 赋予纺织品抗菌的功能已成为刻不容缓的任务 我国地处亚热带及温带地区 总体气候温和 很适合各种有害微生物的生长 尤 其是潮湿多雨的南方地区 各种致病细菌 霉菌及酵母菌 严重的威胁人体健康 因 此健康 抗菌 环保 安全已经成为人们日益关注的焦点 绿色健康型服装 床品已 经成为人们居家消费的新宠 多年来 我们都习惯选用棉花制做的被 褥 而棉花这种天然纤维做成的 被 褥正是各种细菌繁衍生殖的最佳场所 因为它具备细菌生长的 温度 湿度 营养 三大要素 所以棉被 褥使用几年后便发板变硬 就是细菌及其排泄物所致 我们多 少年来确实是睡在细菌上 我们健康的肌体每天都在忍受着细菌的吞咬和侵蚀 人在 2 1 绪论 睡眠时防御能力最低 好多疾病尤其皮肤病都是在睡眠中遭受细菌伤害所致 打造 以人为本 的保健功能纺织品早己成为各个商家争夺市场优势的焦点 2 1 世纪纺 织面料的发展趋势 是高科技与文化时尚的完美结合 融舒适 安全 环保 健康为 一体的功能型纺织品将成为服装 家纺用品发展的方向 将成为百姓生活中不可或缺 的重要组成部分 保健纺织品行业也将成为一个新兴的重要产业 它对创造洁净 健 康环境具有重要作用 市场前景十分可观 必将产生良好的经济 社会和生态效益 抗菌制品已被世界各国公认为跨世纪的环保和保健产品 抗菌制品的全面应用杜 绝了人与人 人与物 物与物之间细菌的交叉感染 使医疗保健由被动治疗转变为主 动预测和预防1 8 1 属于原生生物界的微生物中 大多数对人类无害 我们可以用来进 行工业加工 酿酒 农业生产 生产肥料 和促进健康的生化药物等 但是数量有 限的有害细菌时刻威胁着人类的健康和生命 2 0 0 3 年s a r s 病毒留给人类的恐惧和 伤害依然存在 日本的 大肠杆菌0 5 1 7 英国的 风牛病事件 口蹄疫事件 美国 李斯特菌事件 中国或越南的 禽流感事件 酗时刻威胁着人类的生命健康 作为科学工作者 运用科技的力量保护人类的生命安全是全人类寄予的希望 也是历 史给予的光荣使命1 9 1 基于以上几点 抗菌纺织品的不断深入开发不仅是保护人类健康刻不容缓的任 务 也是各个商家利用科技争夺市场最大利益的投入点 美国 日本早已将纺织品研 究重点投入在功能保健上 我国抗菌卫生整理的研究虽然起步较晚 但是发展很快 很多企业的抗菌研发已经处于国际领先水平 特别是北京洁而爽高科技公司的抗菌整 理剂s c j 8 7 5 l 但是纳米纺织品的防螨抗菌研究仍然处于进一步完善阶段 目前市 面上仅有的l 2 种纳米抗菌棉针织服装普遍存在着抗菌能力低 不耐洗涤的缺陷 分析其原因 主要是因为最终在棉针织服装上的纳米材料的粒度均大于1 5 0 纳米 超 出了纳米材料粒度应小于1 0 0 纳米才能较好地发挥纳米材料特性的基本要求 因而抗 菌能力低下 不耐洗涤 主要是因为其纳米材料没有与针织服装中的棉纤维原料有机 地结合在一起 因而耐洗涤能力低下 仅能耐洗l o 次以下 不具有实用价值 因此 研究并开发出实用的纳米防螨抗菌棉针织服装便成了当务之急 具有较大的实际意义 和较广泛的市场应用前景 1 3 本课题研究的主要内容 赋予服装防螨抗菌能力的目的有二 一是对纤维材料本身加以保护 包括防止纤 维表面附着杂色 变色 防止纤维脆化以及对贮藏中的纤维防卫生物保护等 二是对 穿着者和使用者的保护 包括对各种细菌的杀灭和遏制以及预防 本课题主要针对棉 针织服装防螨开发 基于市面上少量纳米抗菌产品的抗菌能力低下 不耐洗涤等缺陷 3 1 绪论 给予进一步丌发和完善 主要内容步骤如下 1 选择理想的纳米无机抗菌剂 其理想特征主要是 对有害微生物具有广普 高效的抗菌性 对污染纺织品的各种有害细菌 真菌以及螨虫具有优良的杀灭或抑制 能力 且对细菌不产生抗药性 对人体无毒 无害 无污染的 绿色性 与织物的 结合力强 耐漂洗 干洗 具有常效防螨抗菌性 具有良好的透气性 不损伤纤维 不会使织物产生色变 不影响织物的质量和风格 与其他整理剂具有相容性 加工方 法简单 加工费便宜 2 纳米微粒的分散 分散问题是纳米材料应用的重点和难点 是此项研发要 突破的技术关键 这是由纳米粒子自身的特性引起的 纳米颗粒比表面积较大 在水 中会出现二次团聚 变成微米级或更大的颗粒 不能充分发挥纳米粒子的应有特性 降低了抗菌性 所以本课题要从纳米粒子的理论特性着手 分析影响纳米微粒充分分 散的原因以及各种相关的影响因素 首先在理论上通过数学的方法将各种影响因素具 体化 分析总结出一套能够指导实际应用的分散理论体系 其次通过查阅大量的资料 确定不同的实验方案并通过预实验进行验证 分析选择出最优实验方案 在此实验方 案和分散理论指导下选择合适的分散剂和最佳分散工艺 包括p h 值 分散介质 温 度 搅拌方式和时间等因素 制备纳米抗菌整理剂 3 防螨抗菌效果的测试 通过选择三种不同的检验方法对整理后的织物抗菌 效果进行检验 对于螨虫的驱杀则采用 奎氏 测试法 并通过其防螨抗菌效果的检 验来确定抗菌整理过程中纳米粉末的最佳用量 4 成衣的纳米防螨抗菌后整理的方法 必须选择一个既适合企业生产又能够 使纳米抗菌整理剂充分吸附而且吸附均匀的整理方法 同时保证整理后的服装具有优 良的防螨抗菌性 5 合适粘合剂的选择 纳米防螨抗菌整理剂的耐洗牢度也是本课题的重点 因为后整理的主要缺点就是耐洗牢度差 因此 必须选择合适的粘合剂来保证防螨抗 菌服装的耐洗牢度 而且不能改变其各种性能 如透气性 皮肤亲和性 强度 手感 和颜色等 4 2 微生物螨虫的概念特性及危害 2 微生物螨虫的概念特性及危害 2 1 微生物的概念及特点 2 1 1 微生物的概念 微生物 m i c r o o r g a n i s m 是存在于自然界的一群体形微小 结构简单 肉眼看 不见 必须籍助光学或电子显微镜放大数百倍 数千倍甚至数万倍才能观察到的微小 生物 见图1 图2 微生物按结构 组成可分为三大类 即原核细菌型微生物 细 菌 支原体 立克次体 衣原体 螺旋体 放线菌 真核细菌型微生物 真菌 和 非细菌型微生物 病毒 图2 1 2 1 2 微生物的特点 图2 2 1 体积小 种类多微生物个体极其微小 一般以u m 微米 或n m 纳米 量度 只有在光学甚至电子显微镜下才能观察到个体形态 肉眼无法看见 因此人们很容易 忽视它们的存在 疏于防范全世界估计微生物有1 0 0 多万种 已知种类仅有l o 万种 2 生长繁殖快微生物具有极高的生长和繁殖速度 如有适宜的营养物质 碳 氮源 无机盐 维生素等 合适的环境条件 温度 湿度 p h 等 很容易使微生物 大量繁殖 在肠杆菌属中 细胞繁殖一代仅需2 0 4 0 分钟 大肠杆菌的一个细胞增 殖到1 0 8 一亿 个细胞只需要9 小时 3 分布广 数量大微生物在自然界中无处不在 分布极其广泛 空气 土壤 江河 海洋及自然物体中都存在 甚至在地球上极端恶劣环境下都能找到它的踪影 如高温 高酸 高盐 高压和高辐射等 也就是说有没有动植物存在都不会影响它的 存在 据报道 通常情况下 2 1 空气中微生物卜1 0 个 立方米 水中含1 1 0 8 个 毫 2 微生物螨虫的概念特性及危害 升 土壤中含1 0 4 1 0 克 人的皮肤上细菌含量约为1 0 x 1 0 4 c m 2 4 危害性大近几年接踵而来的由微生物引发的人类灾难大家都是深有体会 的 日本的 大肠杆菌0 1 5 7 事件 英国的 疯牛病事件 口蹄疫事件 美国的 李斯特菌事件 和中国及越南的 非典 和 禽流感 事件等 给我们造成多大的 人员伤亡和巨大的经济损失 2 2 螨虫的概念 螨虫 m i t e 是指一群形态 生活习性和居住地多种多样的小型节肢动物 它通常 体长为0 1 o 5 m m 其外形有圆形 卵圆形或长形等 用肉眼无法看见 只有通 过放大镜或光学显微镜才能看清其细微结构 它长着大大的腹部和四对脚 是专靠吸 食人的皮肤组织细胞 皮脂腺分泌的油脂 人体脱落的皮屑等为生的寄生虫 它能传 播病毒 细菌 立克次体 螺旋体和原虫等 对人类的身体健康造成较严重的危害 其种类繁多 分布甚广 遍布于世界各地 在土壤中 水中 动植物体及贮藏物 药 品和药材中 都有它们的存在 螨虫的最佳省长与繁殖温度为2 0 3 0 c 2 相对湿度为7 卜8 0 螨虫的成熟期 各异 夏季气温高 湿度大 仅为3 4 天 春秋季则要3 2 1 天 螨虫的生存期从2 周一4 个月不等 观察研究发现在2 0 2 5 相对湿度为6 0 8 0 9 6 的环境下 螨虫 繁殖最为迅速 而我国地处亚热带及温带地区 总体气候温和 很适合各种螨虫的生 长 尤其是潮湿多雨的南方地区 在温度 湿度上都给螨虫的繁殖创造最好的环境 各种致病细菌 霉菌及酵母菌大量繁殖 严重地威胁人体健康 家庭中的床垫 草席 被褥 寝具 地毯和沙发等处是螨虫最好的聚居地 他们 也寄生在食品 狗 猫和鼠等小动物的身上 并且广泛存在于人或动物 如皮屑 皮 肤表层和头发等处 螨虫也会寄生于食品 药品以及小动物体表 尸体和粪便中 还 能着附于衣服上或空气中尘埃上 总之只要能够给他提供合适生存的温湿度 他就能 安家落户 并且在很短的时间里繁殖后代兴旺家族 2 3 螨虫的种类及危害性 全世界螨类超过5 0 万种 已有记载的达5 万种 分属于2 8 4 个科 我国仓贮螨 类 已发现有6 0 多种 分属于1 6 个科 1 9 8 0 年 1 3 1 与人类关系密切的主要有尘螨 粉螨 革螨 恙螨 蠕形螨和疥螨等 它们可以对人类造成严重的危害 危害方式主 要体现在寄生 叮刺 毒螯 吸血和过敏性疾病以及传播病毒和细菌等 常通过毛巾 脸盆 被褥和空气等途径传播并感染人体 我国医学工作者对螨虫的流行病学调查发 6 2 微生物螨虫的概念特性及危害 现 成年人人体蠕形螨的感染率为2 7 1 0 0 与人体健康有关的螨虫类群主要有 以下五种 尘螨 d e n n a t o p h a g o i d e s 普遍存在于居家环境的床挚 被褥 衣服 坐垫 地毯和空调等寝具上 它的分沁物和死亡虫体是强烈的致敏源 叮咬会引起过敏性支 气管哮喘 过敏性鼻炎 过敏性皮炎 婴儿湿疹和慢性荨麻疹等 尘螨性哮喘是一种 呼吸系统的顽固性疾病 发病率较高 尘螨代谢物被吸入并粘在呼吸道粘膜上可引起 胸闷气急和呼吸困难等症状 恙螨 y o m b i c u l i d a e 可引起皮肤疹 皮肤局部组织坏死和烈性传染病 恙虫病 带毒幼螨选择湿度大 皮肤薄的位置 以口器插入上皮组织 吸取组织淋巴液 同时 将病原体传播给人 病人持续发热 并伴有淋巴结炎和暗红色丘疹 革螨 g a m a s i d a 它可引起皮炎 发生奇瘁 引起疱疹 红色丘疹 肠螨病 伤寒 鼠疫 立克次体病 螺旋体病和病毒性疾病 如脑炎 流行性出血热等 革螨 的特性是头 胸 腹三部分界不明显 躯体不分节 表皮为较厚的革质 体表生有刚 毛 腭体位于躯体的前方 口器被腭基环所包绕 幼虫期具足三队 若虫 成虫期具 足四对 疥螨 s a c c o p t i d a e 疥螨在人体皮肤表面交配 雌虫钻入皮肤角质层内 挖掘 曲折隧道 在内产卵4 0 5 0 个 卵在3 4 天被孵化为幼虫 然后进入毛囊或穿刺皮肤 形成坑道 2 3 天后幼虫蜕化为稚虫仍可侵入皮肤 由于疥螨的分泌物及其排泄物的 毒性作用而引起过敏反应 使病人感到奇痒 从而产生脓包 疥疮 患者的衣物 床 具是疥螨传播的主要途径 可引起疥疮 疥癣和水泡性皮疹等 它的分泌物或排泄物 可引起过敏 蠕形螨 d e m o d i c i d a e 我国大部分地区的多半人口都受到过他的侵害 它可 引起毛囊和皮脂腺炎 粉刺和脓疱疮等 蠕形螨在毛囊口交配后 螨进入毛囊或皮脂 腺内产卵 繁殖 引起毛囊和皮脂腺的代形扩张甚至增长肥大 通常说的 酒糟鼻 就是蠕形螨恶性繁殖后造成的后果 同时 由于虫体的进出活动 又易使化脓性细菌 进入而继发毛囊和皮脂腺炎等皮肤病 患者的衣物是其传染的重要途径 7 3 纳米科技简介及纳米微粒的特性 3 纳米科技简介及纳米微粒的特性 3 1 纳米科技及其发展概述 3 1 1 纳米科技起源和发展 1 9 5 9 年1 2 月2 9 日 著名物理学家 诺贝尔奖获得者费曼 r i c h a r dp f e y n m a n 1 9 1 8 1 9 8 8 在美国物理学年会上作了以 物质底层有大量空间 为题的演讲 他预言 未来的人类 有可能 将单个原子作为建筑构件 在最底层空间建造任何物质 并 且期待着 出现新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质 这是关于纳 米技术最早的梦想 2 0 世纪8 0 年代 随着扫描隧道显微镜 s t m 原子力显微镜 a f m 等微观表征和 操纵技术的诞生与发展 纳米技术 应运而生 纳米 是长度单位 为1 0 用符号表示为咖 原子的直径为0 卜0 3 n m 研究小于l o o m 以下的原子内部结构属 于原子核物理 粒子物理的范畴 纳米技术是指在纳米尺度 1 n m 到l o o n m 之间 上研 究物质 包括原子 分子的操纵 的特性和相互作用 以及利用这些特性的多学科交叉 的科学和技术 当物质颗粒小到1 1 0 0 n m 1 0 1 l o t m 时 其量子效应 物质的局域性 及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变 呈现出许多既不同于宏观物 体 也不同于单个孤立原子的奇异现象 例如高氧化活性 熔点变化 反射率降低 超顺磁性以及宏观量子隧道效应等等 纳米材料早就在自然界存在 例如动物的牙齿 贝壳 鲨鱼皮 荷叶表面 珊瑚 礁 陨石等都具有纳米结构 中国古代的颜料 墨 古铜镜的涂层都是纳米材料 然 而 他们虽然用了纳米技术 制备了纳米材料 但并不知道纳米材料的重要性 是处 于自发阶段 而真正按照自己意志人工合成纳米材料是在2 0 世纪6 0 年代以后 1 9 6 3 年日本科学家久保亮五第一次提出材料颗粒缩小到纳米尺度 性能发生突变 1 9 6 7 年日本科学家上田良二第一次用蒸发法人工制备了纳米尺度的金属颗粒 真正把纳米 作为材料的命名 是德国科学家格莱特教授在1 9 8 4 年第一次制备了尺度由5 纳米的 晶粒组成的固体 他称之为纳米尺度材料 第一次提出纳米技术的概念是美国科幻小 说家伊瑞克 揣克斯勒在1 9 8 6 年提出来的 1 9 9 0 在巴尔基摹正式出版了纳米技术杂 志 这标志着纳米材料科学作为一个相对比较独立学科的诞生 同年 发现纳米颗粒 硅和多孔硅在室温下的光致发光现象e 1 6 1 7 a1 9 9 4 年在美国波士顿召开的m r s 秋季会 议上正式提出纳米材料工程 它是纳米材料研究的新领域 在纳米材料研究的基础上 通过纳米合成 纳米添加发展纳米新型材料 并通过纳米添加对传统材料进行改性 8 3 纳米科技简介及纳米微粒的特性 扩大纳米材料的应用范围 开始形成了基础研究和应用研究并行发展的新局面 纳米材料发展的历史 大致可划分为3 个阶段 第一阶段 1 9 9 0 年以前 主要 是在实验室探索用各种手段制备各种纳米颗粒的粉体 合成块体 包括薄膜 研究 评估表征的方法 探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能 第二阶段 1 9 9 4 年前 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理 化学和力学性能设计纳 米复合材料 这一阶段纳米复合材料的探索一度成为纳米材料研究的主导方向 第三 阶段 从1 9 9 4 年到现在 纳米组装体系 人工组装合成的纳米结构的材料体系越来 越受到人们的关注 纳米科技的最终目标是根据物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理 化学和生 物学特性 直接以 原子 或 分子 来构建具有特定功能的材料和产品 纳米材料 和纳米技术是纳米科技领域最富有活力 研究内涵十分丰富的科学分支 纳米材料的 用途广泛用于医药 家电 电子计算机和电子工业 环境保护 纺织工业 机械工业 等领域 并都取得惊人的成果 纳米技术己同信息技术 生物技术一样被称作未来最 重要 最核心以及涉及面最广的三大高新技术 对未来经济 国防和社会发展将产生 重大影响 并将会引导下一场工业革命 据美国全国科学基金会预测 未来l0 年 全球纳米技术市场规模将达到约1 万亿美元 其中三大主要领域 纳米材料占3 4 0 0 亿美元 纳米电子学占3 0 0 0 亿美元 纳米生物制药占1 8 0 0 亿美元 3 1 2 纳米科技国内外发展状况 当前世界上已有3 0 多个国家从事纳米科技的研究开发活动 各国对纳米科技的 投资增长加快 已从1 9 9 7 年的4 3 2 亿美元增加至2 0 0 2 年的2 1 7 4 亿美元 2 0 0 2 年世界各国 地区 政府投资纳米科技领域的经费比1 9 9 7 年增加了5 0 3 美 国 日本和西欧是纳米科技投资的大国 地区 同时也是这项对未来经济发展至关 重要的技术的领跑者 其他国家和地区对纳米科技投资总额还不及美国和日本单个国 家的投资多 我国对纳米科技也给予了一定的支持 国家科技部 国家自然科学基金委员会 中国科学院等部门从 八五 九五 开始就设立了攀登计划项目和相关的重点 重大项目 2 0 0 4 年科技部又启动了有关纳米材料的国家重点基础研究项目 我国通 过这些项目对纳米科技领域资助的总经费大约相当于7 0 0 万美元 与发达国家相比 投入经费相差很大 据不完全统计 从1 9 9 1 年到2 0 0 0 年的十年中 共资助9 2 0 0 多 万元 在纳米材料的合成与制备 性能与表征 测试新技术和理论 系统组装和器件 以及微机电系统等方面取得了一批基础研究成果 进入 十五 计划之后 纳米科技 呈现出快速发展的势头 基金委按照国家纳米科技发展纲要的要求 进一步加大投入 在2 0 0 1 到2 0 0 3 三年内投入了1 9 6 亿元 资助了8 0 0 个项目 9 3 纳米科技简介及纳米微粒的特性 3 2 纳米微粒的基本理论 当微粒尺寸达到纳米级 1 l o o n m 时 其本身具有量子尺寸效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应以及表面效应等 因而展现出许多特有的性质 在催化 过滤 光 吸收 医药 磁介质以及新材料等方面有广阔的应用前景 同时推动了基础研究的发 展 3 2 1 电子能级的不连续性 在大块材料中 电子能级是异常密集的 形成准连续分布 当颗粒尺寸达到纳米 级时 由于量子尺寸效应 原大块材料的准连续能级产生离散现象 对于这一现象 人们进行了大量的探索研究 最初 人们把低温下单个小粒子的费米面附近电子能级 看成等间隔的能级 按这一模型计算单个超微粒子的比热可表示成 c 口 e x p d k 口r 3 一1 d 一能级间隔 k b 一玻尔兹曼常数 t 一绝对温度 在高温下 k b t 温度与比热呈线性关系 这与大块材料的比热关系基本一 致 然而在低温下 t o k b ta 它们之间为指数关系 尽管用等能级推倒出低 温下单个超微粒子的比热公式 但实际上无法证明 如何从一个超微粒子出发解决理 论与实际相脱离的困难 这一方面久保作出了杰出的贡献 久保理论是针对金属超微 颗粒费米面附近电子态能级分布而提出来的 久保在考虑实际情况中 颗粒的形状是 不规则的 不能用理想的立方体边界来取代 因此电子能级的分布应当服从一定的统 计规律 另外 久保认为颗粒处于的能量状态时应当满足电中性条件 基于以上考虑 久保主要做了如下两点假设 1 久保把超微粒子靠近费米面附近的电子假设为能级 为准粒子态的不连续能级 而准粒子之间交互作用可忽略不计 当k b ta 相邻二 能级间平均能级间隔 时 靠近费米面的电子能级服从泊松 p o i s s o n 分布 只 石m d 4e x p a d 3 2 其中 为二能态之间的间隔 p 为对应 的概率密度 n 为这二能态间的 能级数 如果 为相邻能级间隔 则n o 2 超微粒子电中性假设 久保认为对 于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的 他提出了如下一个著名的公 式 2 一 o k b t o h h 生成的羟基自由基一o h 和超氧化物阴离子自由基0 2 都非常活波 具有极强的化 学活性 能与多种有机物发生反应 包括细菌内的有机物及其分泌的毒素 从而将细 菌 残骸和毒素一起杀灭 消除 4 2 2 纳米 g 驱螨杀菌理论分析 多数金属和金属离子都具有抗菌性 其杀菌和抑制病原体的强度具有如下规律 a g h g c u c d c r n i p b c o z n f e 因h g c d p b c r 对人体有残留性毒害 n i c o c u 离子对物体有染色作用 不宜用作纺织品中 实际上常用于纺织品的金属抗菌剂是a g z n 及其化合物 以a g 为例 银的抗菌作用与自身的化合价有关 这种能力按下列顺序递减 a 9 3 a 9 2 a g 高价态的银还原势极高 能使其周围的空气产生氧原子 a 9 3 具有抗菌作用 但 较难获得 a g 可强烈吸引细菌体内酶蛋白的巯基 并迅速结合 使其丧失活性 致 使细菌死亡 其机理简示如下 1 9 酶 4 纳米抗菌粉体及其机理 当菌体被杀灭后 又游离出来 再与其他菌落接触 进行新一轮的杀灭 如此周 而复始 据测定 水中含银离子为0 0 5 m g 1 时 就能完全杀灭大肠杆菌 并可保持 长达9 0 天内无新的菌群繁衍 银用于纺织品抗菌处理同时也有缺陷性 因银具有显色性 很容易在织物整理以 及着装过程中使纤维或者织物泛黄 因此要添加紫外线防护剂用于克服泛黄的问题 4 2 3 纳米z n 0 抗菌机理 z i l 的氧化物和多种化合物也是人们经常选用的抗菌剂 如多年来医用的氧化锌 橡皮膏等 它们就是系列的白色颜料 能够确保加工后的织物具有理想的可染性和色 泽的稳定性 加之含锌抗菌剂表现出的广泛性 耐热性 持续性和对人体的安全性 成为理想的抗菌材料 纳米氧化锌的抗菌机理 a 光催化机理旧1 z n o 有吸收普宽广的特点 纳米氧化锌在阳光 尤其是紫外 光的照射下 在水和空气中 能自行释出带负电的自由电子 同时留下了带正电的空 穴 这样可以激发空气产生活性氧 而活性氧能与多种微生物发生氧化反应 从而把 细菌杀死 反应机理如下 z n o 光 hu z n o e h h h 2 0 一h o h o h h h o e 一 0 2 0 2 0 2 h 2 0 o o h 0 h 2 0 0 h 0 2 h 2 0 2 h 2 0 2 e 一 h 0 h 2 0 b 金属离子溶出机理 即游离出来的锌离子接触细菌体时 与蛋白酶结合使其失 去活性而将细菌杀死 纳米氧化锌的抗菌机理是两种机理共同作用的结果 有光照时 两种机理共同发挥作 用 而无光照时 溶出机理 在起作用 4 2 3 复配合成纳米粉体 不同种类 不同尺度 不同晶型的纳米粉体有着各自特有的作用 将几种不同 的纳米粉体复配合成将会更好的发挥纳米材料各自的特性 多种粉体复配已经成为纳 米材料研究的趋势 如w x p 1 为非溶解纳米材料 粒度为1 4 8 1 n m 具有高效稳定 的杀菌作用 是复配材料的突出代表 本课题中纳米防螨抗菌性材料的选取 正是从 这种复配优势原理考虑选择理想抗菌材料 由此理论支持和启发 本课题中选择复配 合成的纳米抗菌材料制备防螨棉针织物的整理剂 5 纳米抗微粒的分散理论 5 纳米微粒的分散理论 当i i 阻碍纳米技术广泛应用的难点和关键之一就是纳米微粒的分散问题 从前面 关于纳米材料特性的综述中可以看到 纳米微粒由于表面能高 比表面积大 表面配 位不足等因素 当纳米粒子分散到介质中时会发生二次团聚 致使纳米微粒很可能会 达到微米级 从而失去了纳米微粒应具有的特性 因此 将纳米微粒很好的分散是保 证纳米材料运用的最根本前提 下面将从理论上分析影响纳米微粒分散的主要因素 然后首先以理论分析作为依据选择合适的分散剂和分散工艺 5 1 纳米微粒在介质中的分散理论 分散理论通常采用以下两种 1 双电层稳定理论 既静电稳定机制 e 1 e c t r o s t a t i cs t a b i l i z a t i o n 是选择适当的电解质作为分 散剂或者调节p h 值使颗粒表面带上一定量的表面电荷 形成双电层 通过双电层之间 的排斥力使粒子之间的引力大大降低 从而实现纳米粉体的分散 2 空间稳定理论 即b 空间稳定机制 s t e r i cs t a b i l i z a t i o n 即在悬浮液中加入一定量的 不 带电的高分子化合物 使其吸附在纳米微粒周围 形成微胞状态 使微粒之间产生斥 力 从而达到分散目的 0 5 1 1 空间稳定理论 d l v o 双电层理论用来解释高聚物或非离子表面活性剂的胶体物系的稳定性时往 往是不成功的 原因是d l v o 理论忽略了高分子能够在粒子表面形成一吸附层以及由 于聚合物的吸附而产生的斥力一空间位阻斥力 对于添加高聚物或非离子性表面活性 剂的胶体的物系 只能用空间位阻稳定机理来解释 此时体系的总位能应为哺 u u u r u 5 一1 式中u 为空间斥力位能 体系中若有非离子表面活性剂或高聚物存在 则u 项 对其稳定起到重要作用 而u 和u 即可忽略不计 这种稳定称为 空间稳定 相应的理论称为空间稳定理论 其稳定原理如图5 1 所示 2 0 5 纳米抗微粒的分散理论 黎耨 图5 1 空间稳定示意图 当体系中存在非离子表面活性剂或高聚物时 实际上只有少数高分子连链吸附 到粒子表面 大多数高分子溶于介质中 形成溶剂溶胀的无规线团 如图5 2 所示哪 邀鬻三警 瓣 图5 屯高分子溶于介质中形成的无规线团示意图 当粒子相互靠近时 吸附层开始重叠 大分子链段发生相互穿透和渗透 或者也可以 看成是两个具有一定浓度高分子溶液的混合 此时 对于分散体系中的粒子的稳定性 的影响主要由在良性溶剂中相互作用的焓和熵对体系的自由能的贡献是正负来决定 的 即u f h u s 一和u 岩来决定 柏 4 1 1 a 熵效应 u 1 9 5 1 年g a c k o r 首先计算出吸附层受压缩时的斥力位能 酢 机k t 0o o 卜h l 5 2 表示单位面积上吸