纳米材料在纺织品中的应用及思考.doc

纳米材料在纺织品中的应用及思考纳米材料应用与发展纳米材料在纺织品中的应用及思考 纳米是一个长度计量单位，l纳米等于10亿分之一米。纳米粒子一般是指粒径在0l-100nm之间的微粒。纳米粒子在光学性质、催化性质、化学反应性、磁性、熔点、蒸汽压、相变温度、超导等许多方面显示出特殊性能，使其在纺织方面显示出重要价值。目前，纳米材料在纺织工业领域中的应用，主要集中在抗菌方面，并在抗静电、红外、紫外光的吸收等方面得到应用。 1、纳米抗菌纺织品 纳米材料用于抗菌纺织品有两类：一是接触性抗菌剂，如Ag、Zn、Cu以及相应的离子、氧化物及复合物等；二是光催化杀菌剂，如TiO2、ZnO等。 目前常用的接触性抗菌剂为Ag系列抗菌剂，系采用物理吸附或离子交换的方法获取，如将Ag离子固定在沸石、磷酸盐等多孔材料中。从实际应用看，Ag系抗菌剂并未真正达到纳米级，一般在300-1000nm之间，有的甚至更大。光催化杀菌剂则必须在纳米级,不然无此作用。 11 纳米材料抗菌机理的研究 人们对纳米材料的抗菌机理作了大量的研究，提出了多种观点。一般认为纳米材料的抗菌性主要来源于其光催化性和金属离子溶出。 光催化机理认为，纳米TiO2和ZnO在水和空气的体系中，在阳光尤其是在紫外线的照射下，能够自行分解出自由移动的带负电荷的电子和带正电荷的空穴。带正电的空穴使水氧化，电子使空气中的氧还原，生成的氧和氢氧自由基具有很强的化学反应活性，尤其是原子氧能与多数的有机物（包括细菌在内的有机物）发生氧化还原反应，生成CO2和H2O，从而在很短的时间内杀死细菌和病毒，消除空气中的恶臭和纺织品上的油污等。 金属离子溶出机理认为，金属离子复合纳米氧化物在一定的条件下能够溶出金属离子，因而具有抗菌性。如无机复合纳米（银系）抗菌粉体，可广泛应用于塑料、纤维等产品。其抗菌机理：一是接触反应，即抗菌制品中的银离子与细菌接触反应后，造成微生物成分破坏或产生功能障碍。当微量的银离子到达微生物细胞膜时，因后者带负电荷，依靠库仑力，使两者牢固吸附，银离子穿透细胞壁进入细胞内，并与疏基（-SH）反应，使蛋白质凝固，破坏细胞合成酶的活性，细胞丧失分裂增殖能力而死亡。银离子还能破坏微生物电子传输系统、呼吸系统和物质传输系统。当菌体失去活性后，银离子又会从菌体中游离出来，重复进行杀菌活动，因此其抗菌效果持久。二是光催化反应：在光的作用下，银离子能起到催化活性中心的作用，启动水和空气中的氧，产生烃基自由基（-OH）和活性氧离子（O-2），活性氧离子具有很强的氧化能力，能在短时间内破坏细菌的增殖能力而使细胞死亡，从而达到抗菌的目的。 12 开发纳米抗菌纺织品的方法 目前，应用纳米技术开发抗菌纺织品主要有以下两种方法： l2l 添加法 将纳米材料加入化纤中可以获得各种含纳米材料的化纤。如将TiO2、ZnO、SiO2。等微粉掺入聚合物中，可纺制出各种抗菌和除臭纤维。其中纳米抗菌涤纶可加工成纺织品或无纺布，用于内衣裤、运动服、袜子、地毯、床上用品、家具布、装饰布等，还可制成医用床单、手术服、医护工作服、病员服、消毒敷料、绷带、尿布，以及食品行业专用服。其中医用手术服和病员服已在使用，其它产品也在开发之中。 1.22 后整理法 对于棉、毛、丝、麻等天然纤维，尤其对棉纤维来说，采用纳米材料进行功能化加工是正在开发中的新技术。由于以棉纤维为代表的天然纤维在抗紫外线性能方面存在先天不足，又无法像化纤那样将纳米材料直接施加至纤维内部，因此只能用后整理的方法来弥补，例如纳米ZnO微粉具有优越的抗菌消毒除臭功能，因此可以把纳米ZnO微粉制成功能助剂对天然纤维进行后整理，从而获得性能良好的抗菌织物。用纳米助剂浸轧的织物主要用于衬衫、T恤、帽子、男女休闲服等要求穿着柔软舒适的服装面料。对于抗菌性要求高，手感要求不高的纺织品，可采用涂层整理法，使纳米浆料在织物表面形成柔软的功能性涂层，该方法广泛适用于多种纤维，整理后产品抗菌性能均匀、持久。 目前，中国已有数十家企业推出纳米抗菌纺织品。如某公司将纳米材料植入保暖内衣，提高了产品保暖、抑菌、杀菌的效果。据悉，以纳米技术为基础的企业已有200多家。专家预言：纳米技术作为尖端科技，不出10年，它的市场容量将达到15万亿美元，纳米科技将引起21世纪的一次产业革命，继而直接作用于人们衣、食、住、行等各个领域。 2 纳米抗紫外纺织品 太阳光中能穿过大气层辐射到地面的紫外线占总能量的6。紫外线具有杀菌和促进人体内维生素D合成的功能，但同时亦会加速人体皮肤老化及增加癌变的可能。 表1 不同波长紫外线对人体皮肤的影响 波段波长（nm)对皮肤的影响UV-A320-406生成黑色素和褐斑，使皮肤老化、干燥且皱纹增加UV-B280-320产生红斑和色素沉着，经常照射，有致癌危险UV-C200-280穿透力强，可影响白细胞，但大部分被臭氧层、云雾吸收由表1可见，UV-A对皮肤的穿透力强，能穿透表皮和真皮层；UV-B能使皮肤表面细胞内的核酸或蛋白质变性；UV-C大部分已被臭氧层和云雾隔断。 多种纳米材料对紫外线有屏蔽作用，如TiO2、ZnO和SiO2。其中前两者只能针对UV-A和UV-B，而后者则在UV-A和UV-B的范围内对紫外线的反射率高达85，并在紫外线和可见光范围内出现一个很长的高反射平台。对于制造透明度要求高的产品，则宜采用ZnO和TiO2。（可透可见光），其中ZnO（折射率n19）优于TiO2（折射率n2.6）。当前主要的抗紫外功能性纤维有涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、维纶、粘胶纤维等品种；抗紫外功能性服装有运动衫、罩衫、制服、套裤、职业服、游泳衣、童装、衬衣、野外工作服、内衣、夏装等；其它纺织制品如帽子、面罩、广告用布、装饰材料、遮阳布、各类蓬布等。 3 远红外辐射纺织品 纳米材料对红外线有反射功能，波长范围可从紫外一直扩展到5um范围，用于纺织品可获得抗紫外、抗可见光和抗红外功能，减少人体因红外辐射而引起的升温，用于制备凉爽型纤维和织物，制作夏季服装、野外工作服和帐蓬等。 纳米材料还可辐射特定波长的远红外线，超微陶瓷粉体材料（l-500nm）在吸收人体发射出的热量（红外辐射）后，能通过电子能级变化辐射出最易被人体吸收的特定波长（4-14nm的远红外线作用于人体皮下组织细胞，促进微血管的血液循环，起到保暖作用）。 4 抗静电及导电功能纤维 近年来在纳米材料的发展中，最引人注目的是纳米碳管的研究及应用。纳米碳管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝微型管状物，外径为20-30nm，内径为1-3nm，长度依制备方法而有所不同，从1-100m不等。纳米碳管有许多优良的物理化学性能，可以制作多种纺织新材料。纳米碳管具有非常优良的导电性能，甚至高于铜，因此可以作为制备良好导电性能或抗静电功能纤维的添加剂。另外，超细ATO（锑掺杂的二氧化锡）也具有良好的导电性能，而且浅色透明，具有良好的耐候性，广泛应用于导电塑料、涂料等领域。目前在国外特别是日本，对它的制备和应用进行了广泛深入的研究，而中国的研究刚刚起步；另外，还可以利用ATO的导电性能和良好的抗辐射、红外吸收功能制备抗静电的功能纤维。一些纳米金属和氧化材料也具有一定的导电性能，可应用于抗静电纤维的合成方面。 5 高强度高模量纤维 纳米碳管的强度极高、弹性模量也很高，甚至可以弯曲后再弹回，可以用于制备高强高弹性纤维。另外，国内外还对纳米粘土在塑料橡胶领域的应用进行了广泛深人的研究。粘土与聚合物的复合能够大大提高材料的强度和模量，利用纳米粘土的这种功能，与聚酰胺插层聚合开发锦纶纳米功能纤维，使纤维的强度和模量有很大的提高，尤其是模量可以提高2倍，但纤维的纺丝性能没有明显的改变。中国是粘土储藏最丰富的国家，而且粘土价格低廉，可以预计粘土将在纺织工业有更好的应用前景。 6 其它应用 纳米微粒具有各种各样的特殊性能，除了应用于以上各个方面，在其它方面也有很好的应用前景，例如利用纳米级Mg（OH）2。Sb2O2和Al（OH）2的阻燃特性合成阻燃纤维。因为一般的阻燃剂主要是一些含磷、溴等元素的有机物，既有毒也不符合环保要求，因此利用纳米微粒的高阻燃性能将是开发新型阻燃剂的一个发展趋势；利用纳米微粒不同粒径有不同光学特性而呈现特殊的变色性能，可以制备可变色彩的纤维织物等。 7 对纳米纺织品发展的思考 综上所述，今后纳米微粒在纺织工业的应用及功能性面料的开发，将集中在以下两个方面： 71 开发具有特殊表面性能和结构的纺织用纳米微粒 在纳米材料的加工和应用中都存在一个比较棘手的问题，即纳米微粒的聚集问题。对固体颗粒分散行为的研究表明，超细微粒由于具有较大的表面能和活性而呈现聚集的倾向。这种聚集在被外力作用下打开成独立的原生粒子或较小的聚集体后，应及时对颗粒表面进行处理，以使其稳定而不再发生聚集，以免影响使用效果。对纳米微粒进行表面处理的方法有很多，主要有表面化学改性和表面吸附包覆改性。此外，纳米材料在制备、保存、运输等环节中仍存在许多问题，至于如何使纳米微粒更均匀地分散到目标物中仍是目前纳米材料应用的研究热点之一。 72 开发具有各种功能的合成及天然纤维面料 要实现这一点，要做好以下工作： 72.l 产学研连手合作开发纳米材料及纺织产品 纳米材料生产企业应当充分认识到纺织产品对纳米材料发展的瓶颈是如何有效地应用纳米材料，而纺织是一个产品销量很大、品种很多的行业，无论什么新材料和新技术一旦为纺织行业所应用，都会对这些新材料产生巨大的拉动作用。同时，纺织品生产企业也应当认识到纳米材料的特异性。对纳米材料的应用，不可能像用染化料和消光剂一样凭“触类旁通”就能用好的。因此，纳米材料生产企业、纺织品生产企业以及科研院所和高等院校应建立有效的合作形式，成立专门的纳米助剂研究开发机构和企业，使纳米生产企业与纺织品生产企业之间建立一个“偶联器”。其任务和目标，一是研究各种纳米材料的分散性能，开发稳定性好、使用方便和应用面宽的纳米助剂；二是根据纺织品的特点要求，协助企业开发适销对路的产品。这对纳米纺织品的健康发展是十分重要的。 722 加强纳米纺织品卫生安全性的研究 目前，纳米抗菌纺织品已经大量上市，其发展后势看好，但其卫生安全性的研究远远滞后于产品的开发。纳米材料的卫生安全性是一个关系到人民身体健康的大事，应尽早加强这方面的研究，不能及时地给消费