纺织导报-纳米技术在功能性化纤开发中的应用.pdf
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1、.- 上 fib e r T e c h n o lo g y 纤维技术 纳米技术在功能性化纤开发中的应用 摘要:纳米技术是按人类需要在纳米尺度上直接操纵物质表面的分子、原子,甚 至电子来制造特定产品或创造纳米级加工工艺的一门 新兴交叉学科。目 前,该技 术在功能性化纤开发方面已有较多进展。文章综述了纳米技术与纳米材料在开发 功能性化纤及制品方面的应用情况,并列举了国内外化纤企业的一些开发实例。 关键词:纳米技术;纳米材料;功能性纷织品;功能性化纤 中图分类号: T S 1 0 2 .5 2 8文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 3 一3 0 2 5 ( 2 0 0 5 ) 0 8 一0
2、 0 5 8 一0 4 五邑大学纺织服装系刘义张增强 纳米材料由于表面效应、 量子尺寸和体积效应等特性 导致材料电学、 力学、电磁学、 光学等性能产生了巨大的 变化使材料具有特殊性能, 因此纳米粒子已广泛应用于 材料、 纺织等领域。 利用纳米技术, 人们不断研究开发出 具有高性能 ( 高强度、 高模量、 耐高温) 、 高功能 ( 透湿防 水性、 抗静电性及导电性、离子文换性、 抗菌性、 生物相 容性等)的新型化学纤维由此制成的多功能、 高附加值 的功能性纺织品有着巨大的经济和社会效益。 1 纳米技术与纳米材料 纳米技术是以扫描探针显微镜为技术手段在纳米尺度 ( 1 - -1 0 0 n m)上
3、进行研究利用原子、分子结构的特性 及其相互作用原理 按人类需要在纳米尺度上直接操纵物 质表面的分子、 原子, 甚至电子来制造特定产品或创造纳 米级加工工艺的一门新兴交叉学科。 纳米材料称为超微颗粒材料 由纳米粒子组成 一般 是指尺寸在1 一1 0 0 n m间的粒子,有时也泛指由纳米级 结构单元构成的任何类型的材料, 如金属、 陶瓷、 聚合物、 半导体、 玻璃和复合材料等。 而通过控制这些纳米级结构 单元的大小, 控制内部和表面的化学性质 控制它们的组 合, 就能以前所未有的方法人为地设计材料的特性和功能。 2 纳米技术与材料在功能性化纤开发中的应用 功能性化纤是指具有一种或多种特殊功能的化学
4、纤 维。用纳米技术开发功能性化纤主要有如下3 个途径:1 ) 作者简介:刘 义,男,1 9 8 0 年生,硕士在读,江门,5 2 9 0 2 0 纤维超细化 使之达到纳米级以满足特殊用途领域的需要 如超细化纤维用作复合材料的增强材料;2 )利用纳米材 料对传统材料进行改性, 如湿法纺丝中的溶液共混. 即将 纳米粒子加入溶解后的高聚物中搅拌均匀 发生聚合反应 后再进行纺丝加工; 在融纺中把纳米粒子均匀分散在熔融 的聚合物中制备功能性纤维: 3 ) 对纤维进行纳米后整理 使其功能化。 2 . 1 抗紫外线纤维 在化纤纺丝过程中添加抗紫外线剂 或在纤维的表面 涂覆抗紫外线剂, 制得抗紫外线纤维。 添
5、加剂主要有两大 类: 一类是起反射紫外线作用的物质 ( 紫外线屏蔽剂)通 常 选 用 一 些 金 属 氧 化 物 的 粉 体, 如 A 1 2 0 3 , M g O , Z n O , T i 0 2 , 高岭土等; 另一类是指对紫外光有强烈的选择性吸收, 并 能进行能量转换而减少透过性的物质 习惯上称为紫外线 吸收剂 通常是一些无机物和少数有机化合物, 无机材料 除上述几种还有T i 0 2 , F e 2 0 3 、 纳米云母等 有机化合物常 见的有水杨酸醋类、 金属离子鳌合物、 二苯甲酮类以及苯 并三哇类。 太阳能对人体有伤害的紫外线主要在2 0 0 一4 0 0 n m波段, 纳米T
6、 i 0 2 、纳米Z n O 、 纳米S i 0 2 、 纳米A 1 2 0 3 , 纳米F e 2 0 3 和纳米云母等都有在这个波段吸收紫外线的特 征 将少量纳米微粒添加到化学纤维中, 就会产生吸收紫 外线现象, 从而可以有效保护人体免受紫外线的损伤。 现 阶段使用的大多数抗紫外线功能添加剂主要成分是纳米 T i 0 2 、 纳米Z n O以及其它化学助剂, 细度一般控制在3 0一 5 0 0 n m之间。 有些化纤不耐日晒 就是因为有机高分子材 58 纺 织 导 报C h in a T e x t ile L e a d e r . 2 0 0 5 N o .8 PDF Waterma
7、rk Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark - 盈b e r T e c h n o lo g y 纤维技术 料在紫外线的照射下会发生分子链的降解, 产生大量的自 由基, 致使纤维及纺织品的颜色、强度等受到影响。而纳 米Z n O 粒子是一种稳定的紫外线吸收剂, 将其均匀分散于 高分子材料中 利用其对紫外线的吸收作用 可防止分子 链的降解从而达到防日晒耐老化的效果。 2 . 2 抗静电纤维 化纤衣物和化纤地毯等由于静电效应 摩擦产生放电 效应同时易吸灰尘给使用者带来诸多不便;另外一些 操作平
8、台、 船舱焊接等一线工作 静电易产生火花而引起 爆炸。从安全角度出发 提高化纤制品的质量解决静电 问题是重要的方面 纳米微粒为解决这一问题提供了一些 新的途径。在化纤制品中加入少量纳米微粒, 如将0 . 1 % 一0 .5 %的纳米TiO2、纳米Cr2O3、 纳米Z n O 、 纳米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, 使静电效应大大降低制品的表面电阻值 可 达到1 x1 0 8 一1 x 1 0 9 。 大大 提高了 安 全系 数。 2 . 3 抗电磁波辐射纤维 随着微波通讯和信息技术的发展电子、 电器等产品 进入千家万户这些产品不仅给人们带来快捷
9、、高效、 便 利同时也造成了诸如电磁干扰 ( E MI )及电磁污染等一 系列问题。 这样, 使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威 胁, 在化纤加工过程中 加入一些纳米微粒如纳米F e 2 0 3 , 纳米N i O等 制成抗电磁波辐射纤维, 能强烈吸收电磁辐 射从而对人体起到防护作用。 2 . 4 远红外功能纤维 远红外线是波长在2 .5 - 1 0 0 0 e l m的电磁波辐射 具 有热效应。 远红外线具有穿透力强的显著特点。由于纳米 材料的尺寸远小于红外及雷达波波长 因此对这种波的透 过率比常规材料要强得多; 而纳米材料的比表面积比常规 粉体大3一4 个数量级, 对红外线和电磁波的吸收率
10、也比 常规材料大得多 这样就大大减少了波的反射率, 使得红 外探测器和雷达接受的反射信号变得微弱。 有些纳米微粒 如A 1 2 0 1 , T i 0 2 , S0 : 和F e 2 0 : 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, 可用于研制作战服。 有些纳米微粒如氧化错 能有效吸收外界能量并辐射与人 体生物波相同的远红外线 这种红外线作用于人体, 产生 人体细胞的共振活化现象 具有保温和抑菌、 促进血液循 环、增强免疫力等卫生保健作用。 2 . 5 抗菌、 抑菌、除臭纤维 抗菌纤维是指在原纤维制造或后处理过程中, 加入具 抗菌能力的助剂( 抗菌剂) , 使其成为具有特
11、殊的抗菌能力 的纤维。 抗菌剂的种类很多r 但主要有有机、 无机和生物 抗菌剂等3 类。有机抗菌剂主要包括有机酸、醋、醇、酚 类等物质; 无机抗菌剂主要有T i 0 2 , Z n O 、 沸石、 磷灰石、 磷酸错等多孔性物质以及银、 铜、 锌等金属及其离子化合 物; 生物抗菌剂主要指从动植物体内提取的以及经微生物 发酵产生的抗菌剂。 大多数有机抗菌、 防臭剂存在耐热性 差、 易挥发、 易分解产生有害物质、 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T i 0 2 作为主要的抗菌、 防臭剂被广泛应用于纺织 纤维中, 它主要是基于光催化反应使有机物分解而具有抗 菌、防臭效
12、果的。 T i 0 2 具有以下特点: 一是即效性好如 银系 抗菌剂的 效果约在2 4 h 左右产生 而T i 0 2 仅I h 左右: 二是T i 0 2 是一种半永久维持抗菌效果的抗菌剂, 不像其它 抗菌剂会随抗菌剂的溶出而效果逐渐下降: 三是有很好的 安全性r 与皮肤接触无不良影响;四是光吸收性能好, 尤 其是吸收紫外线、 红外线的能力很强; 五是分散性能好。 纳 米E0 2 在阳光尤其是在紫外线照射下能自行分解出自由移 动的带负电的电子 ( e 一 )和带正电的空穴 ( h + ) 形成空 穴一 电子对 吸附溶解在T i 0 2 表面的氧俘获电子形成q 而 空穴则将吸附在T i O :
13、 表面的O H一 和H 2 O氧化成经基自由 基 O H 。生成的原子氧和氢氧自由基有很强的化学活性 特别是原子氧能与多数有机物反应( 氧化)同时能与细菌 内的有机物反应, 生成C O : 和H 2 O, 从而在短时间内杀死 细菌, 消除臭味。 另外, 一些金属粒子如银、 铜、 铁等, 可 通过其释放出微量的金属离子, 与带负电荷的菌体蛋白质 结合而使细菌变形或沉淀从而达到杀菌作用。 2 . 6 阻燃纤维 纺织品与人们生活、 生产工作密切相关 它不仅给人 们带来了前所未有的舒适和方便同时 也带来了潜在的 火灾隐患。 阻燃的目的在于降低热分解过程中可燃气体的 生成抑制气相燃烧过程的反应。纤维阻燃
14、多数通过用 添加型阻燃剂或反应型阻燃剂对原材料进行前处理。 纳米 粒子在阻燃技术中主要是作阻燃添加剂和灭火剂 如超细 五氧化二锑、超细氧化锑母粒、 氢氧化铝、 氢氧化镁、 硼 酸锌、 钥化合物以及锡化合物等无机阻燃剂。 这些干粉在 火焰中分解、 汽化、 产生游离基、 进入气相与燃烧物产生 的游离基作用而终止链反应。 2 . 7 生命智能化材料 由于纳米微粒有自组合、自组装和自组织等智能特 6 0纺 织 导 报C h in a T e x t ile L e a d e r . 2 0 0 5 N o .8 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from w
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