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.- 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 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 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 Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com 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、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 , S'0 : 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 : 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 www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 纤维技术F ilb e r T e c h n o lo c y 性 为实现织物的多功能化、 拟生态化提供了可能。这一 领域是根据纳米材料的特点 把异质、 异相及不同有序度 的材料在纳米尺度下进行合成、 组合和裁剪， 获得新型的 纺织材料而将其用于理疗和保健织物。 从电热、 磁性、 红 外、 放射线、半导体、电疗等概念出发， 开发具有生化功 能、 传递生命信息的纺织材料 进而模仿生命体的特点生 产舒适、 健康和理疗服务的织物或材料。 典型的纳米复合 材料有动物骨骼、软皮、筋键、牙齿等。 2 . 8 其它纤维 纳米技术在智能纤维中的应用: 科学家把仿生功能材 料引入纺织材料中， 使材料和系统达到更高的层次， 或使 其成为具有自检测、自判断、自结论和自执行功能的新材 料。 智能纤维指当纤维所处环境发生变化时， 纤维的形状、 温度、 颜色和渗透速率等随之发生敏锐反应， 即产生突跃 性变化的纤维， 如因光敏、 热敏而自 动调温、 自动变色、 自 动防护等的纤维。 具体来看 如光纤传感器、 导电纤维、 变 色纤维、形状记忆纤维和调温纤维等等。 纳米技术在磁性纤维中的应用: 磁性纤维是纤维状的 磁性材料。它可分为磁性纺织纤维和非纺织纤维。 磁性纺 织纤维是一种兼具纺织纤维特性和磁性的材料， 其根据基 体纤维的材质可分为金属磁性纤维、 有机磁性纤维 ( 基体 为有机纤维) 和无机磁性纤维 ( 基体为无机纤维) 。 利用氧 化铁的磁性电磁波吸收特性开发磁性纤维， 其对人体有磁 疗作用。 纳米技术在荧光防伪纤维中的应用: 这种纤维又称安 全纤维， 其本身具有荧光性质。 其制造方法大致可为纺丝 法、 表面涂层法、 高速气流冲击法和键合法等。主要是利 用纳米荧光化合物来制得该纤维。 另外 纳米纤维在其它纤维中的应用还有: 利用纳米 材料共混改性而得到具自发光功能的差别化纤维; 以高聚 物为载体， 填充X光无法透过的纳米粉体作为显影剂， 与 偶联剂等助剂一起通过共混纺丝而成X光显影纤维; 还有 在蓄热保温纤维、丝感纤维和再生纤维等方面的应用。 3 纳米技术在我国化纤开发中的应用实例 在加快纳米技术在纺织中的应用方面， 美国、 欧洲以 及日本等发达国家扮演了重要角色。 2 0 0 1 年前后， 我国各 类企业也纷纷推出纳米化纤及其制品。 北京赛特瑞科技发 展有限公司与中国科学院及中国纺织科学研究院的共同研 究成果 纳米层状银系无机抗菌防霉纤维” 技术具有 行业领先性。 在涤纶、丙纶、 锦纶、 聚乙烯、 A B S 工程塑 料等纤维中放入 纳米层状银系无机抗菌防霉纤维”的粉 体不但可以和纤维相容而且生产出的产品耐洗涤、 耐 高温、 耐光照， 同时对防淋病、 肝炎病毒、 蜡虫都有疗效。 实验数据表明 按照国家标准洗涤1 0 0 次后， 其抗菌率仍 达9 9 .9 % a 纳米层状银系无机抗菌防霉纤维“项目通过 了原国家纺织工业局专家委员会的相关技术鉴定。 特别是 在2 0 0 3 年S A R S 横行之际， 该公司借助自身的技术优势， 为小汤山医院捐赠了1 万只纳米银系抗菌口罩。这种口罩 可有效滤除0 .0 0 7 5 g m以上的细菌、 病毒、 烟尘、 花粉和 有害气体，并有效防止近距离传染。 济南正昊化纤新材料有限公司也不断开发出功能性化 纤 如纳米材料改性阳离子易染聚醋 ( 简称N E C D P ) 切片 及纤维 N E C D P 是在原来阳离子染料易染聚醋( E C D P ) 的 基础上，在聚合过程中加入特种纳米材料制得的新产品。 抗菌聚醋切片采用纳米银系无机抗菌剂， 利用独特的工艺 合成， 用抗菌聚醋纤维加工的织物具有永久抗菌( 杀菌、 抑 菌) 性能， 安全可靠， 对人体无毒副作用， 耐洗涤性好、 经 1 0 0 次洗涤后仍保持优异的抗菌性能。通过在纤维中添加 稀土材料组成的特种超细功能微粒能通过吸收电磁波， 激发产生负离子和远红外双功能 该聚醋纤维具有性能稳 定持久、对人体产生有益的作用、无毒害、无放射性、 耐 洗涤等特点。 该公司开发的其它纳米纤维还有: 发光聚醋 及纤维、有机导电复合纤维等。 另外， 山东海龙股份有限公司应用纳米技术开发功能 化纤也在不断深入。 例如该公司已成功开发纳米阻燃粘 胶纤维等多个品种。 内蒙古泰尔力图公司开发出了纳米生 物活性功能纤维及纳米银系无机抗菌纤维。同时， 东华大 学也成功研制出纳米纤维及制品， 该校材料学院承担的 高聚物基纳米特种功能纤维及制品” 项目 实现了织物的阻 燃、抗菌、可染和细旦化达到了舒适性、功能性、可加 工性的有机统一。 4 结语 目 前， 纺织工业领域中纳米技术及材料的产业化应用 不多， 系统地研究和开发新型纳米材料和纳米复合材料具 有重要的实际意义。 同时 对纳米材料的研究应改进现有 的制备方法， 探讨新方法 加强纳米复合材料的应用研究 进一步探讨纳米粒子改性机理。 随着纳米科技的日益发展 今后随纳米粒子生产成本 的降低及功能性纳米粒子品种的增多 这类材料将作为一 类高性能、 高功能的复合材料在纺织工业及其它工业中得 纺 织 导 报C h in a T e x t i le L e a d e r . 2 0 0 5 N o .8 6万 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark - .止 山 .p r T e 山四上 9 习 丫 纤维技术 到更为广泛的应用， 纳米技术也将为人们进一步开发环保、 舒适和易打理的纺织品提供更多空间。 特别是随着纳米 技术应用越来越广泛， 纳米技术将对化纤工业， 尤其是功 能性化纤产品的开发产生深刻的影响。 其一， 庞大的化纤厂小型化。 随着市场上各种功能性 化纤产品的广泛开发应用 使得化纤企业必需不断适应市 场变化 提高反应速率、 采用崭新的方法生产纳米级原料 及开发多功能化纤制品。 其二， 聚合物传统工艺将受到挑战。 近几年来 生态 分解性聚醋正在发展， 它将改变传统聚醋依赖石油原料和 不易生态降解的缺点 采用谷物、 玉米及其它农产品生产 聚乳酸醋是不可阻挡的潮流酶发酵是生产的关键， 而纳 米金属粉与纳米聚合物将成为反应酶理想的载体它将完 全改观目 前的生产工艺。2 0 世纪9 0 年代初兴起的超细纤 维将在准一维纳米材料理论基础上进一步发展r 对超细 纤维的性质和应用将更加深入地研究 新的纳米陶瓷材料 的研究将改变目前的涤纶丝生产工艺。 其三功能化化纤开发新思路。 化纤中加入添加剂是 目 前开发功能化纤新产品的主要方法 加入常规粒度的添 加剂， 效果都不很理想有时还会损坏纺丝部件例如加 入陶瓷粉制成远红外或近红外纤维，陶瓷粉会磨坏罗拉。 采用纳米级添加剂可能会制成新一代功能性纤维， 其关键 在于添加剂的制造， 它决不是目前的机械粉碎所能达到的， 除目 前的气相法 ( 蒸发凝聚法) 和汇相法 ( 沉淀法、喷雾 干燥法、冷冻干燥法、水热法、溶胶一 凝胶法)制造纳米 级添加剂外， 今后可能将聚合物与添加剂基因用分子组装 法制成纳米级功能纤维由纳米机器人进行复制生产， 功 能性化纤的生产方法将与现在完全不一样。H P 参考文献 1 王树根，马 新安. 特种功能纷织品的开发 【 M . 北京:中国纷织 出版社，2 0 0 3 . 2 Y L i . 纷织纳米技术 【 J . 国外纺织技术，2 0 0 4 ( 8 ) : 3 3 - 3 5 . 3 程学忠， 文永奋. 功能性化纤产品的开发与纳米技术的应用 【 J . 纷织导报，2 0 0 4 ( 4 ) :1 1 1 一 1 1 3 . 4 P B J h a l a . 纷织中的纳米技术:新兴中的高潮 【 J . 国外纷织技 术，2 0 0 4 ( 1 1 ) :1 一 5 . 5 王曙中. 高科技纤维在功能防护纷织品中的应用 【 J . 纷织导报， 2 0 0 3 ( 4 ) : 5 4 一 5 7 . I n g e O T M纤维获得 F I R,F I _ 1 创新奖 源于自然的I n g e o 纤维最近赢得了家具行业的最高奖 励F I R A创新奖 ( F I R A I n n o v a t i o n A w a r d ) 向世界 领先地位又迈出了重要的一步。 F I R A( 家具行业研究会) 的评审员在授予N a t u r e Wo r k s 公司F I R A 创新奖的过程中 对I n g e o 纤维给予了广泛的赞 誉。 F I R A泡沫塑料与纤维方面的研究顾问与专家证人S u e B r i g h t e n 先生说: 所有的 评委都对I n g e o 纤维印象深刻， 认 为其完全符合F I R A创新奖的得奖标准。 “ F I R A是一个在国际上被广泛认可的世界领先的、 独 立的家具科技研究中心 其颁发的创新奖在家具制造商与 买家中享有很高的声誉。 每年， F I R A 都向若干家卓越的公 司授奖 这些公司能够提供具有核心竞争力的产品 F I R A 通过授奖把这些独一无二的创新性产品推向市场。 F I R A 创 新奖能够促进生产商采用向前看的创新思维 创造出区别 于大路货的领先产品。 I n g e o 纤维的定义与众不同， I n g e o 的意思是 ” 来自 地球的物质”( i n g r e d i e n t s f r o m t h e e a r t h ) o I n g e o 纤维是世 界上第I 种完全利用每年可循环再生资源生产的人造纤维 是一种创新性纤维 很好地结合了合成纤维与天然纤维各 自的优点。 I n g e o 纤维使得人们减小对有限的石油资源的依 赖性 在原油价格居高不下的情况下 采用I n g e o 纤维还 可以降低企业生产成本。 I n g e o 纤维具有上佳的物理性能与有竞争力的价格 符合可持续发展的要求. 它将天然纤维的外观、 手感与合 成纤维的物理性能有机地集成于一体 目前广泛用于服装、 家居、内饰等诸多方面 甚至还可用作高性能的绝缘纤维 填料。仅在欧洲就有超过8 5 0 0 家家具与纺织品零售场 所销售I n g e o 纤维产品。 I n g e o 面料在透气性与隔热性方面 胜过涤纶或纯棉面料。另外 I n g e o 纤维具有快速芯吸能 力 燃烧时低烟、 低热量产生， 并且在抗紫外线、强力保 持、 色牢度以及其它物理性能的耐久性方面也胜过常规合纤。 作为源于自然的产品， I n g e o 纤维可自然降解与化学 回收， 对环境友好。研究表明 在I n g e o 纤维的生产过程 中产生的温室气体比生产类似材料要少大约6 0 % o H i l 62 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 www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark