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纳米技术与纳米材料在纤维中的应用研究

$放大字体$ $缩小字体$ 中国纺织品网 tex.org.cn 日期：2013-12-28

摘要：

本文介绍了纳米技术在化学纤维中的应用方式，并阐述了纳米技术在功能性纤维和其他特种纤维中的应用情况，以及纳米材料在应用中存在的问题及解决方法，最后展望了纳米技术的应用前景。

关键词：纳米技术；纳米材料；功能性纤维；特种纤维

近年来，纳米技术与纳米材料正引起人们的极大关注。纳米材料凭借其内部所特有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等四大效应，从而拥有完全不同于常规材料的奇特的力学性能、光学性能、热力性能、磁学性能、催化性能和生物活性等性能。这些都为纳米材料在纺织工业的应用奠定了基础。

可以说，纳米材料是21 世纪最有前途的材料，在功能性纺织品和高分子科学领域有着广阔的应用前景。[1]

1 纳米技术在化学纤维中的应用方式

纳米粒子的奇特性质为纳米技术的广泛应用奠定了基础，应用纳米技术开发功能性化学纤维主要有两个途径[2]。

1.1 纤维超细化

使纤维达到纳米级，以满足特殊用途领域的需要。

1.2 共混纺丝法

共混纺丝法是指在化纤聚合、熔融阶段或纺丝阶段加入功能性纳米材料粉体，以使生产出的化学纤维具有某些特殊的性能。此法是生产功能性化纤的主要方法。由于纳米粉体的表面效应，其化学活性高，经过分散处理后，容易与高分子材料相结合，较普通微粉体更容易共熔混纺；而且纳米粉体粒径小，能较好地满足纺丝设备对添加物粒径的要求，在化纤生产过程中能较好地避免对设备的磨损、堵塞及纤维可纺性差、易断丝等问题；对化纤的染色、后整理加工及服用性能等也不会造成很大的影响。该法的优点在于纳米粉体均匀地分散在纤维内部，因而耐久性好，其赋予织物的功能具有稳定性。目前化纤产品中复合型纤维的比例不断扩大，如果在不同的原液中添加不同的纳米粉体，可开发出具有多种功能的纺织品。例如在芯鞘型复合纤维的皮、芯层原液中各自加入不同的粉体材料，生产出的纤维可具有两种或两种以上功能。

2 纳米技术在功能性纤维方面的应用

2.1 抗紫外线纤维

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%。紫外线具有灭菌消毒和促进体内维生素D 合成的作用，但同时也有加速人体皮肤老化及产生癌变的危险[3-5]。

2.1.1 抗紫外线纤维的紫外防护机理

紫外线属于电磁波，其波长范围在100nm~400nm 之间。研究表明，TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、云母、高岭土等在300nm~400nm 波段都具有吸收紫外线的特征。

若将这些材料制成纳米级超细粉体，由于微粒尺寸与光波波长相当或更小，这种小尺寸效应会导致对光的吸收显著增强。

另外，这类超细粉体的比表面积大，表面能高，在与高分子材料共混时，很容易与后者结合，加之化纤纺丝设备对共混材料粒度的要求，决定了纳米粒子是制造功能性化纤的优选添加材料。

2.1.2 抗紫外线纤维的应用

此类化纤包括的品种面很广，从国内外研制和生产的品种来看，涉及涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等；加工方法有尼龙、聚氨酯混纺、尼龙、醋酸纤维混纺等。主要用来制作运动衫、罩衫、制服、套裤、职业服、游泳衣和童装等。在我国大多数地区，人们夏季穿着服装单薄，这就需要利用纳米粒子的抗紫外线功能来开发各种化纤产品，以满足妇女、老人、儿童、野外工作者和高温岗位工人的需要。

2.2 抗菌除臭纤维

通常所说的抗菌包括抑制、杀灭、消除细菌分泌的毒素以及预防等功能。抗菌化纤的除臭功能表现在：保健方面：防止皮肤感染，消除病菌分泌的毒素和将汗液等转化为臭味物质的细菌；美学方面：除去令人不愉快的臭味[6-8]。

2.2.1 抗菌除臭纤维的抗菌除臭机理

纳米级TiO2、ZnO 等光催化型杀菌剂，表现出超过传统抗菌剂仅能杀灭细菌本身的性能。其杀菌机理为：纳米级TiO2、ZnO 等抗菌剂能在水分和空气存在的情况下，自行分解出自由移动的电子，同时留下带正电的空穴（h ＋），逐步产生反应，生成的羟基自由基和超氧化物阴离子自由基非常活泼，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、残骸和毒素杀灭、消除。

纳米级TiO2、ZnO 的除臭机理主要有以下两种：①吸附臭味。超细ZnO 的比表面积大、孔容大，可以吸附多种含硫臭体。②氧化分解。TiO2、ZnO 等物质在H2O、O2体系中可发生光催化反应，产生的超氧化物阴离子自由基能与多种臭体反应，从而更彻底地消除臭味。

2.2.2 抗菌除臭纤维的应用

日本在抗菌防臭功能纤维上开发较多。最近，日本石玻璃公司开发了一种含活性玻璃粒子的抗菌防臭功能纤维。这是一种含有银粒子的溶解性玻璃微粉，粒径在50nm 以下。这种纤维在毒性、稳定性、持久性和抑制细菌抗药性等方面的表现较为优良。在使用过程中，一旦接触到水分，纤维内部的溶解性玻璃粒子就会缓慢释放出银离子，它能在几小时到几年的时间内以特定的速度释放，阻碍细菌繁殖，显示出优良的抗菌性。日本帝人公司生产的由纳米TiO2、ZnO 作为消臭剂的除臭纤维能吸收臭气净化空气，可用于制造消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘、厕所用纺织品以及环保用过滤织物等。

我国抗菌剂的研究相对滞后，但近年来发展较快。北京赛特瑞公司生产的银系抗菌剂，采用纳米层状银系无机抗菌材料制备的抗菌防霉织物，仅需添加0.5% ～ 1% 的无机抗菌剂，具有广谱抗菌功能，且抗菌效果显著、持久，对皮肤无刺激性。上海合成纤维研究所研制的一种新型抗菌纤维，是将纳米级TiO2、ZnO 等添加到天然或聚合物长丝中，纺制出各种永久性抗菌、防臭纤维，经试验证明，这种纤维对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等具有很强的杀菌能力，目前该技术仅仅完成了实验室研究工作，还不能达到工业化生产规模。许德生等人采用纳米级TiO2、ZnO 和粘胶纤维共混制成的纤维，既具有普通粘胶纤维特性，又能防菌、抗菌、防紫外线和抗电磁辐射。北京服装学院科研人员的研究表明，用纳米级ZnO对棉织物进行处理后，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌和黑曲霉菌等均有显著抑制作用。另外，国家超细粉末工程中心利用纳米ZnO 等粉体做核，在外包覆银以抗细菌，在外包覆CuO、ZnSiO3 以抗真菌，将这种抗菌粉体加1% 到合成纤维中，就能制得抗菌性良好的功能性纤维。

2.3 远红外纤维

2.3.1 机理

人体释放的红外线大致在4μm~16μm 的中红外波段，在战场上如果不对这一波段的红外线进行屏蔽，很容易被非常灵敏的中红外探测器所发现，尤其在夜间，人体安全将会受到威胁，因此很有必要研制对人体红外线具有屏蔽功能的衣服[9-10]。

远红外线反射功能纤维是一种具有远红外吸收及反射功能的化纤，通过吸收人体发射出的热量，并再向人体辐射一定波长范围的远红外线，可使人体皮下组织血流量增加，起到促进血液循环的作用；由于能反射人体辐射的红外线，也起到了屏蔽红外线，减少热量损失的作用，使此类纤维及织物的保温性能较常规织物有所提高。远红外超细添加剂是一种白色或浅白色粉体。这类抗红外线功能助剂是在远红外加热所使用的陶瓷粉体的基础上开发出来的，所以称之为“远红外陶瓷粉”。根据应用的化纤品种和性能要求的不同，通常包括纳米级ZnO、SiO、Al2O3 等，除了要求将它们的粒度用直接制备或二次粉碎的方法控制在100nm 以下外，同时还要对其进行表面改性处理，以确保这类粉体的分散性、相容性和功能化纤的可纺性。

2.3.2 远红外纤维应用

日本对远红外聚酯的研究最多。1996 年已确立了远红外纤维制品的保温性试验方法和对人体的温热特性系列评价方法，对远红外线与生物关系已有了系统的研究。日本三菱人造丝公司将PTA、EG 和纳米陶瓷粉混合先制成母粒，再与普通聚酯在283℃下共混纺丝，制成中空度21.3%、蓬松度153mL/g 的远红外短纤维；日本可乐丽公司将聚酯和含氧化陶瓷的增塑剂共混纺丝制得远红外纤维；日本尤尼吉卡公司推出一种太阳远红外涤纶，其物理机械性能与普通涤纶相似，具有明显的升温效应，据报道，该织物水洗后在相同条件下比普通涤纶快干30min。

2.4 阻燃纤维

2.4.1 阻燃纤维的阻燃机理

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。阻燃纤维多数通过用添加型阻燃剂和反应型阻燃剂对原材料进行处理制得。纳米SbO3阻燃剂在燃烧初期首先熔融，熔点为655℃，在材料表面形成保护膜隔绝空气，通过内部吸热反应，降低燃烧温度。

在高温状态下SbO3 被汽化，稀释空气中的氧浓度，从而起到阻燃作用。

2.4.2 阻燃纤维应用

国外用共混法制得的阻燃改性纤维有阻燃粘胶纤维，如美国的Durvil、奥地利的Lenzing、日本的Tuflan；也有阻燃丙纶纤维，如瑞士的Sandoflam 5071[11]。

3 纳米材料在其他特种纤维中的应用

3.1 智能隐身纤维

将纳米金属粒子、纳米氧化物（如纳米级Fe2O3、Ni2O3 等）、纳米复合材料以共混法加入成纤聚合物熔体或纺丝溶液中，经熔融纺丝或湿法纺丝制成隐身材料。制成的高性能毫米波形隐身材料、可见光－红外线型材料和结构式隐身材料，可避开雷达、红外线探测器的侦测。另外，可采用对电、热比较敏感的纳米金属粒子与纤维原料共混，制成具备防止热成像设备侦测的功能纤维。目前美国正在研究采用热敏、光敏或电化学染料做迷彩服，以使迷彩服的颜色和图案随环境变化而改变，具备动态防侦视功能。

美国研制的 “超黑粉”纳米隐身材料，对雷达波的吸收率大于99%。法国研制出一种宽频微波吸收涂层，这种吸波涂层由粘合剂和纳米微粉填充材料组成。这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率，在50MHz~50GHz 内具有很好的吸波性能。目前世界军事发达国家正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外和可见光等波段的纳米复合材料。

3.2 变色纤维

变色纤维是一种具有特殊组成结构的纤维，当受到光、热、水分或辐射等外界激化条件作用后，具有可逆自动改变颜色的性能。纤维在一定波长的光的照射下会发生颜色变化，而在另一种波长的光的作用下又会发生可逆变化回到原来的颜色，这种纤维称为光敏变色纤维。具有光敏变色的物质通常是一种具有异构体的有机物，这些化学物质因光的作用产生异构，并生成两种化合物。这些化合物的分子式没有发生变化，但对应的键合方式或电子状态产生了变化，可逆地出现吸收光谱不同的两种状态，即可逆地显色、褪色或变色。美国Clemson 大学和Georgia 理工学院等研究机构近年来正在探索光纤中掺入纳米变色染料或改变光纤表面的涂层材料，使纤维的颜色能够实现自动控制。日本松井色素化学工业公司制成的光致变色纤维在无阳光下不变色，在阳光或UV 照射下显深绿色[11]。

4 纳米材料应用中存在的问题及解决方法

纳米材料在化学纤维应用过程中存在的问题，主要是它的分散性差、易凝聚。为解决这一问题，需对纳米粒子的表面进行处理以降低其表面能。表面处理的方法有很多，根据表面处理剂与颗粒之间有无化学反应，可分为表面化学改性和表面吸附包覆改性。化学改性是指在纳米微粒的表面进行化学吸附或反应；而包覆改性主要利用一些表面活性剂、聚合物以及聚合物单体等吸附在颗粒表面，增强纳米微粒与基材的亲和性[12-13]。

参考文献：

[1] 严东生，冯端. 材料新星——纳米材料学[M]. 湖南：湖南科技出版社，1997:103-105.

[2] 黄俊，李春. 纳米材料在化纤生产中的应用[J]. 成都纺织高等专科学校学报，2002,19（3）：27-28.

[3] 周璐瑛.ZnO 纳米材料抗紫外与抗菌织物的研究[J]. 棉纺织技术，2003,29（10）：588-590.

[4] 罗纪华, 马艺华，黄海珍. 纳米苎麻抗紫外线织物功能性与湿热舒适性能的分析[J]. 广西纺织科技，2003,32（1）：6-8,21.

[5] 李峥嵘，许海育. 纳米材料及其在织物防紫外线中的应用[J]. 广西纺织科技，2003,32（1）：48-49,37.

[6] 酒金婷，李春霞，王彩凤，等. 纳米氧化锌在水中的分散行为及其应用[J]. 印染，2002，（1）：1-3.

[7] 许德生. 功能性粘胶纤维及其织物的研究[J]. 安微机电学院学报，2002,12（4）：24-26.

[8] 王开利. 纳米抗菌纤维的发展及产业化[J]. 新材料产业，2002,109（12）：65-66.

[9] 酒金婷，王锐，李立平，等. 纳米材料及其在织物中的应用[J]. 纺织导报，2000，（1）：27-30.

[10] 俞行，王靖. 纳米材料及其在功能化纤和针织新产品中的应用[J]. 针织工业，2000,5:23-26.

[11] 陶国平. 纳米材料在功能性纺织品上的应用与展望[J].棉纺织技术，2001,29（10）：5-8.