纳米技术与纳米材料在纤维中的应用
时间：2021-01-30 16:06:56 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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（e-），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。
