纳米科技与纺织材料

纳米科技与纺织材料一、纳米技术与纳米材料的概念二、纳米材料的特性与性能三、功能纤维的制备四、纳米材料在纺织品功能化中的应用（即典型的几种纳米材料）五、纳米材料的发展前景纳米材料的隐身功能美制F-35联合攻击机纳米银纳米机器人纳米科技的定义纳米科技是指在纳米尺度（1nm到10nm之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质小到1nm~10nm(10-9m~10-7m)时，其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。纳米科技的最终目标是直接利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。纳米科技的研究领域纳米科技中有三类代表性的功用性很强的研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米检测与表征。纳米材料纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。纳米材料结构的特殊性〔如大的比表面积以及一系列新的效应（小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应）〕决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光学性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。纳米材料的特性（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。纳米材料的性能纳米材料的主要特点就是尺寸缩小、精度提高。纳米材料的重要意义最主要体现就是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质，或对原有性质有十分显著的改进和提高。导致纳米材料产生奇异性能的主要限域应有：比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等，这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等的物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。如光吸收显著增加，金属熔点降低，增强微波吸收等。（一）力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。（二）磁学性质当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。（三）电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。（四）热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。（五）光学性质纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。（六）生物医药材料应用纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。功能纤维的制备1纳米级添加剂的研制差别化纤维的重点是，在添加了超细添加剂后如何保证纺丝工艺的正常进行，以及如何保证纤维的质量不下降。只要能制备出新型功能性的纳米新材料，功能性的化纤产品就能够生产出来。新型功能纤维产品取决于纳米新材料的开发。功能纤维的制备与加工目前市场上常见的一些功能性纺织品(如抗菌、远红外线、抗紫外、防辐射、负离子等产品)，大多采用织物表面整理赋予功能性或在纤维制造过程中共混加入功能性添加剂而获得。1．共混法共混法是将功能性纳米材料与相应的化纤用材料共混纺丝。纳米粉体可以在纺丝熔体中加入。2．聚合法在聚合时加入，即在纤维原料合成阶段加入纳米材料。聚合物合成时加入适量的纳米微粒——TiO2、ZrO、BaSO4、SiO2、ZnO，则会最终赋予纤维织物吸水、保温、抗菌防臭、防紫外线、抗静电、导电等功能，与具有阻燃性单体共聚可得阻燃难燃功能。3复合纺丝法采用复合法生产的功能纤维和织物，如采用抗菌功能助剂和PET的混合物作皮层，用抗紫外线功能的粉体和PET的混合物为芯材的皮芯纤维纺制海岛纤维以上这三种方法中所用的纳米粉体主要为无机材料，确保了此类功能性化纤在印染等后整理中的稳定性。4．后整理处理采用纤维间混纤、织物中不同种纤维的交织，多层(如合成纤维与天然纤维问的配合)获得吸湿、吸水等舒适性；合成纤维与导电纤维的交织制成导电织物；采用不同功能的处理剂对纱线、织物等进行表面处理，则可获得抗菌、防臭、阻燃、防污、抗静电、抗紫外辐射、防水透气等各种功能。根据织物用途的不同而分为浸轧法和涂层法以棉纤维为代表的天然纤维在抗紫外线性能方面存在不足，只能用后整理的方法来解决。采用纳米级功能材料对纤维进行功能性整理的优点在于：①选用的材料主要为无机超细粉体②主要抗辐射功能是将紫外线、红外线屏蔽、反射至织物以外。③不影响纺织品的色牢度、白度和强度等。纳米材料在纺织品功能化中的应用（1）抗紫外线纤维（2）纳米抗菌生物蛋白纤维（3）其他功能纤维抗紫外线纤维近年来，由于氟利昂等含卤化合物大量排放，滞留在地球上空，被紫外线分解形成的活性氯与臭氧发生连锁化学反应，使空气中的臭氧层遭到破坏形成空洞，致使紫外线照射到地面上，紫外线会对人的皮肤造成伤害。据科学家预测到2050年大气平流层臭氧量将会减少约20％左右，到那时紫外线将会给人类健康带来更大的危害。因此，人们开发了具有防紫外线功能的纤维及其纺织品。防紫外线纤维的制造及性能首先选择合适的防紫外线添加剂（俗称防紫外线吸收剂、紫外线稳定剂）很重要，这是一类能选择性地强烈吸收波长为290-400nm的紫外线，有效地防止和抑制光、氧老化作用而自身结构不起变化的助剂。这类助剂还应具备无毒、低挥发性、良好的热稳定性、化学稳定性、耐水解性、耐水中萃取性、与高聚物的相容性。防紫外线添加剂可分为无机物和有机物两大类，特别能使紫外线散射而消除的无机物质有二氧化钛、氧化锌、滑石粉、陶土、碳酸钙等等，这些无机物质具有较高的折射率，使紫外线发生散射从而防止紫外线入侵皮肤。其中氧化锌和二氧化酞的紫外线透射率较低，为大多数紫外线纤维所选用。1.防紫外线纤维的制备方法1.1在成纤聚合物聚合过程中或熔融状态下加入具有紫外线屏蔽性能的成分。也就是选择一种合适的紫外线吸收剂与成纤高聚物的单体一起共聚，制得防紫外线共聚物，然后纺成防紫外线纤维。例如，日本专利报道，用常规的直接酯化或酯交换后缩聚的方法制得防紫外线良好的线型聚酯，再通过常规的熔融纺丝法纺制成纤维。这种纤维具有良好的防紫外线性能，能有效地吸收波长为280-340nm的紫外线，可用作室外用品。1.2在纤维制造过程中或任意阶段将屏蔽紫外线剂混入纤维中。防紫外线纤维的生产制造可通过共混纺丝制得，即将紫外线屏蔽剂或紫外线吸收剂的粉体在聚合物聚合时加入或直接共混纺丝，也可先制成防紫外线母粒再进行纺丝。这样制得的防紫外线纤维比后整理法制成的纺织品的防紫外线功能持久，耐洗性好，手感柔软，易于染色。但其混纺丝法由于粉体加入量的多少、颗粒的大小和均匀度的不同，其功能也不一样，并有可能逐渐堵塞喷丝孔，缩短喷丝板的寿命，增加成本。2．防紫外线纤维的性能目前，国内外防紫外线纤维的开发工作正在不断地加快，作为各种纺织品面料，防紫外线纤维必须具有一定的性质。●具有良好的紫外线屏蔽功能●聚合物经改性产生良好的持久性●与普通制品一样耐洗和耐烫性好●从聚合物中溶出屏蔽剂，但不产生剥离，安全性好。●与混入无机化合物同样，安全性、光稳定性良好，对皮肤无伤害。●阳光下穿着感舒适●加工方便，具有持久性纳米抗菌生物蛋白纤维纳米抗菌生物蛋白纤维利用没有纺织价值的羊毛、牛毛、驼毛，成功地制备了适合纺丝的角蛋白溶液，又将蛋白溶液加入纤维素中制备纤维，在制备毛纤中，又将纳米抗菌粉体均匀分散在蛋白纺丝