第六章-纳米技术在纺织品中的应用

L/O/G/O第六章纳米材料和纳米技术在染整加工中的应用第一节纳米技术概述纳米科技是现代科学如混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学和现代技术如计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术相结合的产物。它代表着今后人类科学和技术发展的趋势，也将成为现代高科技和新兴学科发展的基础。纳米科技不断渗透到现代科技的各个领域，形成了许多与纳米科技相关的新兴学科如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。这些学科的发展使人类能够对物质的本质在更加微观的水平上进行研究和认识，从而有可能迅速改变物质产品生产方式，导致人类社会发生巨大变革。纺织制品是人类最早开始生产的物质产品之一，因而纺织行业是不折不扣的传统产业。同时，纺织业发展的历史又表明：它也是一个与时俱进的行业。科技领域的每一次进步，都会给纺纱织布及整理这古老的技术带来一次革命，使它跟上时代步伐，为人类造福。纳米材料在纺织制品中的应用主要有两种途径：1）在化学纤维的制作过程中用共混或复合纺丝法将纳米材料加到纤维中；2）在纺织品的染整加工过程中将纳米材料施加到纤维和织物的表面。两种方法的示意纺丝法使纳米粒子与纤维物质融为一体，但只是用于人造纤维；染整法则应用范围广而灵活，且能较好地发挥纳米材料表面改性功能，但耐久性欠佳。纳米材料在功能化合成纤维生产中的应用抗紫外功能化纤：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%，按其波长可分为三段：名称波长对皮肤的影响UVA406-320穿透力强，使皮肤老化变黑，其作用有积累性，不可逆UVB320-280产生红斑和色素，经常照射，有致癌危险UVC280-200穿透力强，可影响白细胞，但大部分能被臭氧层和云雾吸收最常用的抗紫外线纳米粉是ZnO和TiO2,，其中ZnO被认为较优。其对UVA的屏蔽高于TiO2，折光率小于TiO2，对光漫反射率低，纤维透明度高，对纤维光学性能影响小。纺织品抗紫外性能的表述和测试美国AATCCTestMethod183-2000标准UPF-ultravioletprotectionfactorE=relativeerythemalspectraleffectivenessS=solarspectralirradianceT(UVA)-TheUVAtransmittanceT(UVB)-TheUVBtransmittanceThepercentblocking(UVA)Thepercentblocking(UVB)400200400200ESUPFEST抗紫外化纤的应用很广，纤维品质有涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等；只要用来做运动衫、罩衫、制服、职业服、游泳衣等，也用于帽子和面罩的原料，工业和装饰方面有广告用布、户外装饰布、各种遮阳伞、窗帘、运输篷布和各类帐篷用布。存在的问题：纺织品抗紫外性能的好坏，不仅取决于纤维对紫外线的屏蔽和吸收，也取决于织物的厚薄及织物组织结构的疏密。远红外反射功能纤维远红外反射功能纤维能吸收人体发射的热量，再向人体辐射一定波长范围的远红外线（其中包括最易被人体吸收的4~14μm波长段），可使人体皮下组织中血流量增加，起到促进血液循环的作用；由于能够反射归还部分人体辐射的红外线，也起到了屏蔽红外线，减少热量损失的作用。据测定，织物的保暖率可提高12%以上，应用该种纤维可制作有保暖和保健作用的服装。人体最易吸收的远红外辐射人体组织中O-H和C-H键伸缩振动、C-C、C=C、C-O、C-H和O-H键弯曲振动对应的谐振大部分为3-6微米波段，4-14微米波段的辐射正好处在这些能级范围，容易被吸收，这种吸收会促进上述振动，使人体皮下组织中血流量增加，促进血液循环。常见的辐射远红外线的陶瓷粉类别陶瓷粉名称氧化物Al2O3、ZrO2、MgO、TiO2碳化物ZnC、SiC、B4C、TiC硼化物TiB2、ZrB2、CrB2硅化物TiSi2、MoSi2氮化物Si3N4、TiN抗红外辐射功能的化学纤维又称凉爽型的化纤，是在抗紫外化纤的基础上，通过添加能吸收日光中500nm以上波长近红外辐射的纳米级物质，使纤维对日光的屏蔽范围扩大至0.2-5微米，就能够对日光能量峰值附近波段的辐射起到有效的屏蔽作用，兼有抗紫外、抗红外和抗可见光的作用，可以制作夏日休闲服、炎热气候下的劳动防护服、野外工作服、遮阳伞以及各类仓储、临时建筑和装饰用材料。3种凉爽功能涤纶织物的性能对UVB的屏蔽率对近红外的屏蔽率织物表面温度即温差高温侧低温侧温差96.36%89.26%51.649.52.197.18%88.89%50.649.01.595.73%88.70%50.948.02.9抗菌除臭型功能化学纤维通过在纤维生产过程中添加纳米抗菌剂的方法可以生产具有永久功效的抗菌除臭型化纤。作用机理：通常所说的抗菌包括抑制、杀灭细菌和消除细菌分泌的毒素等，在多种多样的物理和化学类抗菌方法中，采用抗菌剂是应用行业广，适用菌种面宽、相对简易而高效的方法。无机抗菌剂具有稳定、安全、功能持久的优点。纳米级无机抗菌剂的问世不仅使这类抗菌剂在纤维生产中的应用成为可能，而且还提高了它们的应用效果。纳米级无机抗菌剂的种类第一类抗菌剂即元素、元素的离子及其官能团的接触性抗菌剂，如：Ag、Cu、Zn、S、As、Ag+、Cu2+、SO32-、AsO2-等；第二类抗菌剂即光催化抗菌剂，如：纳米TiO2、纳米SiO2和纳米ZnO等。抗菌剂的作用机理银抗菌剂银的抗菌作用与它的价态有关，价态越高，杀菌作用越强：Ag3+Ag2+Ag+高价态的银的还原电势高，能使周围空气产生活泼的原子氧，具有抗菌作用；同时，银离子能与细菌体内酶蛋白的巯基结合，致使细菌死亡。细菌死亡之后，银会游离出来，继续发挥作用：酶-SH+Ag+→酶-SAg+H+光催化抗菌剂纳米尺寸的该类抗菌剂，不仅因比表面增大提高了抗菌能力，还因为在纳米尺度时，这类抗菌剂的光生电子和空穴氧化还原能力增强，受光照射，它们能在一定条件下自行分解出自由电子，同时留下带正电的空穴：ZnO/TiO2+hv→e-+h+e-+O2→·O2-H++H2O→·OH+H+纺织用纳米级抗菌粉体的形态银系抗菌剂通常采用物理吸附或离子交换方法将银离子固定在纳米尺度的沸石、磷酸盐或硅基氧化物等材料中。纺织用纳米级抗菌粉体与其它抗菌剂相比，具有以下优点：（1）对人体无刺激性、无毒，使用安全可靠；（2）整理剂透明度高，长期使用不变色；（3）根据需要可以在复配后兼有抗紫外线功能；（4）对热和光的作用稳定；（5）光谱抗菌性，可抑制多种病菌；（6）加工方便，适用纺织品范围广泛。导电型功能化学纤维添加炭黑纺制而得的黑色导电纤维；以二氧化锡、氧化锌和二氧化钛等白色纳米粉体材料为添加剂纺制而得的白色导电纤维。阻燃纤维吸水吸湿纤维耐热纤维磁性纤维发光纤维变色纤维芳香纤维储能纤维防辐射纤维其它用纳米材料改性的功能化纤采用纺丝法通常只能制作抗菌除臭的化学纤维，而大量的需要抗菌功能的天然纤维，必须采用后整理的方法来获得抗菌除臭效果。采用纳米材料后整理方法开发的功能纺织品选用制作功能化纤所用的纳米材料，借助后整理加工方法如浸渍法、浸轧法或涂布法，可以进行各种天然纤维织物的抗紫外、远红外保健、抗红外、抗菌除臭、导电、抗静电、阻燃等功能性产品的开发。该方法也可以用于化学纤维以及它们与天然纤维的混纺交织物的加工。以棉和蚕丝织物的抗紫外整理为例：选用对紫外线有发射、吸收等屏蔽、隔绝作用的纳米粉体材料，进行表面改性、功能互补、组分复配以后，依据棉纱特性，分别选用相应的粘合剂或涂层机以及相应的稳定剂、柔软剂等组合助剂和合理的整理工艺对棉织物和丝织物进行整理，整理后织物对紫外线的屏蔽率可大幅度提高。棉和丝织物的抗紫外整理工艺：采用日本住友水泥公司开发的ZW和ZE两种涂层液进行棉的抗紫外整理，工艺：浸轧法工艺流程：浸轧→烘干→焙烘轧液率：70~80%烘干：100℃,2min焙烘：160℃,2min或180℃,1min浸轧液：ZW110涂层液5.0（wt%)针织物平纹斜纹缎纹前后前后前后前后UVA1864114318650.415700.016840.007UVB8624024960.013960.0070.80.003不同织物处理前后紫外透过率（%）结构疏松、孔隙率高的织物，抗紫外性差在纳米技术方面的研究处于领先地位并成功应用美国NANO-TEX，LLC公司，据称是一家专门开发和应用特殊技术，在分子水平上制作、改变和改善纺织品的高技术公司。L/O/G/O