（纺织工程专业论文）纳米拒水拒油毛针织物的研究与开发[纺织工程专业优秀论文].pdf

i p e l l e n c ) f b n 】e s st ow a s l l i i 瑁a f k rn a n o m e t e rs o l 丘n i s 1 i i 唱a r eo ( 锄e l yt 0b ea l l i d e a l 锄d c o r 蚰协删讲l a l 趾di n d u s 岍a lp r o d 删o nr e q u e s t 唧l e 纠y 1 1 1 et e s to f t 蹦m e s w 龃血g c h 越鼢撕s 如si n c l u d e s 出a p 如i l 獗p e 朋e 如i h 壤b u r s d n gs 咖g i l l 飘ds oo i l1 k 自瞳r e t i 1 1 d i c a t e dt 1 1 a tm en 锄o m e t e rs o l 丘血s h e dw o o 】e n 脚3 r i c s i i i 向1 s 晦1 1 a sn oo b 、，i a l l sc h a l l g e ， d r a p 址匠i j 母l l a sn oc h a i l g e ，t h ep e 玎n 洲哆h 雒商豁b 吐v e f ys h g h d y 幽g e sw m c hd o e sn o t a 腑m c 撇s 刚e t h 删蕊，恤觚s 1 1 e d 臼b i i c 砥c a l l y ma i l 】_ 曲e d 船o r i g i i l a l 田l e a n d f ：r l h m m l c e 1 k 聊1 i c a 虹o no f n 锄。鼬n o l o 钉i i lt h e 锄咖e j l l s ts t a r t e d ，i kr e s e a r c ba n dd e v e i o p m e l 】t o f l l m o m 融日w 纰盯卸d 甜r q p e l l e r l c yw 0 0 l e nk 曲缸g a r cf 晰血d 叫联疵i c ，趾ds o m e 豇匝e r p d s e s a r ea l s 0r e s e a r c 岫唱a n dd e 、，e l o p i l 玛p r o d i l 凼w h o s eg o o dq l l 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工艺可以节约原料，简化或取消裁剪和缝纫工序，并能改善产品服用性能。 现代的针织技术是由早期的手工编织演变而来。利用棒针进行手工编织的历史可追 溯到史前时期。1 9 8 2 年在中国江陵马山战国墓出土的丝织品中，有带状单面纬编两色提 花丝针织物，是人类迄今发现的最早手工针织品，距今约二千二百多年。国外最早期的 针织制品为埃及古墓出土的羊毛重袜和棉制长手套，经鉴定确认为5 世纪的产品，现存英 国雷士德博物馆内。 机器针织始于1 5 8 9 年，英国人威廉李从手工编织得到启示而发明第一台手摇针织 机，其幂用机件来成圈编织的基本原理至今仍然适用。 针织工业是我国纺织加工行业中起步较晚、基础较差的个行业。中国第一家针织 内衣厂1 8 9 6 年创建于上海。2 0 世纪上半叶我国针织工业一直发展很陧，1 9 4 9 年全国主要 针织内衣设备不到1 0 0 0 台。建国以来，经过半个世纪的努力，我国针织工业有了长足的 进步，到2 0 世纪末各种针织设备己超过1 0 万台，成为世界上针织品生产和出口大国。 针织、机织和无纺织是形成织物的三种主要方法。针织加工由于工艺流程短、原料 适应性强、翻改品种快、可以生产半成形和全成形产品、产品使用范围广、机器噪音与 占地面积小、生产效率高、能源消耗少等优点，成为纺织工业中的后起之秀。目前，全 世界每年针织品耗用纤维量已占到整个纺织品纤维用量的1 3 ，一些发达国家针织产品 耗用纤维量则超过纺织品纤维用量的5 0 ，而就服用领域而言，针织与机织之比约为5 5 ： 4 5 。 针织产品分服用、装饰用、产业用三类。随着新型化纤原料的不断问世和对现有纤 维的改性交| 生处理，针织设备的电脑控制和计算机辅助花型准备系统的应用以及针织物 后整理加工技术的提高，促进了针织产品的开发与性能的改进。服用类针织品己从传统 的内衣进入到休闲服与时装领域，并朝着舒适性、功自旨l 生和全成形等方向发展。装饰用 针织品也在向结构与品种多样化，性能可向满足不同的要求方向发展。产业用针织品所 1 绪论 占的比重逐步增加，涉及的领域很广，其中以针织物为骨架并与其它高分子材料复合形 成的复合材料发展较快，例如：农业用的篷盖类布与薄膜，工业用的管道，加固路基用 的土工格栅，医用 、造血管，航空航天用的飞行器的舱体等等。作为一门传统工业，针 织已不再局限于其本身，而是融入了其它学科与技术，如材料科学、生物医学工程r 计 算机技术等，因此具有广阔的发展前景【l 】。 1 1 2 毛针织工业 毛针织物，即“针织毛衫”，通常“羊毛衫”已成为一类产品的代名词。毛针织物 是原料以动物纤维为主的针织服装，如羊毛、兔毛、驼毛为主要原料的织物，同时还包 括以毛型化纤纱为原料的织物i 。毛针织服装的主要特点是其延伸性强、弹性好，因此 能紧贴身体，又不妨碍人体运动，具有良好的柔软性、舒适性和保暖性。毛针织品的舒 适性来自于毛及毛型纤维所具有的弹眭、透气性和柔软性；毛针织品保暖性是由于毛织 物纤维之间有足够多的相对不流通的空气 3 1 。以往毛衫都是作为内穿服装，随着全球气 候一天天地变暖，毛衫的保暖特点日渐减弱，再加之毛针织物的另天敌保暖内衣的 热销也使毛针织物从内穿转化为内外穿兼顾，毛衫从内穿到外穿的转变就对毛衫设计师 提出了更高的要求，所以，毛衫设计的时装化多样化也就成为了时代的必然【4 j 。 1 2 纳米拒水拒油毛针织物的研究与开发的意义 随着科学技术的发展，人民生活水平日益提高，人们已不仅满足于吃饱、穿暖，对 服装的功能性提出了进一步的要求，而经过特殊整理的功能性服装已逐渐为人们所接受， 同时人们对针织服装的功能性要求也越来越高。伴随巨大的商业利益，开发功能l 蝴臣装 已成为纺织服装行业发展的主要方向“。同时随着中国加入耵0 ，纺织配额取消，欧美国 家为了限制中国的纺织品，增加了一些“技术壁垒”、“贸易壁垒”、“环境壁垒”等限制。 如在2 0 0 5 年5 月中下旬，美国商务部、美国纺织品协议执行委员会连续两次对来自中国的 棉制针织衬衫、棉制裤子、棉及化纤制内衣等产品采取纺织品特别限制措施的决定，这 可以说对中国的纺织服装行业可以说敲响了一个警钟。由7 = 2 0 0 5 年1 月号开始，全球纺织 品贸易告别了长达数十年的配额时代，这在当时可以说中国的纺织行业迎来了曙光，久 受压抑的生产和出口能力得以释放，所以中国的纺织企业产量激增，很多企业为了增加 出口数量，拼命的压低成本，降低价格，这样中国的纺织品出现了“恶性竞争”的局面， 中国的纺织品本来就是一个附加值很低的行业，在这样的基础上就出现了量增价跌，的 现象。就是这种原因导致了出口贸易量急剧增加，出现以上的贸易摩擦。面对这种情势， 我们先不去讨论美国设限的政治和经济的动机，中国的纺织行业和中国的纺织企业应该 有所警觉，中国的纺织企业不应通过简单的出口数量增长来跻身于世界市场，而是应该 通过结构升级，提升产品档次和产业水平，保持纺织业的可持续发展，并通过与其他国 家的交流与合作，实现优势互补，双赢多赢。“以质取胜”、“科技兴贸”等战略已经提了 2 1 绪论 很多年劲织业也得真正付诸行动了。在这样的背景下，应该提高产品附加值，提高产 品档次，开发功能型服装j 面料势在必行。 由此可见，开发各种舒适性能、功能性、外观性能和特殊性能的纺织服装是纺织行 驻提高产品档次以质取胜的重要方向纳米技术在纺织中的应用就是在这种背景下应运 而生的 纳米科学技术是兰十世纪八十年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技。而纳米材料 和纳米技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的科学分支。“纳米”是一个 尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是h 本在1 9 7 4 年底，但是以纳米来命名的材料 是在2 0 t 蚬8 0 年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1 1 0 0 纳米范围。 纳米材料的应用在我国最早可追溯到一千年以前，如利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑 为墨的原料，就是纳米材料的最早雏形。而人们自觉的研究纳米材料，使之形成一门新 兴科学，最早是由1 9 5 9 年诺贝尔物理奖学金获得者费曼提出的。但一直无法直观其真面 目，1 9 8 2 年隧道扫描电镜发明后，人们爿有窥察纳米材料的工具，由此诞生了纳米科学。 自1 9 9 0 年7 月在美国巴尔基摩召开的第一届国际纳米科学技术会议e ，正式确认纳 米材料为材料科学的一个新分支，使纳米材料的研制和应用进入一个新的阶段。到1 9 9 9 年纳米技术已逐步走向工业化，美、英、德、日、法等国相继将纳米技术列入国家重点 研究项目，1 9 9 2 年我国也将纳米材料科学作为重大基础研究列入国家攀登计划项目、8 6 3 项目、重大基金项目以及攻关项目等，总投资约为8 0 0 0 万元。1 9 9 5 年后，社会上的一 些企业家对纳米材料和技术开发倾注了浓厚的兴趣，一些有远见的企业家对纳米材料的 规模生产以及纳米材料向各个行业的渗透进行投资，总社会投入资金超过7 亿元”1 。 今天，纳米技术已经广泛应用于材料、机械、电子、光学、化工以及纺织胺装等各 种行业，并已经取得了巨大的成就。例如，纳米多种功能服装的开发与流行，为纺织行 业的发展开辟了一个新的思路和方向。 拒水拒油整理织物也顺应时代的发展与时俱进。所谓拒水拒油是指经过整理，在一 定的使用期限内，使织物纤维表面能排斥，疏远油、水类液体介质，从而达到既不妨碍 透气舒适性，又能有效抗拒此类液体对内衣和人体的侵蚀。经过拒水拒油整理的服装面 料具有超疏水、疏油的奇异特性，在织物表面形成犹如荷叶的疏水功能( 液体在织物表 面动如水银) ，同时经处理过的面料保持原织物的任何特性与特征( 透气、透湿等) ，不 含任何对人体有害的化学成分【7 】。处理后的面料在工业加工成成衣的过程中，不会对制 衣流程有任何改变，也不会对处理后面料呈现的疏水特性有任何损害( 如：裁剪、缝制、 高温整形熨烫等) ，因此适用于大型工业化生产。这类特殊加工的纺织品不但能精足民用 服装的需要，而且在与油水介质频繁接触的行业如石油开采、食品、医药等的劳动服装 上也具有良好的发展前景。 1 绪论 1 3 拒水拒油整理的国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 织物拒水整理的历史可以说源远流长。据世说新语中介绍：魏、晋、六朝豪门 中的“下役”、“清客”均穿油绸而不用油布雨具，说明我国在四世纪就有拒水的整理 工艺了。那时候主要是选用桐油涂浸的油布可以做成雨伞、雨靴和衣服“。近代用橡胶 涂布做成雨衣及蓬布。使织物表面形成均匀膜层，依靠物理方法阻止水的透过。虽然这 种衣服不透气更不透湿，穿着很不舒适，但由于它能抵御暴雨脚。这种方法的缺点是缺 乏耐久性。 由于我历史条件的限制，近代在拒水拒油方面的研究上，几乎没有，都是采用外国 的研究成果 1 3 2 国外研究现状 在十九世纪初，出现了铝皂和石蜡乳液作为拒水剂的整理工艺，它虽有很好的拒水 性，但是不耐洗涤和干洗日】同时也没有明显的拒油性能。 二十世纪三十年代，英国 c i 公司发职了砒啶类拒水处理剂，商品牌号为v e l e np f ， 它的化学称为硬脂酸酰胺亚甲基吡啶氯化物，分子式为：c 1 7 h 3 5 c 0 n h c h 2 c 5 b 盯c l 。； 它能与纤维素起反应，生成纤维素醚，具有比较好而持久的拒水拒油性。但是在、锁a 1 1p f 整理过程中，有氯化氢和吡啶释出，在处方、设备和环保两方面都要存在很大弊端，本 类产品没有明显的拒油性能。 后来出现了烃甲基类拒水剂，中最简单的是羟甲基硬脂酸酰胺 ( c i v h 蓝c o n i - i c h z o h ) ，其商品牌号是v e l u mn w “1 。现存的品牌有汽巴公司的 p h o b o 由e x f t c 、f t g 及国产的a e g ，m d t ，m w z 等，这些都是羟甲基类拒水整理剂。 这类产品没有明显的拒油性能，在整理过程中无有害物质释放，但整理后的织物中残留 大量甲醛，不符合环保要求。 有机硅类拒水剂的出现是一个重要的发展。最早的文献介绍见1 9 4 7 1 9 4 8 年的专 利。含氢有机硅是这种拒水齐的必要成分，这种拒水剂特别适用于各种合成纤维和羊毛 织物，也可用于纤维素纤维织物，这种整理剂中含有一定的反应性基团，整理过程中在 催化剂作用下，通过氧化、水解或交联成膜，或与纤维意上的羟基进行结合，达到不溶 于水和其它溶剂的持久性拒水效果；但没有明显的拒油性能。 含氟烷基的整理剂大约是1 9 5 6 j 差 织物整理领域的，它具有拒水性、拒油性的双重 功能，此前真正能够拒油的整理剂几乎没有。含氟烷基类整理剂拒水效果良好，但拒油 效果耐久性差，须与脂肪酸酰胺类拒水剂混用，才可取得良好效果【s 】。现市面存在的法 国a t o c h e m 公司的f o r a p e l 、美国3 m 公司的3 5 8 9 、3 5 8 5 系列、美国d u p o n t 公司的t e n o n 系 4 1 绪论 列、德国h o e c h e s t f f 司的n u v a 、日本旭硝子的a s a h i g u a r d a g - - 4 8 0 、a g - - 4 1 5 和a g 一7 1 0 、 日本大金公司的t g - - 4 1 0 、t g - - 4 2 1 茅i t f g - - 5 2 7 、日本日华的e c 5 0 、深圳先进公司的w r s - - c 3 5 等都是有机氟型整理剂，具有良好的拒水拒油性能。但是此类整理液本身有毒， 且此类整理液的合成过程中，污染环境。 1 3 3 传统拒水拒油整理的不足 从国内外的发展过程中可以看出传统的拒水拒油整理存在许多不足之处，主要有以 下三个方面： a 。传统的拒水拒油整理耐久j 陛差。 b 传统的拒水拒油整理对于环境的污染相当严重，不再与当今绿色环保的主题相适 应，而且对人体健康有害。 c 传统的拒水拒油整理方法中涂层整理织物透气性差，不适用于服用织物；利用表 面改性剂对织物纤维进行改性后虽然织物透气性有所改善，但是织物的拒水拒油效果不 持久，不耐洗涤。 d 传统的拒水拒油剂的制造过程中产生了大量的污染物。 1 4 本课题研究的目的、内容及主要的技术路线 1 4 1 本课题研究的目的 针对传统的拒水拒油整理方法中的不足，利用纳米材料的特性，本课题意在研究出 狮绿色环保的拒水拒油整理方法，保持织物原来性能的同时提高拒水拒油效果的耐久 性。 1 4 2 本课题研究内容 a 根据课题要求选择合适的物质及化学合成方法。使所选择的物质和合成方法满足 以下要求： ( 1 ) 反应物生成物对人体无副作用，不污染环境，安全性良好； ( 2 ) 反应条件简单，易操作。 b 纳米拒水拒油整理剂的合成。通过大量实验，选择出合适的实验参数( 包括催化 剂、溶剂的类型及量的大小、温度等因素) ，用溶胶凝胶法合成纳米拒水拒油整理剂。 此为实验的难点，也是实验的重点。 c 织物的性能测试。测试织物整理前后的拒水、拒油、耐洗性、透气、悬垂等陛能。 d 拒水拒油机理分析。 1 4 3 本课题的主要技术路线 纳米拒水拒油整理剂制备方法的选择一纳米拒水拒油整理剂的制备一毛针织物的拒 1 绪论 水拒油整理一纳米拒水拒油整理前后针织物的性能测试一纳米拒水拒油的机理分析。 1 4 4 本课题的创新点 纳米技术在纺织上的应用在国内刚刚起步，纳米拒水拒油毛针织物的研究开发在国内研 究甚少，本课题针对传统的拒水拒油整理方法中的不足，利用纳米材料的特性对毛针织物进 彳亍拒水拒油整理，研究出了一种绿色环保的拒水拒油整理方法，在保持织物原来性能的同时 提高了克拒水拒油效果的耐久性。在整理过程中没有任何污染物产生，整理后织物对人体无 伤害，属于绿色环保的整理方法。这对今后国内从事纳米功能性纺织品的研究与开发具有一 定的指导意义。 6 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 2 1 纳米科技及纳米材料的应用和发展 2 ，1 1 纳米科技的发展史 人类对客观事物的认识是不断深入的，认识从直接用肉眼看到事物开始，然后不断 深入，逐渐发展分为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。人们对宏观领域和微观 领域研究较早，而对存在于宏观领域和微观领域之问的研究似乎忽略了。近年来，才开 始注意到这个不同于宏观和微观的所谓的介观领域，由于三维尺寸都很小，出现了许多 奇异的崭新的物理性能“。这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸( 从几个 到几百个原子以上尺寸) 的范围。 早在1 9 5 9 年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼曾预言：“毫无疑问， 当我们对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物l 生的范围。”在这里， 通常界定为l l o o r m l 的范围的纳米体系是细微尺度的事物的主角。i b m 公司的首席科学 家a r m s t r o n g 预言：“我们相信纳米科技将在信息时代的下阶段站中心地位，并发挥革 命的作用，正如7 0 年代初以来微米科技已经起的作用那样，”这些预言十分精辟的指出 了纳米体系的地位和作用，有预见性的概括了从现在到下一个世纪材料科技发展的新动 向“。这是纳米材料体系的吸引人之处，随着对纳米材料体系和各种超结构体系研究的 开展和深入，他们的预言正在逐渐成为现实。 纳米材料和纳米技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的科学分支。 “纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在1 9 7 4 年底，但是以“纳， 米，来命名材料是在2 0 世纪8 0 年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1 到l o o n m 范围。实际上，人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到1 0 0 0 年以前。中国古代利用燃 烧蜡烛来收集碳黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这就是最早的纳米材料，中国古 代铜镜表面的防锈层经检验，证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。但当时人们并不 知道这是由人的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成。约1 8 6 1 年，随着胶体化学 ( c o l l o i dc h e m i s t r y ) 的建立，科学家们就开始了对直径为l l o o n m 的粒子系统即所 谓胶体的研究，但是当时科学豸甜门并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的 一个新层次，而只是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。 1 9 6 2 年久保( k u b o ) 及其合作者针对金属超微粒子的研究，提出了著名的久保理论， 也就是超微粒子的量子限制理论或量子限域理论，从而推动了实验物理学家向纳米尺度 的微粒进行探索“4 。1 9 6 3 年u y e d a 及其合作者用气体冷凝法，通过在高纯的惰性气体中 的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并对单个金属超微颗粒的形貌和晶体结构 进行了透射电子显微镜研究。1 9 7 0 年，江崎和朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，首先 提出了半导体超晶格的概念。这是按照一定的规则将一定厚度的纳米薄嗔层人工堆积起 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 来的结构“。 2 0 世纪7 0 年代末到2 0 世纪8 0 年代初，对一些纳米颗粒的结构、形态和特性进行 了比较系统的研究。描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用 量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功。 1 9 8 4 年，德国萨尔大学的g l e t e r 教授等人首次采用惰性气体的凝聚法制备了具有 清洁表面的纳米粒子，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料结构界 面模型。1 9 8 5 年，k r o t o 等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇。1 9 9 0 年7 月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为 纳米科学的一个新的分支公布于世。同时决定出版纳米结构材料、纳米生物学和 纳米技术的正式学术刊物。这标志着纳米材料科学作为一个相对比较独立学科的诞 生。同年，发现纳米颗粒硅和多孔硅在室温下的光致发光现象“8 。 1 9 9 4 年在美国波士顿召开的m r s 秋季会议e 正式提出纳米材料工程。它是纳米材料 研究的新领域，在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展纳米新型材料， 并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，开始形成了基础研究 和应用研究并行发展的新局面。 总的来说，纳米材料发展的历史，大致可划分为3 个阶段，第一阶段( 1 9 9 0 年以前) 主要是在实验室探索用各种手段制备各种纳米颗粒的粉体，合成块体( 包括薄膜) ，研究 评估表征的方法。探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。第二阶段( 1 9 9 4 年前) 人 们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学l 生能设计纳米复 合材料。这一阶段纳米复合材料的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段( 从 1 9 9 4 年到现在) 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的 关注。 2 。1 。2 纳米科技及纳米材料的研究热点 纳米是一个介观尺度的度量单位，介观是指介于宏观和微观之间的意思，l 纳米等 于十亿分之一米，是人类毛发直径的一万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。这 是一个比微观尺度( 原子大小为0 1 纳米) 大，又比宏观尺度( 光学显微镜分辨极限的 微米尺度) 小的世界。在这个世界里的研究工作是从基础物理学对这个尺度上的结构( 纳 米结构n a n o s t r u c t u r e ) 所表现出的奇异特性开始的。如果考察电子通过纳米圆环 所组成电路，它的行为将不遵守欧姆定律，而表现出彼此之间的关联陛( a b 效应) 。在 这个尺度上的物质，表面原子或分子占了相当大的比例，已经无法区分它们是长程有序 ( 晶态) 、短程有序( 液态) ，还是完全无序( 气态) 了，而成为物质的一种新的状态一 纳米态。并且，人们很早就注意到这种纳米态的性质不主要取决于其体内的原子或分子， 而是主要取决于表面或界面上分子排列的状态。由于它们具有量子力学上的强关联性而 表现出完全不同于宏观和微观世界的介观性质，这就是纳米材料。纳米材料是由几十个 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 到数千个原子或分子组合成的介观体系。这些数量不多的原子或分子“组合”在起时， 被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”的性质，由于它内部的强关联性，它的 熔点、磁性、电容性、导电性、发光 生和水溶性都有重大变化。当“超分子”继续长大， 或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去。通俗来说，纳米材料一方面 可以被当做一种“超分子”，由于它的尺寸太小，不足已达到能对可见光散射的尺度( 可 见光波长的三分之一) ，它对可见光是完全透明的，充分地展现出微观世界的量子效应。 另一方面它也可以被当做一种非常小的“宏观物质单元”，用以构建宏观物质，以至于 在宏观世界中表现出前所未有的特性。更重要的是，许多化学和生物反应的过程也发生 在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对物 质世界和生命科学的理解。对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认 识和如何操纵或组合它们，是当今纳米科学技术的主要问题之一。纳米技术的研究热点 集中地表现在如下四个方面： a 纳米强度支撑材料进行具有特殊性能的纳米材料和纳米结构的研究，以探索和改 善传统材料的综合胜能及其应用，如以纳米技术为依托，开发比现有的钢的强度高十倍， 而比重大大降低的结构材料，将使常规材料工业发生革命性突破。 b 纳米结构器件研究、设计和制备新型纳米结构和器件，以推动信息、能源、环境、 医疗、农业及航天技术的革新和发展，如信息技术中的新型存储、读取、显示和运算器 件的研究和发展，将使现有计算机的硬盘存取密度提高一百万倍，并使体积进一步缩小。 c 纳米探测技术纳米加工和纳米探测技术的实践应用，象原子力显微镜( a f m ) 的发展，已经使 类能够在原子尺度上对单个原子进行搬移，对原子之间的价键结合态 进行观测。种能方便进行活体检劂，探测出只有几个癌变细胞的手段也正在研究之中， 这将使生命科学的研究在一个完全量化的严格领域内进行。 d 二元协同纳米界面材料针对纳米材料本征问题- 表面或界面问题的二元协同 纳米界面材料的研究，从改变纳米材料表面或界面性质入手，实现性质不同材料的界面 重组，在介观尺度上构建出新的材料。例如，将油和水这两类不管在宏观和微观尺度上 都完全不相容的材料的界面性质改变，使其相容，将可以制造出许多新的热力学稳定体 系。将这类材料应用于关系国计民生的燃油生产和医疗保健领域，将使燃油的物理活性， 化妆品、保健品和中药有效成分的利用率，和医学中靶向药物的命中率大大提高( 一百 万倍) 。并且，在这个技术平台上发展的纳米布、纳米孔涂料、纳米超滤膜将使我们人类 的衣食住行发生突破性变化。另外，表面和界面科学发展到现阶段，人们己有共识，不 同物质之间可形成各种各样的界面，诸如金属和非金属、无机和有机、导体半导体绝 缘体、生命材料和非生命材料界面上的研究，发现了许多重要现象。借助异质材料的接 触与融合所产生的表面和界面的奇异功自锵性，用来制造新型材料和器件，已成为技术 和材料研究的主要指导思想。从物理的观点，凝聚态物质的表面相和界面相具有不同于 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 体相的对称性和自由能，当物质由宏观尺寸减小到介观尺寸时，表面相和界面相对材料 物性的影响将不容忽视。因此，表面相和界面相的设计及控制，必然是研究新型界面材 料的关键。二元协同纳米界面材料”这一概念，不同于传统的单一体相材料，是在材料 的介观表面建造二元协同结构。这种界面材料的设计思想是：人们不一定追求合成全新 的单相体材料，只是采取某种特殊的表面加工，在介观尺度能形成两种性质不同的二维 表面相区。而每个相区的面积，以及两相构建的“界面”是纳米尺寸的。研究表明，这 样具有不同，甚至完全相反理化性质的纳米相区，在某种条件下具有协同的相互作用， 甚至可以让材料的宏观表面上呈现出超常规的界面物性，即为二元协同性。对物质世界 二元性的认识，早在两千多年前的春秋战国时代，我们的祖先就已有阴阳二元j | 生的逻辑 思维。现代科学的发展也证实了物质世界从最小单元开始，就是由各种协同互补的二元 性基本粒子所组成。不仅在物质的组成上，而且在物质的性质上也无时无处不反映着二 元协同的性质，现在人们正有意识地利用这种二元协同性质研制新材料。在分子和超分 子材料方面，如表面活性剂( 同时具有亲水及疏水基的分子) 、有机非线性光学材料( 同 时具有分离的推拉电子基的功能分子) 、有机超导体和有机强磁体方面也利用了由电子给 体和电子受体组成的电荷转移衍生的复合分子晶体等，都显示了二元协同思想对研制新 型材料的重要指导作用。“二元协同纳米界面材料”是将二元协同性推广到纳米界面所 研制出的新型界面材料。我们知道，物性的二元协同互补性是一个普适的概念，可以表 现为多种形式。如：亲水性与疏水性( 亲油性与疏油性) ，导电性与绝缘性，氧化性与还 原性，表面几何结构的互补性( 凸与凹) ，稳定结构与亚稳结构，顺磁性与抗磁性，半导 体的p 型与n 型，强诱电体与反强诱电体，左旋光性与右旋光| 生等。在通常的情况下， 体材料的表面相和界面相多表现为单一的特性。然而，当利用二元协同界面材料的设计 思想，在介观尺度甚至纳米尺度形成二元协同界面后，这样的界面常会表现出超常的界 面物性。为了实现上述的二元协同性质，需要借助介观物理和介观化学的基本原理，完 成界面材料的分子设计。 下面从几个例子来阐述二元协同纳米界面材料的应用： ( 1 ) 超双亲陛界面物性( 同时具有超亲水性及超亲油性的表面) 材料光照射可引 起t i 0 2 ( 二氧化钛) 表面在纳米区域内形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界 面结构，从而使宏观的t i 0 2 表面表现出奇妙的超双亲性。利用这种原理制作的新材料， 可以用于修饰玻璃表面及建筑材料表面，使之具有自清洁及防雾等效果。这种双亲二元 协同原理，也可以用来指导设计和研制在其他基材上使用的超双亲性修饰剂。例如，在 纤维及衣物上使用修饰剂，将使它们具有超双亲性，让洗涤衣物仅用清水，而不再使用 传统的洗涤剂；也可以应用到人体血管和人体器官的表面修饰，以防止血栓的形成，提 高人的健康水平；用到人造器官上，可以改善同活体组织的兼容陛，来实现长时间的使 用寿命。 1 0 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 ( 2 ) 超双疏性界面物性( 同时具有超疏水及超疏油性的表面) 材料利用由下到上、 由原子到分子、由主分子到聚集体的外延生长纳米化学方法，可以在特定的表面上建造 纳米尺寸的几何形状，以形成互补的( 如凸与凹相问) 表面结构。由于在纳米尺寸低凹 的表面可强力吸附气体分子，并让其稳定存在，相当于在宏观表面上有层稳定的气体 薄膜，使油和水均无法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面呈现超常的双疏性。 这时水滴或油滴与界面的接触角会趋于最大值，从而失去浸润性。如果在输油管的管道 内采用这种带有防静电功能的材料来构造一种表面修饰涂层，可以实现石油与管壁的无 接触、低粘滞运输，这对于输油管道的安全运行有重要价值。当然，这种超双疏性，在 纺织，包装工业等领域也同样具有广泛的应用前景。 ( 3 ) 纳米尺度光阳极、光阴极两相共存的高效光催化界面材料借助光化学和光电 化学的研究思想，利用介观化学方法，可以研制多种具有光化学活性的纳米杂化界面材 料。例如，在t 1 0 2 表面的纳米区域内可以构建光阳极与光阴极共存的二元协同界面结构， 让其在紫外光的照射下具有更高的光催化效果，以用来分解有毒气体( 如：甲醛，苯， 氧化氮等) ，还可以杀死其表面接触的细菌。该材料将在空气净化和杀菌抑菌方面有重要 的应用。以上只是三个典型的实例，物质世界的二元协同性是无穷尽的，二元协同纳米 界面材料也将有无穷无尽的排列组合，等待我们去开发的将是一个丰富多彩的纳米材料 新世界。 2 1 3 世界各国在纳米技术研究领域所取得的成就和地位 美国创造了超微碳分子算盘、纳米管、微电机系统、微型机器等。 日前，美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达，该分子马达由7 8 个原子 构成。制备这个极小马达花费了科研人员4 年的时问。 i b m 公司1 9 9 6 年儿月宣布造出了超微型碳分子算盘，算盘架是蚀刻而成的铜槽和 铜脊，算盘珠是由6 0 个碳原子组成的巴基球，槽脊柱只有一个原子高，每个槽内可容纳 任意个巴基球，巴基球由扫描隧道显微镜操纵在铜槽内滑动( 巴基球的发现获1 9 9 6 年诺 贝尔化学奖，扫描隧道显微镜的发明获1 9 8 6 年诺贝尔物理奖) 。这个碳分子算盘目前虽 然尚未成为实用计算装置，可它将能大大提高运算速度。 美国普林斯顿n e c 研究所和赖斯顿大学的科学家已造出了少量的纳米管，纳米管的 强度比钢高1 0 0 倍，重量只有其1 6 ，纳米管很细很细，5 万个纳米管排列起来才只有一 根头发丝那么粗。预计它是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导 线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。 日本丰田公司用微型部件组装了一辆一粒米那么大的能开动的微型汽车。东京大学 自动化工程师创造了硅微型昆虫，能飞行几厘米，日本科学家还想利用人造昆虫在温室 传播花粉和杀死害虫。 德国美因兹微技术研究所制造了一架只有黄蜂那么大的直升飞机，重量不到0 5 克， 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 能升空1 3 0 毫米，它的目的是要证实制造高性能的一伏微型发动机是可能的。这种发动 机只有削尖了的铅笔尖那么大，但转速可达每分钟1 0 万次，最终可用作电子显示器、手 表、摄像机和激光扫描器的驱动器，也许最早的应用将是在微型外科器械方面 2 1 4 中国在纳米技术研究领域所取得的成就和地位 纳米技术从介观物理和介观化学脱胎出来的时代，恰逢中国改革开放，中国知识分 子从桎梏中解放出来以后所迸发出的蓬勃活力令世人瞩目。当八十年的人们在赞美科技 的春天到来的时候，中国的科学家们已从追踪世界水平的“两弹一星”，人工合成胰岛素， 高温超导和中文激光照排汉字处理技术中跨出来，瞄准了世界科技前沿的介观物理，几 乎与世界同时起步研究和发展了纳米技术。在国外还没有完整建制的介观物理实验室之 前，1 9 8 5 年设在北京大学的人工微结构和介观物理国家实验室( 1 9 9 0 年核准) 就已经启 动，设在南京大学的固体微结构国家重点实验室也于1 9 8 5 年对外开放，中科院北京物理 所和沈阳金属所的科学家们也于同期开展了后来称之为纳米结构和纳米材料的基础科学 研究。仅用了十几年的时间，我国科学家就先后取得了一系列令世界瞩目的科研成果。 1 9 9 1 年，碳纳米管被人类发现，它的力学性质尤其引人注目。这种材料的质量只是相同 体积钢的六分之一，强度却是钢的十倍，一度成为纳米技术研究的热点。北京大学的科 学家们也在同期制备出当时世界最长的碳纳米管。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为， 纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关和纳米电 子元器件。1 9 9 3 年，继1 9 8 9 年美国斯坦福大学搬运原予团”写”下斯坦福大学英文名字和 1 9 9 0 年美国国际商用机器公司在镍表面用3 6 个氤原子排出”m m ”之后，中国科学院北京 真空物理实验室自如地操纵原子成功写出”中国”二字，标志着我国开始在国际纳米技术 领域占有一席之地。1 9 9 6 年，中国科学家在核技术的帮助下成功地解决了油水二元协 同纳米界面的化学结构和成份的稳定性问题，研究出热力学稳定的、能够克服极限破乳 等问题的、水相尺度为6 纳米的油包水型燃油添加剂，使燃油的物理活性提高了上百万 倍，在八千分之一的添加量下取得发动机台架节省燃油1 0 0 , 5 的结果。1 9 9 7 年，美国科学 家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在2 0 年后研制成功速度和存贮容 量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1 9 9 9 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实 验时发明了世界上最小的”秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的 重量：此后不久，北京大学的科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和 巴西科学家联合创造的纪录。到2 0 0 0 年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业 额达到5 0 0 亿美元。在2 0 0 0 年里，我国纳米技术领域捷报频传。山东青岛化工学院纳米 材料研究所在国家计委的支持下，研制和发明了“金属和氧化物纳米材料”和“高熔点 纳米金属负载催化剂制备”新工艺，并正在研制开发多功能纳米塑料和纳米无机抗菌纺 织品；合肥中科院固体物理所与地方企业合作，建成5 0 吨和5 0 0 吨二氧化硅纳米材料生 产线，开发了防眩光、辐射、静电的三防纳米电子材料一三防涂料；中科院化工冶金所 2 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 采用n p p 生产纳米级活眭氧化锌的新技术和新工艺，与地方合作，在陕西、江苏生产纳 米氧化锌。纳米氧化锌具有抗菌防辐射等多种功能，在电子、纺织、建材、生物医药及 航空航天等领域有着广泛用途；华东理工大学技术化学物理研究所引进国外等离子体纳 米颗粒制备装置，制备出m o 、t i n 、t i 魄、z r 嘎等多种金属氮化物和氧化物纳米粒子，被 成功地应用于环保行业；北京有色金属研究总院研制出的纳米铜粉在汽车尾气净化处理 过程中，可以用来部分代替贵金属铂和钉催化剂，使汽车尾气中有毒性的一氧化碳转变 为二氧化碳，氧化氮转变为二氧化氮。由于纳米铜粉颗粒极细而且软，是一种很好的 润滑剂，用于汽车引擎的润滑油中，可以提高引擎汽缸和活塞的耐磨性能，用于引擎镀 铜液，在引擎运转过程中，可以修复汽缸中的缺陷，对减少汽缸的摩擦磨损和延长发动 机使用寿命是十分有益的。用纳米铜粉制备的超细厚膜浆料，可用于大规模集成电路中。 在粘结剂中加入适量的纳米铜粉，可以提高粘结强度，避免在粘结区发生脆断。在生物 工程中，纳米铜粉可以用作细菌的过滤器。用于工程结构材料中，可以提高材料的抗张 强度和导热性能；清华大学成功地制备出直径为3 4 0 纳米、长度达微米量级的一维氮 化镓半导体纳米晶体。1 0 月份，中国科学院化学所的科学家在二元协同纳米界面的技术 平台上，成功地对人造纤维的表面进行了纳米结构处理，在纤维表面形成2 0 纳米尺度的 凸凹结构，改变了纤维表面油和水的浸润性，在世界上率先研发成功纳米布。这种纳米 技术还可以使经过处理的建筑材料表面，具有自清洁和防雾、防冰霜的效果。1 1 月份， 北京大学方正博雅纳米技术工程中心的纳米燃油添加剂在北大博雅科技实业有限公司实 现了产业化，该产品在八千分之一的添加比例下，经过了数万吨燃油的多种车型路用实 验，结果表明：节油率达1 0 _ _ 2 0 ；国家环境科学研究院的国家标准十五工况尾气排放 台架检测表明：汽车尾气污染物净化能力为美国同类产品的二倍。正式通过了国家环保 总局环境科学研究院和北京市环保局环境保护监测中心的严格检测。北京市环保监测中 心按照最新的国家标准双怠速法检测表明：氮氢化物( h c ) 降低3 3 - 8 2 ，一氧化炭( c o ) 刚氐3 1 9 5 ，氮氧化物( n o x ) 刚氐3 9 - 8 7 ，该产品被证实能大幅度降低尾气有害 物质排放，并对已成为环保焦点的氮氧化物尾气排放的有独到的净化作用。氮氧化物正 是北京等大城市光化学污染和人类肺癌的“罪魁祸首，它不但会使大城市连续发生直到 下午还不散去的光化学雾，还成为诱发心肺疾病的主要祸源，而城市空气中的氮氧化物 污染7 0 0 , 6 来自汽车尾气。该成果还通过了中国石油天然气集团主持召开的技术论证，并 已达成联合生产高品质成品燃油的产业化生产协议，成为世界上率先实现大规模产业化 的纳米技术产品。2 0 0 0 年1 1 月，我国在世界上首次直接观察到纳米金属材料在室温下 的自然伸延现象以后，又在纳米材料热物l 生研究中首次发现固体纳米薄膜能在超过它正 常熔点6 0 以后保持不熔化；最近，我国又首次利用碳纳米管研制出新一代显示器样品， 这标志着我国在碳纳米管应用上取得重要突破，并跻身世界先进行列，为通用平板显示 器的研发开辟了新的捷径，在碳纳米管平板显示器实用化进程中做出了中国人的独特贡 2 纳米科技及纳米微粒的结构特性 献。近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成就。一是大面积定向 碳管合成；二是超长纳米碳管制备；三是氯化镓纳米棒制备；四是硅衬底上碳纳米管阵 列研制成功；五是合成准一维纳米丝和纳米电缆；六是用苯热法制备纳米氮化镓微晶。 最近我国科学家又成功地合成了直径最小的碳纳米管，还发现了纳米金属铜的延展性。 2 1 5 纳米技术的应用和发展 我们知道，微米尺度的加工和结构材料是当代微电子工业的支柱，而纳米技术( 包 括制备和加工等) 和纳米材料将成为下代微电子学器件的基础。纳米科技发展中，纳 米材料是它的前导。因为，纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互 作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，其中最应该指出的是纳米材料是将量 子力学效应工程化或技术化的最好场合之一，会产生全新的物理化学现象。在 类进 2 1 世纪之际，人们期望，科学技术的发展能对社会的发展和生存环境的改善及人体健康 的保障都将做出更大的贡献。在新的世纪内，信息科学技术、生命科学技术和纳米科学 技术是当前科学技术发展的主流，他们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身 变得更好。人类已经可以在科学的推理下看到： a 纳米抗血栓中药用亲脂型二元纳米协同界面包覆的中药成份将使头号威胁人类 健康的心脑血管疾病的有效治疗不再是幻想，它将使中国文明的重要组成部分一中药 走向世界。因为这样的纳米中药将具有普通中药数百万倍的物理活性( 治疗效果) ，