纳米科技与纺织材料

纳米科技与纺织资料一、纳米技术与纳米资料的概念二、纳米资料的特性与性能三、功能纤维的制备四、纳米资料在纺织品功能化中的运用〔即典型的几种纳米资料〕五、纳米资料的开展前景纳米资料的隐身功能美制F-35结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〕上研讨物质〔包括原子、分子的支配〕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、物质的局域性及宏大的外表及界面效应使物质的很多性能发生量变，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特景象。纳米科技的最终目的是直接利用原子、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。纳米科技的研讨领域纳米科技中有三类代表性的功用性很强的研讨领域：纳米资料、纳米器件、纳米检测与表征。纳米资料纳米资料是纳米科技开展的重要根底。纳米资料是指资料的几何尺寸到达纳米级尺度，并且具有特殊性能的资料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体、纳米碳管和一维纳米资料、纳米薄膜、纳米块材。纳米资料构造的特殊性〔如大的比外表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〕〕决议了纳米资料出现许多不同于传统资料的独特性能，进一步优化了资料的电学、热学及光学性能。对于纳米资料的研讨包括两个方面：一是系统地研讨纳米资料的性能、微构造和谱学特征，建立描画和表征纳米资料的新概念和新实际；二是开展新型纳米资料。目前纳米资料运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。纳米资料的特性〔1〕外表与界面效应这是指纳米晶体粒外表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，外表原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，外表原子占99%。主要缘由就在于直径减少，外表原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比外表积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比外表积会出现一些极为奇特的景象，如金属纳米粒子在空中会熄灭，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关长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边境被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇〞的景象。例如，铜颗粒到达纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开场导电。再譬如，高分子资料加纳米资料制成的刀具比金钢石制品还要巩固。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有能够运用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。〔3〕量子尺寸效应当粒子的尺寸到达纳米量级时，费米能级附近的电子能级由延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，会出现纳米资料的量子效应，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才干非常强，在1.5千克水里只需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才干称为隧道效应。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。纳米资料的性能纳米资料的主要特点就是尺寸减少、精度提高。纳米资料的重要意义最主要表达就是在这样一个尺寸范围内，其所研讨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、分子的奇特性质，或对原有性质有非常显著的改良和提高。导致纳米资料产生奇特性能的主要限域应有：比外表效应、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资料不同，出现许多新奇特性。如光吸收显著添加，金属熔点降低，加强微波吸收等。〔一〕力学性质

高韧、高硬、高强是构造资料开发运用的经典主题。具有纳米构造的资料强度与粒径成反比。纳米资料的位错密度很低，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普通比晶粒大，所以纳迷资料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

金属陶瓷作为刀具资料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的缘由其力学强度不断难以有大的提高。运用纳米技术制成超细或纳米晶粒资料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工资料刀具等领域占据了主导位置。运用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地运用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下运用。

〔二〕磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超越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%，已不能满足需求，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。同时纳米巨磁电阻资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资料。高分子复合纳米资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资料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶资料低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、光磁资料中有着广泛的运用。〔三〕电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米资料的电阻高于同类粗晶资料，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，有能够在不久的未来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米控制成的纳米晶体管，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，胜利研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研讨的深化进展，曾经胜利研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

〔四〕热学性质

纳米资料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶资料和非晶体资料的值，这是由于界面原子陈列较为混乱、原子密度低、界面原子耦协作用变弱的结果。因此在储热资料、纳米复合资料的机械耦合性能运用方面有其广泛的运用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有剧烈的吸收作用，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，光透性可以经过控制粒径和气孔率而加以准确控制，在光感应和光过滤中运用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱普通存在蓝移景象，其光吸收率很大，所以可运用于红外线感测器资料。

〔六〕生物医药资料运用

纳米粒子比红血细胞〔6～9nm〕小得多，可以在血液中自在运动，假设利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进展全身安康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，去除心脏动脉脂肪堆积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米资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资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展，以及如何保证纤维的质量不下降。只需能制备出新型功能性的纳米新资料，功能性的化纤产品就可以消费出来。新型功能纤维产品取决于纳米新资料的开发。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)，大多采用织物外表整理赋予功能性或在纤维制造过程中共混参与功能性添加剂而获得。1．共混法共混法是将功能性纳米资料与相应的化纤用资料共混纺丝。纳米粉体可以在纺丝熔体中参与。2．聚合法在聚合时参与，即在纤维原料合成阶段参与纳米资料。聚合物合成时参与适量的纳米微粒——TiO2、ZrO、BaSO4、SiO2、ZnO，那么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消费的功能纤维和织物，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资料，确保了此类功能性化纤在印染等后整理中的稳定性。4．后整理处置采用纤维间混纤、织物中不同种纤维的交错，多层(如合成纤维与天然纤维问的配合)获得吸湿、吸水等温馨性；合成纤维与导电纤维的交错制成导电织物；采用不同功能的处置剂对纱线、织物等进展外表处置，那么可获得抗菌、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缺乏，只能用后整理的方法来处理。采用纳米级功能资料对纤维进展功能性整理的优点在于：①选用的资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。纳米资料在纺织品功能化中的运用〔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，被紫外线分解构成的活性氯与臭氧发生连锁化学反响，使空气中的臭氧层遭到破坏构成空洞，致使紫外线照射到地面上，紫外线会对人的皮肤呵斥损伤。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安康带来更大的危害。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适宜的防紫外线添加剂〔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剧烈吸收波长为290-400nm的紫外线，有效地防止和抑制光、氧老化作用而本身构造不起变化的助剂。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形状下参与具有紫外线屏蔽性能的成分。也就是选择一种适宜的紫外线吸收剂与成纤高聚物的单体一同共聚，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，再经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恣意阶段将屏蔽紫外线剂混入纤维中。防紫外线纤维的消费制造可经过共混纺丝制得，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参与或直接共混纺丝，也可先制成防紫外线母粒再进展纺丝。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耐久，耐洗性好，手感柔软，易于染色。但其混纺丝法由于粉体参与量的多少、颗粒的大小和均匀度的不同，其功能也不一样，并有能够逐渐堵塞喷丝孔，缩短喷丝板的寿命，添加本钱。2．防紫外线纤维的性能目前，国内外防紫外线纤维的开发任务正在不断地加快，作为各种纺织品面料，防紫外线纤维必需具有一定的性质。●具有良好的紫外线屏蔽功能●聚合物经改性产生良好的耐久性●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，平安性好。●与混入无机化合物同样，平安性、光稳定性良好，对皮肤无损伤。●阳光下穿着感温馨●加工方便，具有耐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，胜利地制备了适宜纺丝的角蛋白溶液，又将蛋白溶液参与纤维素中制备纤维，在制备毛纤中，又将纳米抗菌粉体均匀分散在蛋白纺丝液中，制备功能性蛋白纤维。经过对角蛋白质影响要素的研讨，实现了高制成率、高分子量的蛋白溶液，制得了纯蛋白纤维纺丝液，得到了物性优良的抗菌蛋白纤维，纳米抗菌纤维中无机抗菌剂的添加量从0.5%-5.0%的范围内制备的抗菌纤维的物性目的到达国家规范,可以满足用户后加工的要求。运用抗菌纤维制成的家纺用品、内衣、运动衫等,具有很好的抗菌性能,可以有效抵抗病菌在衣物上的附着,使人类远离病菌的侵扰，且抗菌腈纶纤维对人畜平安无毒、无皮肤刺激性，不仅坚持了腈纶制品柔软、保暖、轻便的优点，还可以耐久杀死细菌或抑制其繁衍生长，因此有良好的市场前景。其他功能纤维纳米天然花香纤维从天然花草、植物中萃取原香精，经整理后得到的香味面料，经拍打或摩擦后将其纳米胶囊破损，香气外溢便可闻到芬芳的花香。如无外力作用，里面的纳米胶囊不破损，香味会耐久坚持。本香味因是从天然花草中萃获得到，并不是化学合成，因此对人体无损伤。目前我司现有的香味面料如下:薰衣草、柠檬、茉莉花香、桂花香等多种纳米抗静电纤维

此功能面料抗静电效果良好，穿着温馨，具有良好的亲水性且手感柔软。有很好的防尘性。纳米科技的开展前景我国的纳米科技研讨，特别是在纳米资料方面获得了重要的进展，并引起了国际上的关注。1995年，德国科技部对各国在纳米技术方面相对领先程度的分析中，我国在纳米资料方面与法国同列第五等级，前四个等级为日本、德国、美国、英国和北欧。我国的研讨力量主要集中在纳米资料的合成和制备，扫描探针显微学，分子电子学以及极少数纳米技术的运用等方面。但由于条件所限，研讨任务只能集中在硬件条件要求不太高的一些领域。虽然我国科学家在纳米碳管、纳米资料的假设干领域已获得一些很出色的研讨