纳米功能纤维及其发展前景

纳米功能纤维及其发展前景摘要介绍了抗菌除臭功能纤维，远红外反射功能纤维，防紫外线功能纤维，导电功能纤维，以及纳米功能纤维的发展前景。1概述纳米材料是全新的超微固体材料，一般粒径小于100nm（10-9m）的超微颗粒称为纳米微粒。由于它具有较高的化学活性、较大的比表面积和微粒的超细化，使得它的性能在许多方面优于传统材料，可制造出许多功能独特、设计新颖的材料。应用于纺织工业则可开发功能纤维[1]功能性纤维是指具有某些特殊的不同于一般纤维所固有的性能，能满足特殊需求的纤维，如抗菌、除臭、抗紫外线辐射、抗静电、防微波、远红外、抗水拒油等纤维[2]。纳米功能纤维按照制备方法分可以分为两类:一类是采用溶液共混、熔体共混、原位聚合等方法，把具有各种不同特性的纳米粒子与成纤聚合物混合，制备具有相应功能的纤维，纤维的直径不一定是纳米级;另一类是通过静电纺丝、多组分复合纺丝法以及分子技术制备直径为纳米级的纳米纤维。国外十分重视对于功能纤维的研究与开发，纳米技术的飞速发展也为这一领域的发展注入了新的活力。下面就目前国内外对纳米功能纤维的研究状况进行介绍。1抗菌除臭功能纤维将超细抗菌粉体加入到化纤或用后整理法加入到纺织品中后，纤维或纺织品将对各种细菌、真菌、霉菌起到抑制作用。多数金属离子都有抗菌作用，但有的重金属对人体有害，有的对纺织品染整不利，目前多用接触性抗菌剂银、铜、锌的离子及其化合物等，或光催化抗菌剂二氧化钛、氧化锌、纳米硅基氧化物等。如用二氧化钛、硫酸钡、氧化锌的纳米颗粒作核，外包覆银可抗细菌，若包覆氧化铜、硅酸锌可抗真菌。一般在化纤中加入1%这种微粉，即可起到抗菌作用[3]。日本Kuraray公司的ShinUp涤纶/锦纶双组分纤维，芯是普通涤纶，鞘是含有光除臭剂的锦纶。它通过化学中和、光催化作用，呈现复合的和持久的除臭功效。由于光催化作用不会达到饱和点，所以只要存在有害气体，它都会起作用。它对烟味、汗味、腐烂气味、宠物气味都有效。只要混纺30%的这种纤维就有除臭效果，主要用途包括运动装、医院或食品加工用服装、护士服装等。日本Toyoshima公司的，μ－func是涤纶蒸汽镀银纤维，产品中混入很小比例的这种纤维就具有半永久性的抗菌功能，能抗大肠杆菌(0－157)等多种细菌，此外它还具有抗静电与隔热功能。Toray公司的Lumimagic－C用特殊的粘合剂，在纤维表面粘合光催化剂，利用其分解功能，减少甚至去除异味、保护皮肤，阻止细菌增生扩散。这种产品常用于直接与人体皮肤接触的纺织品，如内衣、毛巾等[4]。日本日清纺公司应用纳米技术生产的Agfresh，使银微粒达到4nm大小，将其渗入代纤维内部，生产的纤维具有抗菌除臭作用，耐久性好，不损伤原有物理性能，能与棉和其他纤维素纤维相比较。日本住友公司生产的陶瓷微粉（氧化锌纳米粒子），其表面积大，气体吸附作用强，可快速有效的吸收臭味[5]。用天然材料获得抗菌防臭功能成为开发的焦点，最突出的是甲壳素类纤维的开发。甲壳素类纤维废弃物可自然生物降解，不会造成环境污染，具有良好的抗菌防臭功能，目前已经进入实用阶段。如:韩国甲壳素公司据称已经形成了每天150kg纯甲壳素纤维的生产能力。日本Nisshinbo公司的Moiskin棉和涤棉织物用天然材料(壳聚糖、胶原质与天然氨基酸)整理加工，使面料具有良好的吸湿性、清爽的穿着舒适感、pH值控制能力、除臭、抗菌/防臭等多种功能。Omikenshi公司的Crabyon纤维素纤维中含有甲壳质/壳聚精，具有温和的抗菌/防臭性能。其它天然材料的应用也很常见，如:日本Nisshinbo公司的Kanzouryoku棉、涤棉织物采用甘草元素进行天然抗菌性整理，可用于衬衫、针织服装、床上用品。Shikibo公司的Chabafresh棉织物利用从茶叶中提取的儿茶素进行处理，以获得良好的除臭、抗菌效果和耐机洗性能；Aloeju是经芦荟成分处理的棉织物，具有抗菌效果和特殊的保湿性能，对皮肤有保健作用；ElaionAF织物则利用了橄榄油的功能；Melma中使用了土壤中含有的矿物质[4]。德国Zimmer公司推出的SeaCell纤维是一种具有抗菌功能的Lyocell纤维。它以Lyocell纤维的加工工艺为基础，在纺丝溶液中加入研磨得很细的海藻，使海藻以粉末或悬浮物的形式在纺丝前加入。SeaCell纤维的一个突出特点是对金属离子有很好的吸附能力。在SeaCell纤维活化过程中，银、锌、铜等灭菌金属被纤维所吸收，永久嵌入纤维的芯部金属离子通过纤维素的膨胀牢固的固定在纤维矩阵中，并促进海藻在纤维横截面上的均匀分布，永传统的清洁方法不会影响吸附在SeaCell纤维上的金属离子[6]。2远红外反射功能纤维远红外功能纤维是将陶瓷粉或钛元素等具有远红外功能的超微粉体（纳米以及亚微米级）在成纤聚合物的聚合或纺丝的过程中添加到纤维中，制得具有永久性远红外功能的纤维。这类纤维具有远红外吸收及反射功能，通过吸收人体发射出的热量，并再向人体辐射一定波长范围的远红外线，可使人体皮下组织血流量增加，起到促进血液循环的作用；由于能反射人体辐射的远红外线，也起到了屏蔽红外线，减少热量损失的作用[2,7]。1994年，日本森下仁丹等五家公司共同开发成功含有物美价廉的海藻碳远红外纤维。采用特殊的工艺可将海藻碳化得到海藻碳，径粒可达到0.4微米，用共混纺丝法渗入到涤纶长丝内，制成远红外涤纶长丝。其织物在接近人体体温35℃情况下，能高效和地放射远红外线，放射率高达94%。当织物中含海藻碳纤维的用量达到15-30%时，就能获得充分的放射效果，而且海藻碳价格便宜，可降低远红外织物的成本。也有借助于玻璃纤维纺丝技术，采用氧化铝等陶瓷物质进行高温熔融纺丝，其后通过聚合物熔槽而包覆一层薄膜，从而提高了纤维的柔软性。在开发高档毛织物面料时，可在远红外毛织物后整理之前，采用苛性钠水溶液使毛纤维表面的鳞片膨润化，能有效地吸附远红外陶瓷微粉，当低温下鳞片恢复原状时，远红外陶瓷微粉被封入毛纤维内，从而提高了远红外毛织物的质量和性能。为了进一步提高远红外织物的保健功能特性，人们正在寻求与其他功能的复合技术，例如与蓄热保温织物和电热织物的功能相结合。蓄热保温织物是一类能吸收太阳光能的材料，可使波长2微米以下的高能光线转化为热量，它能更好地发挥远红外织物的保健功能。如日本东丽公司开发成功一种远红外织物，该织物是一种采用两种纤维的双层结构，其内层由远红外纤维织成，而外层则由蓄热保温纤维织成，这种织物具有优良的保健功能。随着科学技术的发展，近年来，电热织物获得了较大的发展，一般采用掺不锈钢纤维的纱线、涂层导电碳的纱线或导电聚合物纤维纱织造而成，以此作为远红外织物的热源，尤其适用于制作远红外电热毯等复合功能产品[8]3防紫外线功能纤维ZnO,MgO,Ti02,SiO2,CaCO3,滑石粉、高岭土等在300-400nm波段具有紫外线吸收特征的材料质制成纳米级超细粉末，其微粒粒径尺寸与光波波长相当或更小时，由于纳米材料的尺寸效应导致光吸收或反射显著增强，又因其体积效应(小尺寸效应)纳米材料的比表面积增大，表面能增高，与高聚物共混时，很容易相互结合。基于此原理，开发出具有抗紫外线辐射的纤维。它们不仅可全面抵御UV-A、UV-B对人体皮肤的伤害，而且还能反射可见光和红外线，具有遮热功能[9]。日本Kuraray公司的ESMO是在涤纶的内芯混入可见光反射剂，它的特性是防紫外线、隔热和防透明，用于运动服、制服、帽子、窗帘等EMSO的出现激起了日本纺织界中紫外线屏蔽材料的迅速发展。日本东丽公司开发的AloftFieldsensor，Aloft是含有无机微粒的聚酯纤维，能有效的发射阳光。Fieldsensor则是由Aloft开发的一类织物。帝人公司的Physiosensor织物为含有无机微粒的聚酯纤维制成，能屏蔽紫外线。龙尼奇卡公司的萨拉克尔纤维是芯部含纳米氧化锌的聚酯长丝。三菱人造丝公司的奥波埃纤维是含纳米紫外屏蔽剂微粒的聚丙烯纤维[10]。KomatsuSeiren公司的UVDigital99涤纶、锦纶织物用一种双重效果(吸收紫外线与反射、折射紫外线)的涂层材料，来保护皮肤免受紫外线侵害，可用于运动服、室外服装和伞等。FujiSpinning公司的Rayfiltered棉织物经过后整理后，能有效地防止紫外线A与紫外线B，可用于动服装。Toray公司的Arfix涤纶采用特殊的合成陶瓷来实现紫外线防护功能，还具有防透明、凉爽功能，并具有丰富的褶皱和棉型手感[4]。日本仓敷公司将纳米ZnO加入到聚酯纤维中，制得了防紫外线纤维，该纤维除了具有防紫外线功能外，还具有抗菌、消毒、除臭功能。国内罗纪华等人将添加有纳米级抗紫外线功能材料的涤纶纤维与苎麻纤维行混纺交织，制成了纳米苎麻抗紫外线织物。这种织物充分发挥了抗紫外线涤纶纤维与苎麻纤维的优势，满足了人们追求美观、舒适，同时具有防护功能性的要求[11]。4自清洁功能纤维利用纳米TiO2的光降解作用，可有效地除去部分有害物质。纳米TiO2在紫外线或日光的照射下，产生自由电子和空穴，它们使空气中的氧活化，产生活性氧和自由基，最终将某些有机污染物分解为CO2和H2O。国内开发的纳米自洁面料采用纳米级水滑石层状结构及改性防水剂、防油剂为原料，运用纺织面料的表面加工技术，其全称为“二元协同超双疏（疏水、疏油）纳米界面”材料，经过该纳米处理过的超双疏性界面材料具有自洁、易洗、防污、防油、防水等特效。国内研制出具有优异拒水拒油性的氟烷基改性氨基硅油，并以此为主体开发出TFSF-10型拒水拒油助剂。在丙纶现有的生产工艺条件下，以该助剂代替常规纺丝油剂，制得拒水拒油丙纶，纤维的拒水性达到6级，拒油性达到5级。由该类纤维制成的织物拒水拒油效果均匀，织物的透气性更好。另有报道采用TPX-Ⅱ型拒水拒油整理剂也生产出类似拒水拒油纤维，且成功的实现了工业化生产[2,12]。美国Nano-Tex公司运用纳米技术开发的Nano-Care功能性面料是一种具有自清洁功能的面料，它与传统的防护涂层织物相比，耐久性更好，织物保持了柔软的手感和反好的透气性。该公司的Nano-Pel面料是一种具有拒水拒油特性的多层织物。德国Denkendorf纺织技术和工艺研究所的Lotus-Effect织物是仿荷叶的自清洁性织物，是户外服装的理想面料。日本TejinDuPontNylon公司的Permagard尼龙6/尼龙66织物是经过特氟隆涂层处理的拒水拒油织物。Toabo公司的AquaLock毛、毛/涤和棉织物经过Teflon树脂处理，具有柔软的手感与拒油性能。UnitikaTextiles公司的DualPlusEM涤/棉和涤纶织物经过低温等离子体处理，具有复杂功能，包括吸水、抗静电与防污功能。中科院化学所徐坚模仿荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶薄膜，具有不沾水、不沾油和自我修复功能[4]。4导电功能纤维自1996年ReHeker等人将聚苯胺溶解在硫酸中进行静电纺丝制得了聚苯胺细旦纤维以来，人们便开始了超细导电聚合物纤维的研究。现已获得了几种导电聚合物纳米纤维、原纤和纳米线。导电聚合物纳米纤维除了具有其他纳米纤维一样的高比表面积和高长径比之外，还具有优良的导电性，使其具有更大的应用潜力和研究价值，在纳米微电子电路、分子导线、纳米线圈等方面显示出巨大的潜在性能和应用价值。聚苯胺是优良的结构型导电聚合物，用其制备导电纤维，导电性能持久。MacDiarmid采用静电纺丝技术制备了高导电的硫酸掺杂的聚苯胺纳米纤维，扫面电镜测得其平均直径为139nm，最大直径为275nm，最小直径为96nm，四针探测法测得单根纤维的电导率为0.1S/cm[13]。Wu和Bein利用含有直径仅3nm的六角形孔道的铝硅酸盐基体模板制备出了导电聚苯胺纳米原纤，从孔道中抽出的聚苯胺纳米原纤电导率约为10-2S/Vcm,远远大于抽出前基体的电导率10-8S/cm。MacDiarmid等人在使用聚苯乙烯的四氢呋喃溶液静电纺丝制得直径小于100nm的聚苯乙烯纤维的基础上,将樟脑磺酸掺杂聚苯胺与聚苯乙烯混合物的氯仿溶液通过静电纺丝制得了聚苯胺/聚苯乙烯共混纳米纤维。其最小直径已达72nm,这种纤维的导电性很高,不必使用喷金涂层处理即可用于扫描电镜观察[14]。5纳米功能纤维发展前景纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。我们可以预先确定纤维的功能和使用目的，利用纳米技术改造大分子链段，控制纤维大分子链的高次结构，按要求来合成纤维，直接得到具有所需功能的纤维。21世纪，纳米纤维以其奇异的特性，在传统产业和科技领域已有了很好的应用并具有潜在的开发前景。据韩国纤维