納米技術:紡織工業節能新標兵

紡織工業一直是中國傳統工業中的重要組成部分，也是相對而言技術落后、污染嚴重、能源消耗集中的行業。在21世紀納米技術蓬勃發展的時期，如何將納米材料與技術廣泛應用于紡織領域，特別是節能應用，成為我們關注的重點。納米催化技術和納米潤滑技術就是兩種在紡織行業很有前景的節能環保技術。利用納米催化材料的化學活性和量子效應、大比表面等性質對于紡織工業的污水是一種極為有效的治理方式;另一方面，納米潤滑材料對紡織機械在節能方面同樣有著巨大的應用前景。納米潤滑材料的引入能夠有效的提高能量利用率，減少機械摩擦與磨損，同時也降低噪音污染，以及減少溫室氣體的排放。

納米技術簡介

納米技術是以在納米尺度 (0.1nm-100nm)上研究利用原子、分子結構的特性及其相互作用原理，并按人類的需要，在納米尺度上直接操縱物質表面的分子、原子、乃至電子來制造特定產品或創造納米級加工工藝的一門新興交叉學科技術。

納米技術包括納米結構和納米材料兩部分。納米結構指的是在納米尺度上構架功能性結構，比如單電子開關、納米元器件等;納米材料指的是構成材料的結構單元的尺度是納米尺度，并且用到的材料性質是這個尺度上物質特有的非常規性質。納米尺度的物質顆粒比宏觀尺度(nm)小，比微觀尺度(0.1nm)原子大，此時量子效應開始影響到物質的性能和結構。由納米結構單元構成的納米材料，在機械性能、光、電、磁、熱等方面與普通材料有很大不同，具有輻射、吸收、催化、吸附以及二元協同性等新特性。從某種意義上說，納米材料的出現極有可能改變能源消費與環境保護之間長期存在的矛盾。

納米材料的化學活性和大比表面決定了它超強的吸附能力。我們知道，紡織工業的污水中通常含有有毒有害物質，包括有機物和重金屬等，污水治理就是將這些物質從水中去除。由于傳統的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米催化技術的發展和應用很可能徹底解決這一難題。

納米材料在節能方面同樣有著巨大的應用前景。對于我國而言，煤 、石油 、天然氣在一個相當長的時間內仍是主要的燃料能源，納米材料的引入能夠有效地提高能量利用率，減少有害氣體的排放。

納米材料在紡織領域節能環保方面的具體應用

納米催化劑

納米材料的比表面積大，表面活性中心多，為其做催化劑提供了必要條件，國際上已把納米材料作為第四代催化劑進行了研究與開發。納米二氧化鈦等催化劑具有獨特的晶體結構及表面特性，如表面鍵態與內部不同、表面原子配位不全等，因而，其催化活性和選擇性都大大優于常規催化劑，甚至使原來不能進行的反應也能完全進行。目前的研究表明，納米催化材料對催化氧化、還原，裂解反應都具有很高的活性和選擇性，對光解水制氫及一些有機合成反應也具有明顯的光催化活性。

納米材料的催化劑在紡織工業中有諸多應用實例。例如，納米氧化鋅、納米二氧化鈦對于水中的鹵代脂肪烴、染料，硝基芳烴、取代苯胺、多環芳烴、雜環芳烴化合物，烴類，酚類、表面活性劑、農藥等都能有效的進行光催化反應，通過除毒、脫色、礦化，最終分解為二氧化碳和水，從而消除有機物對環境的污染。不僅如此，納米二氧化鈦對水中的重金屬離子有很強的還原能力，通過光催化可使85%的六價鉻被還原，這在實際應用中對處理含鉻廢水有著重要意義。

納米潤滑油添加劑

納米潤滑技術吸收借鑒了生物骨骼滑液的減磨潤滑原理，模仿膽甾醇分子的分子結構及納米尺寸大小開發出了納米潤滑油，并且加入活性納米金剛石滾珠，直徑僅約為10nm，并且都呈完美的球形。將其按1:1000的比例添加至潤滑油中后，在“布朗運動”的作用下，活性納米金剛石滾珠會有每秒十余米的熱運動速度，使其得以在潤滑油中均勻、穩定的分布。

我校研究組申請了發明專利:“納米仿生自組織潤滑油添加劑及其制備方法”( 專利號 :200710099305)成功實現了納米潤滑的加工和制備。

為了驗證納米潤滑油的性能，我校研究組與英國利茲(LEEDS)大學歐洲潤滑油研究中心合作，對普通礦物潤滑油與加入納米添加劑的潤滑油進行摩擦系數測定。實驗結果如下:

試驗采用“pin-on-plate” 實驗平臺，采用的英國殼牌公司購買的礦物潤滑油 “XHVI 8.2”空白油樣，最后發現加入納米添加劑(1:300比例)的潤滑油摩擦系數平均下降17%，而且長時間試驗性能穩定。實驗證實了納米添加劑減摩的效果。

為了進一步驗證納米潤滑油添加劑在實際工廠使用的效果，我們選擇了紡織工業企業最常使用的減速機試驗。

通過實驗發現，加入納米潤滑油添加劑后，可以使得工業減速機的摩擦和磨損減小，也就是說反應在負載電流上，出現下降。通過基線比較，可以看出試驗添加前后，電流下降6%-12%，按照平均節能8%計算，每小時可節省3度電，每天可節省72度電，一年內一臺這樣的減速機就可節省26280度電。

我們通過參考納米摩擦學的研究，對于到達節能減磨的納米添加劑原理進行初步的探討。認為在嚙合摩擦副表面的油膜中，由于呈完美的圓球形的納米金剛石顆粒的存在，當臨界摩擦產生時，納米金剛石會以類似“軸承滾珠”的原理變原本的“滑動摩擦”為“滾動摩擦”，摩擦系數大大下降。在降低摩擦和消除磨損的同時，由此帶來的摩擦性內耗亦獲得有效控制。

其次，油膜中大量納米金剛石顆粒的存在會顯著提升油膜強度(支撐力)，使異常極壓狀態下的油膜仍不至破裂，避免了齒輪表面膠合、磨損、塑性變形、齒輪疲勞和折斷等損傷。

密度為1016的巨量納米金剛石在常溫下同時作不規則運動，在齒輪油中形成特有的“攪動清洗效應”，使得齒輪油在提高油膜強度的同時粘度大為降低。此舉可使油品自身粘滯阻力帶來的能耗損失獲得進一步控制，齒輪箱油溫得以有效控制。

隨著人們對納米技術研究的進一步深入，納米技術在節能環保領域的應用將會越來越廣泛。紡織工業作為能耗和污染大戶，納米材料的節能環保作用將會極大地促進紡織工業的發展，并大大改善人們的生活環境。