新型納米材料的合成及在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

高 強(qiáng)

（長(zhǎng)治學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011）

隨著膠體化學(xué)的發(fā)展，知名科學(xué)家已開(kāi)始研究直徑為1～100 nm的顆粒基材料。對(duì)納米顆粒真正有意義的研究始于1930年日本的“煙霧測(cè)試”，是出于軍事需要而進(jìn)行的世界上第一個(gè)超批次。但受到和平條件的限制，只研究了微鉛粉，光吸收性能極其不穩(wěn)定。直到1960年，人們對(duì)于粉末納米顆粒的研究才剛剛開(kāi)始。Ulcitcr于1988年在德國(guó)大學(xué)任教，并成功制備了純納米粉。從1980年開(kāi)始，納米技術(shù)的研究在世界范圍內(nèi)激增。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)納米材料的不斷深入研究，已經(jīng)成為一個(gè)新的和流行的前沿學(xué)科：納米材料科學(xué)。

1 納米材料的特性

納米是長(zhǎng)度的單位，1 nm相當(dāng)于10-9m。納米材料是一種新型的超細(xì)固體材料，由納米粒子組成。納米技術(shù)是納米級(jí)的，工程長(zhǎng)度在0.1～100.0 nm。尺寸為1～100 nm的粒子稱為納米，是用微小數(shù)量的原子或分子融合的原子粒子。宏觀材料和微觀原子、分子之間的基團(tuán)或分子基團(tuán)范圍屬于特定的且分別連接，占很大的比例。在這個(gè)粒子中，表面原子是無(wú)定形的，沒(méi)有長(zhǎng)或短的臺(tái)階，并且在粒子內(nèi)部，結(jié)晶的周期性排列原子必須特質(zhì)完全，它的結(jié)構(gòu)和晶體樣品的大部分結(jié)構(gòu)一定要合理。量子通透效應(yīng)及其后果與光學(xué)、力學(xué)、熱、磁、化學(xué)和催化劑的傳統(tǒng)材料相同，具有獨(dú)特的功能和特性。例如化學(xué)活性和生物活性，得到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的高度評(píng)價(jià)。

2 新型納米材料的合成及應(yīng)用

2.1 利用表面反應(yīng)制備長(zhǎng)程有序二維聚合物及應(yīng)用

二維聚合物在一維中僅指一個(gè)原子層厚度以及在其他兩個(gè)維度中無(wú)限期拉伸的聚合物成分。盡管是一種物質(zhì)，但不包含多個(gè)分子層，而是單獨(dú)存在。

當(dāng)前，最典型且?guī)缀跷ㄒ坏亩S化合物是石墨烯，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)單元的形狀所準(zhǔn)備的重復(fù)周期為2.2～3.7 nm，孔徑為1.7～3.7 nm，就是整體依賴于位移的可調(diào)二維聚合物。此后，這些物質(zhì)在利用官能團(tuán)引入分子結(jié)構(gòu)單元的同時(shí)產(chǎn)生二維位移基，處理了聚合物功能化以及迭代周期不變的問(wèn)題。此類用于密度函數(shù)計(jì)算的聚合物具有二維共軛結(jié)構(gòu)，分子軌道是離域的[1]。因此，這種類型的聚合物二維有機(jī)半導(dǎo)體及其能帶結(jié)構(gòu)的分子系統(tǒng)的變化可以很容易地調(diào)節(jié)納米化學(xué)、納米模板和納米反應(yīng)器。

2.2 鋼棒中心具有支鏈的納米鋼棒-線團(tuán)液晶低聚物的合成及應(yīng)用

鋼棒分子屬于特殊的超分子，同時(shí)也能叫作剛度與柔性分節(jié)共聚物。剛性與柔性分節(jié)共聚物也有分節(jié)共聚物和剛性液晶分子的優(yōu)點(diǎn)。因此，人們首先用基于醋的低聚物合成鋼，并在鋼棒的中心分支端基低聚物，從棒的內(nèi)部包含支鏈酯基與尾部基線剛性柔性嵌段液晶低聚物。鋼筋內(nèi)部的分節(jié)結(jié)構(gòu)是由醋基和末端基團(tuán)組織的，安裝結(jié)構(gòu)影響更大，適用于生化和材料科學(xué)研究[2]。

2.3 微納米菲酞胺聚集體的可控合成及應(yīng)用

通過(guò)探索和不斷積累物質(zhì)分子，將其發(fā)展成獨(dú)特的分子固體聚集體結(jié)構(gòu)，然后研究其性質(zhì)的演化過(guò)程。微納米適用于分析材料科學(xué)、生態(tài)科學(xué)、分子量子學(xué)、通信科學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)以及其他學(xué)科等領(lǐng)域。

3 在紡織原料方面的應(yīng)用

3.1 抗菌纖維

與常規(guī)抗菌布相比，大多數(shù)具有特定殺菌性能的金屬離子（鈉、銀離子、納米銅離子等），與合成纖維復(fù)合紡絲能夠產(chǎn)生具有紡絲性的各種抗菌纖維，存在巨大的抗菌作用與較高的耐清潔性。例如一些普通的超細(xì)粉，能夠運(yùn)用最終工程內(nèi)部開(kāi)發(fā)的超細(xì)抗菌劑來(lái)制備抗菌劑，同時(shí)樹(shù)脂能夠抑制大多數(shù)細(xì)菌、真菌與霉菌。此類抗菌粉末的重點(diǎn)在于納米硫酸鋇、氧化鋅等。銀涂層的顆粒、氧化銅與硅酸鋅涂層多數(shù)可作為抗菌劑，然后在合成纖維里添加1%的此類抗菌粉末，可以產(chǎn)生高質(zhì)量的紡絲性的抗菌纖維。

3.2 抗紫外纖維

紫外線可以殺死細(xì)菌并促進(jìn)體內(nèi)維生素D的合成，盡管有效，但也會(huì)加速人類皮膚的衰老。各種波長(zhǎng)的紫外線對(duì)人體皮膚的影響如表1所示。

表1 不同波長(zhǎng)的紫外線對(duì)人體皮膚的影響

新型納米材料具有阻擋紫外線的作用。基本原理是由于其禁止的帶寬，例如TiO2、ZnO、SiO，后者在UVA和UV-B波段反射率升到8 500。現(xiàn)在，關(guān)鍵的抗紫外線功能性紗線纖維里有聚酯、人造絲、尼龍和黏膠纖維。

3.3 遠(yuǎn)紅外輻射纖維

根據(jù)高質(zhì)量的納米級(jí)陶瓷粉末來(lái)看，要（遠(yuǎn)程，如氧化鋯單晶）將紅外負(fù)氧離子陶瓷粉末放到熔融紡絲溶液里，然后紡成纖維。利用此類技術(shù)紡出的纖維能夠更好地吸收外部能量，同時(shí)還能產(chǎn)生和人體生物光譜一樣的遠(yuǎn)紅外線。此類遠(yuǎn)紅外輻射波，不僅能夠被人體接納，同時(shí)還能產(chǎn)生超大的穿透力，可以滲透到皮膚深處，并增大皮膚吸收的熱量，產(chǎn)生共振效應(yīng)，激活和促進(jìn)血液循環(huán)，增強(qiáng)新陳代謝，刺激組織再生。

3.4 抗靜電及導(dǎo)電功能纖維

此前，納米材料的進(jìn)步已經(jīng)空前絕后，特別是碳納米管的研究和應(yīng)用。碳納米管內(nèi)徑為1～3 nm，長(zhǎng)度取決于制備范圍，大概是1～100 nm。碳納米管有非常優(yōu)異的導(dǎo)電性，經(jīng)測(cè)試，其導(dǎo)電性甚至高于銅，可廣泛用于制備抗靜電功能纖維。

3.5 高強(qiáng)度、高模量纖維

納米材料本質(zhì)就包含很大的硬碳納米管，帶有特別的機(jī)械性能，同時(shí)可用作復(fù)合添加劑，應(yīng)用于航空航天纖維材料、汽車(chē)輪胎簾線、軍用服裝等紡織領(lǐng)域，用途廣泛。同時(shí)，納米黏土-聚合物復(fù)合材料還可顯著提高材料的強(qiáng)度和彈性，將納米黏土的這一特性與聚鄰苯二甲酰胺相結(jié)合，可以大大提高有序性和彈性。但是，纖維的紡絲性能尚不清楚。中國(guó)的黏土儲(chǔ)量最高，且價(jià)格便宜，可以用于紡織工業(yè)。

3.6 抗電磁波纖維

可以將納米級(jí)SiO2添加到合成纖維中。近年來(lái)，隨著家電行業(yè)的不斷發(fā)展，移動(dòng)電話、電視、計(jì)算機(jī)、微波爐等的使用越來(lái)越普遍，并且所有電氣設(shè)備中都存在電磁場(chǎng)[3]。在環(huán)境中，電磁波不僅會(huì)影響人的心臟和神經(jīng)，還會(huì)影響孕婦和胎兒。

3.7 仿生纖維

生物學(xué)和仿生學(xué)領(lǐng)域的微米級(jí)結(jié)構(gòu)（例如細(xì)胞和染色體）范圍與納米生物技術(shù)的研究和使用取得了許多成就。蜘蛛絲是自然界的，已為人類所熟知，是科學(xué)家使用的最堅(jiān)韌、最有彈性的纖維之一。將這個(gè)基因移植到細(xì)菌中并進(jìn)行培養(yǎng)，開(kāi)發(fā)出可以產(chǎn)生蜘蛛絲蛋白的細(xì)菌，包括此基礎(chǔ)細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，類似于蜘蛛絲中的蛋白質(zhì)，屬于高度靈活的離子。

4 在紡織漿料中的應(yīng)用

“納米糊劑”是一種無(wú)機(jī)填料，以英寸的形態(tài)分散在有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合漿料中分散成至少一維的尺寸，并小于100 nm。因此，納米糊劑具有常規(guī)糊劑所不具有的性能。納米糊劑的界定有兩個(gè)主要依據(jù)：在納米范圍內(nèi)有一個(gè)界面；材料必須有質(zhì)的變化。

蒙脫土屬于納米漿料里納米無(wú)機(jī)相的原料，也叫作膨潤(rùn)土，屬于特殊的層狀天然黏土材料。模制硅酸鹽的結(jié)構(gòu)薄片為納米級(jí)，包含鋁氧八面體亞層，這些亞層共有氧原子結(jié)構(gòu)的總厚度約為1。其中，納米的長(zhǎng)度和寬度約為100 nm。因?yàn)檠趸X八面體有一些鋁原子已被低價(jià)原子取代，且薄片帶負(fù)電。有機(jī)蒙脫石是通過(guò)交換反應(yīng)產(chǎn)生的，具有剝離至納米級(jí)并均勻分散在漿料中的結(jié)構(gòu)。因此，這種漿料是“納米漿料”。

5 在后整理技術(shù)方面的應(yīng)用

5.1 納米助劑

納米助劑用于天然纖維，例如棉、羊毛、絲綢和亞麻，特別對(duì)于棉纖維來(lái)說(shuō)，將納米材料用于功能處理是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。抗紫外線性能具有無(wú)法顯現(xiàn)的固有缺陷。例如納米氧化鋅有優(yōu)異的抗菌和除臭功能，納米氧化鋅粉成為功能性添加劑，用于天然纖維的抗菌整理，可獲得高性能的抗菌織物。含納米添加劑的織物填料主要用于襯衫、T恤、帽子和男女休閑裝。

5.2 納米涂層

目前，添加到紡織涂料中的最細(xì)顆粒為微米級(jí)、陶瓷粉末等（顆粒細(xì)度為100～1 000 nm，內(nèi)部），將納米材料添加到織物整理劑中，與織物結(jié)合，可以制成具有多種功能的紡織品。堆積在聚酯織物的表面上，形成薄的納米結(jié)構(gòu)金屬。另外，對(duì)抗菌性能有很高的要求，高紡織品和涂層飾面也可以用于制造納米材料[4]，廣泛適用于織物表面的柔軟功能涂層，制成品可用于各種纖維中，具有均勻的抗菌性能且經(jīng)久耐用。

5.3 納米接枝

接枝技術(shù)主要用于整理天然纖維，優(yōu)點(diǎn)是紡織品具有永久性功能，有兩種通過(guò)移植將納米材料“植入”棉纖維中的技術(shù)。

5.3.1 整理能力強(qiáng)的納米材料

將化合物接枝到棉纖維上，創(chuàng)建簡(jiǎn)單的有機(jī)分子模板。接下來(lái)，在棉纖維上組裝納米簇。

5.3.2 制備納米粒子時(shí)，使用可以移植到纖維中的化學(xué)物質(zhì)

作為捕獲劑，納米粒子可以由捕獲劑修飾表面以形成簇，然后將簇嫁接到棉纖維上。接枝技術(shù)可以分為化學(xué)方法和物理方法。物理接枝主要使用低溫等離子體技術(shù)。

5.4 納米染色

一部分合成纖維因?yàn)椴荒苋旧詈笾荒茏龇b襯里。聚丙烯與聚乙烯醇纖維等物質(zhì)的應(yīng)用范圍較廣，屬于聚乙烯纖維。有些纖維需要用載體染色，這對(duì)環(huán)境造成了極大的污染。

6 結(jié)語(yǔ)

納米材料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用以及功能生產(chǎn)的技術(shù)含量和附加值增加了天然纖維的使用性能，對(duì)擴(kuò)大應(yīng)用范圍并提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力非常重要。