納米纖維素在紡織材料中的運(yùn)用

孫鋮皓

（蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215031）

紡織材料一直以來(lái)都在追求更高的性能和功能性。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米材料成為改善紡織品性能和創(chuàng)新紡織應(yīng)用的熱門研究領(lǐng)域，其中一種備受關(guān)注的納米材料就是納米纖維素。納米纖維素是從木質(zhì)纖維等天然纖維素源中提取的納米級(jí)顆粒，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、生物可降解性和環(huán)境友好性。因此，將納米纖維素應(yīng)用于紡織材料中成為一種引人注目的方法，通過調(diào)節(jié)纖維素的結(jié)構(gòu)和摻入添加劑可以改善紡織品的強(qiáng)度、耐磨性、吸濕透氣性等特性，并賦予紡織品更多功能性。

1 納米纖維素的定義及特性

纖維素是一種在自然界廣泛存在的多糖聚合物，主要由葡萄糖分子組成。納米纖維素是由纖維素納米晶體通過特定的加工方法制成的纖維素材料。不同納米纖維素材料有不同的制備方法與特征尺寸，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 納米纖維素材料分類

納米纖維素有以下特點(diǎn)：

（1）納米級(jí)尺寸。納米纖維素的直徑通常在幾十到幾百納米之間，與傳統(tǒng)的纖維素材料相比尺寸較小。因此，納米纖維素能展現(xiàn)一些傳統(tǒng)纖維素不具備的獨(dú)特性能。

（2）比表面積巨大。納米纖維素?fù)碛芯薮蟮谋缺砻娣e，這是由于其具有納米級(jí)尺寸和高度豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。因此，納米纖維素能提供更多活性位點(diǎn)，增加與其他物質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)。

（3）力學(xué)性能強(qiáng)大。雖然納米纖維素的直徑非常小，但其具備出色的力學(xué)性能。納米纖維素具有高拉伸強(qiáng)度和模量，在紡織材料中作為增強(qiáng)劑能顯著提升材料的力學(xué)性能。

（4）生物可降解性。納米纖維素是一種天然材料，具有良好的生物可降解性。這意味著納米纖維素可以在自然環(huán)境中迅速分解并被生物體吸收，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并為可持續(xù)發(fā)展的紡織材料提供新的選擇。

（5）多功能性。納米纖維素可以通過化學(xué)修飾和功能化處理獲得多種特殊性能。例如，納米纖維素可以用于制備抗菌紡織品、濕敷性材料和阻燃材料等，拓展紡織材料的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

2 納米纖維素制備方法

2.1 高壓纖維素法

高壓纖維素法是一種常用的納米纖維素制備方法。該方法利用高壓反應(yīng)器中的水解作用，將纖維素原料與酸性或堿性溶液反應(yīng)，從而分解和溶解纖維素，形成纖維素納米顆粒懸浮液。在具體操作中，先將纖維素原料加入高壓反應(yīng)器中，然后加入適量酸性或堿性溶液，并通過調(diào)節(jié)溫度和壓力控制反應(yīng)條件。在高壓和高溫條件下，纖維素被水解成納米尺寸的纖維素顆粒，最后通過離心、過濾、洗滌等步驟，將納米纖維素顆粒從反應(yīng)體系中分離出來(lái)。高壓纖維素法制備納米纖維素具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，可以獲得尺寸均一、純度較高的納米纖維素顆粒；第二，反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短，工藝可控性好；第三，反應(yīng)條件可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得所需纖維素顆粒性質(zhì)；第四，該方法適用于大規(guī)模生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。然而，高壓纖維素法也存在一些缺點(diǎn)，如操作復(fù)雜、能耗較高等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮納米纖維素的質(zhì)量要求、成本和環(huán)境因素，選擇最合適的制備方法。

2.2 氧化法

氧化法利用氧化亞氮（NOx）氣體對(duì)纖維素進(jìn)行氧化處理，使其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得納米級(jí)別的纖維素顆粒，具體操作是使纖維素原料與NOx氣體在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下進(jìn)行反應(yīng)。與其他制備方法相比，氧化法具有一些優(yōu)勢(shì)，如簡(jiǎn)單易行、可擴(kuò)展性強(qiáng)以及對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)的影響較小。此外，該方法還可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和氣氛組成控制纖維素顆粒的形貌和尺寸，以滿足不同應(yīng)用需求。當(dāng)前，氧化法的研究仍在不斷發(fā)展中，需要進(jìn)一步探索最佳條件和提高產(chǎn)率，以實(shí)現(xiàn)其在納米纖維素制備中更廣泛的應(yīng)用[2]。

2.3 酸水解法

酸水解法是一種常用的納米纖維素制備方法。該方法通過纖維素與酸性溶液的反應(yīng)使纖維素分子鏈發(fā)生斷裂并形成納米尺寸的纖維素顆粒，具體包括以下3個(gè)步驟。首先，選擇適當(dāng)?shù)乃嵝匀芤?，常用的有硫酸、鹽酸等。其次，將纖維素加入酸性溶液中，并在適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r(shí)間條件下反應(yīng)。酸性環(huán)境會(huì)引起纖維素的酸水解，導(dǎo)致纖維素鏈斷裂，形成納米尺寸的纖維素顆粒懸浮液。最后，通過離心、洗滌和干燥等步驟，得到納米纖維素產(chǎn)品。酸水解法具有制備簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可以在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。此外，該方法還可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和溶液濃度控制納米纖維素的粒徑和形態(tài)，以滿足不同應(yīng)用需求。然而，酸性條件可能對(duì)纖維素的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生一定的影響，因此，在使用酸水解法制備納米纖維素時(shí)，需要對(duì)得到的產(chǎn)品進(jìn)行表征和評(píng)估，以確保其在紡織材料中的應(yīng)用性能。在應(yīng)用酸水解法的過程中，需要根據(jù)不同纖維材料確定其尺寸范圍，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 不同纖維材料的納米纖維素尺寸范圍

3 納米纖維素在紡織材料中的具體應(yīng)用

3.1 上漿漿料

上漿是一種常用的紡織前處理方法，可以改善紡織品的質(zhì)地、手感和性能。傳統(tǒng)上漿劑通常采用化學(xué)合成物質(zhì)，但這些化學(xué)合成物質(zhì)可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。納米纖維素作為一種天然材料，具有綠色、可再生和生物降解等特點(diǎn)。納米纖維素作為上漿漿料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）提高紡織品的機(jī)械性能。納米纖維素可以增加紡織品的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。將納米纖維素作為上漿漿料添加到紡織品中，可以有效增強(qiáng)纖維基質(zhì)的力學(xué)性能，使紡織品更加耐用和抗拉伸變形。（2）改善紡織品的吸濕性和透氣性。納米纖維素具有大量納米孔隙結(jié)構(gòu)，可以增加紡織品的表面積和多孔性，提高其吸濕性和透氣性。在上漿過程中添加納米纖維素可以使紡織品具有良好的濕潤(rùn)性能，提高使用舒適度。（3）實(shí)現(xiàn)功能性紡織品的應(yīng)用。納米纖維素可以與抗菌劑、防紫外線劑等其他功能性材料相結(jié)合，制備功能性紡織品。在上漿漿料中添加適量納米纖維素可以賦予紡織品多種功能，如抗菌、防曬、防靜電等[3]。

3.2 印花墨水

納米纖維素在印花墨水中的應(yīng)用已成為一個(gè)引人注目的研究方向。納米纖維素是由納米級(jí)纖維素顆粒組成的材料，具有大比表面積、可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能。這些特性使納米纖維素成為一種理想的添加劑，可用于改善印花墨水的性能和功能。

首先，納米纖維素可以作為穩(wěn)定劑和流變劑增強(qiáng)印花墨水的穩(wěn)定性。將納米纖維素分散到墨水中可以有效地抑制顆粒沉降和聚集現(xiàn)象，確保墨水分布的均勻性和流動(dòng)性能。這有助于提高墨水的印刷質(zhì)量、降低廢品率。

其次，納米纖維素能賦予印花墨水良好的吸附性能。由于納米纖維素具有大量微觀孔隙和大比表面積，能提供更多接觸面積吸附和固定顏料顆粒。這樣可以增強(qiáng)墨水與紡織物之間的結(jié)合力，使印花圖案更加清晰、持久并且具有較好的耐洗性能。

最后，納米纖維素可以用作功能性添加劑，賦予印花墨水其他特殊功能。例如，將具有抗菌性能的納米纖維素引入墨水中，可以使印刷的紡織品具有抗菌功能；將具有超疏水性的納米纖維素應(yīng)用于墨水中，可以制備具有防水效果的印花紡織品。

總之，納米纖維素在印花墨水中的應(yīng)用為紡織品印花提供了新的可能性。通過調(diào)控納米纖維素的特性和添加量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)墨水性能和功能的精確控制，從而滿足不同印花需求。隨著研究的深入，納米纖維素在印花領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。

3.3 整理劑

首先，納米纖維素可以用作紡織品涂層劑或添加劑，以改善紡織品的性能和功能。納米纖維素具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和柔軟性，可以提高紡織品的抗拉強(qiáng)度、耐磨性和撕裂強(qiáng)度，延長(zhǎng)紡織品的使用壽命。此外，納米纖維素還能調(diào)節(jié)紡織品的吸濕性和透氣性，提供舒適的使用體驗(yàn)。其次，納米纖維素在紡織品整理劑中的應(yīng)用可以改善紡織品的抗菌性能。納米纖維素具有天然抗菌特性，可以有效抑制細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)，減少紡織品上的異味和污漬。這使納米纖維素在醫(yī)療紡織品和運(yùn)動(dòng)服裝等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。最后，納米纖維素還可以調(diào)整紡織品的光學(xué)特性。在紡織品表面涂覆納米纖維素薄膜或?qū)⒓{米纖維素添加到染料中，可以改變紡織品的色彩，實(shí)現(xiàn)紫外線防護(hù)和光學(xué)效果增強(qiáng)等功能。需要強(qiáng)調(diào)的是，納米纖維素在紡織材料整理劑中的應(yīng)用仍處于不斷探索和發(fā)展的階段。未來(lái)的研究方向包括優(yōu)化制備方法、深入了解納米纖維素與紡織品之間的相互作用機(jī)制，并進(jìn)一步開發(fā)出更多功能性紡織品[4]。

3.4 生物傳感紡織材料

納米纖維素在紡織材料生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊前景。將納米纖維素與傳感技術(shù)相結(jié)合可以賦予紡織材料生物傳感功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物信息的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。首先，納米纖維素的大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)使其成為理想的載體材料。利用納米纖維素制備的紡織材料可以在表面或內(nèi)部嵌入生物傳感元件，如酶、抗體、DNA探針等，用于特定生物分子的識(shí)別和捕捉。這些傳感元件可以與目標(biāo)生物分子發(fā)生選擇性相互作用，并通過電化學(xué)、光學(xué)或其他信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制將生物信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的信號(hào)。其次，納米纖維素的柔軟性和透氣性使其成為與皮膚接觸的理想材料，因此，在醫(yī)療和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。將納米纖維素生物傳感材料集成到紡織品中，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)，如心率、呼吸率、體溫等。這種納米纖維素生物傳感紡織材料的靈活性和舒適性使患者或用戶可以長(zhǎng)時(shí)間佩戴，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)身體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。最后，納米纖維素生物傳感紡織材料還具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。納米纖維素作為一種天然生物基材料，具有良好的生物相容性和可降解性，可以在使用后進(jìn)行環(huán)境友好處理。這種可持續(xù)的特性使納米纖維素生物傳感紡織材料在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

3.5 織物復(fù)合膜

納米纖維素在紡織材料中的一個(gè)重要應(yīng)用是制備織物復(fù)合膜?？椢飶?fù)合膜是在紡織品表面添加納米纖維素材料改善紡織品的性能和功能。首先，納米纖維素可以作為一種有效的增強(qiáng)材料，與纖維基質(zhì)相結(jié)合可以形成具有更高強(qiáng)度和耐久性的復(fù)合膜。這種納米纖維素增強(qiáng)的復(fù)合膜可以提供優(yōu)異的機(jī)械性能，使紡織品具有更好的抗拉、抗磨損和抗撕裂等能力，從而延長(zhǎng)其使用壽命。其次，納米纖維素可以賦予紡織品附加的功能性。例如，添加納米纖維素可以顯著提高紡織品的防水性能，使其具備優(yōu)異的防水透氣性。最后，納米纖維素具有良好的吸濕性和調(diào)濕性能，可以幫助紡織品快速吸收和釋放濕氣，提升使用舒適度。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，納米纖維素在紡織材料中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米纖維素的應(yīng)用逐漸提高了紡織材料的力學(xué)性能，同時(shí)進(jìn)一步賦予材料功能性，提高了紡織產(chǎn)品的附加值。因此，需要進(jìn)一步提高技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用水平，以增強(qiáng)劑為基礎(chǔ)，改善紡織材料的性能，提高材料發(fā)展的可持續(xù)性，最終達(dá)到真正的綠色環(huán)保效果。