新型纳米材料的合成及在纺织领域的应用

2020-03-08高强

纺织报告 2020年12期

高强

（长治学院，山西长治 046011）

随着胶体化学的发展，知名科学家已开始研究直径为1～100 nm的颗粒基材料。对纳米颗粒真正有意义的研究始于1930年日本的“烟雾测试”，是出于军事需要而进行的世界上第一个超批次。但受到和平条件的限制，只研究了微铅粉，光吸收性能极其不稳定。直到1960年，人们对于粉末纳米颗粒的研究才刚刚开始。Ulcitcr于1988年在德国大学任教，并成功制备了纯纳米粉。从1980年开始，纳米技术的研究在世界范围内激增。近年来，通过对纳米材料的不断深入研究，已经成为一个新的和流行的前沿学科：纳米材料科学。

1 纳米材料的特性

纳米是长度的单位，1 nm相当于10-9m。纳米材料是一种新型的超细固体材料，由纳米粒子组成。纳米技术是纳米级的，工程长度在0.1～100.0 nm。尺寸为1～100 nm的粒子称为纳米，是用微小数量的原子或分子融合的原子粒子。宏观材料和微观原子、分子之间的基团或分子基团范围属于特定的且分别连接，占很大的比例。在这个粒子中，表面原子是无定形的，没有长或短的台阶，并且在粒子内部，结晶的周期性排列原子必须特质完全，它的结构和晶体样品的大部分结构一定要合理。量子通透效应及其后果与光学、力学、热、磁、化学和催化剂的传统材料相同，具有独特的功能和特性。例如化学活性和生物活性，得到了国内外科学家的高度评价。

2 新型纳米材料的合成及应用

2.1 利用表面反应制备长程有序二维聚合物及应用

二维聚合物在一维中仅指一个原子层厚度以及在其他两个维度中无限期拉伸的聚合物成分。尽管是一种物质，但不包含多个分子层，而是单独存在。

当前，最典型且几乎唯一的二维化合物是石墨烯，通过改变结构单元的形状所准备的重复周期为2.2～3.7 nm，孔径为1.7～3.7 nm，就是整体依赖于位移的可调二维聚合物。此后，这些物质在利用官能团引入分子结构单元的同时产生二维位移基，处理了聚合物功能化以及迭代周期不变的问题。此类用于密度函数计算的聚合物具有二维共轭结构，分子轨道是离域的[1]。因此，这种类型的聚合物二维有机半导体及其能带结构的分子系统的变化可以很容易地调节纳米化学、纳米模板和纳米反应器。

2.2 钢棒中心具有支链的纳米钢棒-线团液晶低聚物的合成及应用

钢棒分子属于特殊的超分子，同时也能叫作刚度与柔性分节共聚物。刚性与柔性分节共聚物也有分节共聚物和刚性液晶分子的优点。因此，人们首先用基于醋的低聚物合成钢，并在钢棒的中心分支端基低聚物，从棒的内部包含支链酯基与尾部基线刚性柔性嵌段液晶低聚物。钢筋内部的分节结构是由醋基和末端基团组织的，安装结构影响更大，适用于生化和材料科学研究[2]。

2.3 微纳米菲酞胺聚集体的可控合成及应用

通过探索和不断积累物质分子，将其发展成独特的分子固体聚集体结构，然后研究其性质的演化过程。微纳米适用于分析材料科学、生态科学、分子量子学、通信科学和医学科学以及其他学科等领域。

3 在纺织原料方面的应用

3.1 抗菌纤维

与常规抗菌布相比，大多数具有特定杀菌性能的金属离子（钠、银离子、纳米铜离子等），与合成纤维复合纺丝能够产生具有纺丝性的各种抗菌纤维，存在巨大的抗菌作用与较高的耐清洁性。例如一些普通的超细粉，能够运用最终工程内部开发的超细抗菌剂来制备抗菌剂，同时树脂能够抑制大多数细菌、真菌与霉菌。此类抗菌粉末的重点在于纳米硫酸钡、氧化锌等。银涂层的颗粒、氧化铜与硅酸锌涂层多数可作为抗菌剂，然后在合成纤维里添加1%的此类抗菌粉末，可以产生高质量的纺丝性的抗菌纤维。

3.2 抗紫外纤维

紫外线可以杀死细菌并促进体内维生素D的合成，尽管有效，但也会加速人类皮肤的衰老。各种波长的紫外线对人体皮肤的影响如表1所示。

表1 不同波长的紫外线对人体皮肤的影响

新型纳米材料具有阻挡紫外线的作用。基本原理是由于其禁止的带宽，例如TiO2、ZnO、SiO，后者在UVA和UV-B波段反射率升到8 500。现在，关键的抗紫外线功能性纱线纤维里有聚酯、人造丝、尼龙和黏胶纤维。

3.3 远红外辐射纤维

根据高质量的纳米级陶瓷粉末来看，要（远程，如氧化锆单晶）将红外负氧离子陶瓷粉末放到熔融纺丝溶液里，然后纺成纤维。利用此类技术纺出的纤维能够更好地吸收外部能量，同时还能产生和人体生物光谱一样的远红外线。此类远红外辐射波，不仅能够被人体接纳，同时还能产生超大的穿透力，可以渗透到皮肤深处，并增大皮肤吸收的热量，产生共振效应，激活和促进血液循环，增强新陈代谢，刺激组织再生。

3.4 抗静电及导电功能纤维

此前，纳米材料的进步已经空前绝后，特别是碳纳米管的研究和应用。碳纳米管内径为1～3 nm，长度取决于制备范围，大概是1～100 nm。碳纳米管有非常优异的导电性，经测试，其导电性甚至高于铜，可广泛用于制备抗静电功能纤维。

3.5 高强度、高模量纤维

纳米材料本质就包含很大的硬碳纳米管，带有特别的机械性能，同时可用作复合添加剂，应用于航空航天纤维材料、汽车轮胎帘线、军用服装等纺织领域，用途广泛。同时，纳米黏土-聚合物复合材料还可显著提高材料的强度和弹性，将纳米黏土的这一特性与聚邻苯二甲酰胺相结合，可以大大提高有序性和弹性。但是，纤维的纺丝性能尚不清楚。中国的黏土储量最高，且价格便宜，可以用于纺织工业。

3.6 抗电磁波纤维

可以将纳米级SiO2添加到合成纤维中。近年来，随着家电行业的不断发展，移动电话、电视、计算机、微波炉等的使用越来越普遍，并且所有电气设备中都存在电磁场[3]。在环境中，电磁波不仅会影响人的心脏和神经，还会影响孕妇和胎儿。

3.7 仿生纤维

生物学和仿生学领域的微米级结构（例如细胞和染色体）范围与纳米生物技术的研究和使用取得了许多成就。蜘蛛丝是自然界的，已为人类所熟知，是科学家使用的最坚韧、最有弹性的纤维之一。将这个基因移植到细菌中并进行培养，开发出可以产生蜘蛛丝蛋白的细菌，包括此基础细菌产生的蛋白质，类似于蜘蛛丝中的蛋白质，属于高度灵活的离子。

4 在纺织浆料中的应用

“纳米糊剂”是一种无机填料，以英寸的形态分散在有机/无机纳米复合浆料中分散成至少一维的尺寸，并小于100 nm。因此，纳米糊剂具有常规糊剂所不具有的性能。纳米糊剂的界定有两个主要依据：在纳米范围内有一个界面；材料必须有质的变化。

蒙脱土属于纳米浆料里纳米无机相的原料，也叫作膨润土，属于特殊的层状天然黏土材料。模制硅酸盐的结构薄片为纳米级，包含铝氧八面体亚层，这些亚层共有氧原子结构的总厚度约为1。其中，纳米的长度和宽度约为100 nm。因为氧化铝八面体有一些铝原子已被低价原子取代，且薄片带负电。有机蒙脱石是通过交换反应产生的，具有剥离至纳米级并均匀分散在浆料中的结构。因此，这种浆料是“纳米浆料”。

5 在后整理技术方面的应用

5.1 纳米助剂

纳米助剂用于天然纤维，例如棉、羊毛、丝绸和亚麻，特别对于棉纤维来说，将纳米材料用于功能处理是一个持续的过程。抗紫外线性能具有无法显现的固有缺陷。例如纳米氧化锌有优异的抗菌和除臭功能，纳米氧化锌粉成为功能性添加剂，用于天然纤维的抗菌整理，可获得高性能的抗菌织物。含纳米添加剂的织物填料主要用于衬衫、T恤、帽子和男女休闲装。

5.2 纳米涂层

目前，添加到纺织涂料中的最细颗粒为微米级、陶瓷粉末等（颗粒细度为100～1 000 nm，内部），将纳米材料添加到织物整理剂中，与织物结合，可以制成具有多种功能的纺织品。堆积在聚酯织物的表面上，形成薄的纳米结构金属。另外，对抗菌性能有很高的要求，高纺织品和涂层饰面也可以用于制造纳米材料[4]，广泛适用于织物表面的柔软功能涂层，制成品可用于各种纤维中，具有均匀的抗菌性能且经久耐用。