纳米纤维素在纺织材料中的运用

2024-03-27孙铖皓

纺织报告 2024年2期

孙铖皓

（苏州大学，江苏苏州 215031）

纺织材料一直以来都在追求更高的性能和功能性。随着纳米技术的快速发展，纳米材料成为改善纺织品性能和创新纺织应用的热门研究领域，其中一种备受关注的纳米材料就是纳米纤维素。纳米纤维素是从木质纤维等天然纤维素源中提取的纳米级颗粒，具有优异的力学性能、生物可降解性和环境友好性。因此，将纳米纤维素应用于纺织材料中成为一种引人注目的方法，通过调节纤维素的结构和掺入添加剂可以改善纺织品的强度、耐磨性、吸湿透气性等特性，并赋予纺织品更多功能性。

1 纳米纤维素的定义及特性

纤维素是一种在自然界广泛存在的多糖聚合物，主要由葡萄糖分子组成。纳米纤维素是由纤维素纳米晶体通过特定的加工方法制成的纤维素材料。不同纳米纤维素材料有不同的制备方法与特征尺寸，具体内容如表1所示。

表1 纳米纤维素材料分类

纳米纤维素有以下特点：

（1）纳米级尺寸。纳米纤维素的直径通常在几十到几百纳米之间，与传统的纤维素材料相比尺寸较小。因此，纳米纤维素能展现一些传统纤维素不具备的独特性能。

（2）比表面积巨大。纳米纤维素拥有巨大的比表面积，这是由于其具有纳米级尺寸和高度丰富的孔隙结构。因此，纳米纤维素能提供更多活性位点，增加与其他物质接触的机会。

（3）力学性能强大。虽然纳米纤维素的直径非常小，但其具备出色的力学性能。纳米纤维素具有高拉伸强度和模量，在纺织材料中作为增强剂能显著提升材料的力学性能。

（4）生物可降解性。纳米纤维素是一种天然材料，具有良好的生物可降解性。这意味着纳米纤维素可以在自然环境中迅速分解并被生物体吸收，减少对环境的负面影响，并为可持续发展的纺织材料提供新的选择。

（5）多功能性。纳米纤维素可以通过化学修饰和功能化处理获得多种特殊性能。例如，纳米纤维素可以用于制备抗菌纺织品、湿敷性材料和阻燃材料等，拓展纺织材料的应用领域[1]。

2 纳米纤维素制备方法

2.1 高压纤维素法

高压纤维素法是一种常用的纳米纤维素制备方法。该方法利用高压反应器中的水解作用，将纤维素原料与酸性或碱性溶液反应，从而分解和溶解纤维素，形成纤维素纳米颗粒悬浮液。在具体操作中，先将纤维素原料加入高压反应器中，然后加入适量酸性或碱性溶液，并通过调节温度和压力控制反应条件。在高压和高温条件下，纤维素被水解成纳米尺寸的纤维素颗粒，最后通过离心、过滤、洗涤等步骤，将纳米纤维素颗粒从反应体系中分离出来。高压纤维素法制备纳米纤维素具有多个优点：第一，可以获得尺寸均一、纯度较高的纳米纤维素颗粒；第二，反应时间相对较短，工艺可控性好；第三，反应条件可根据需要进行调节，以获得所需纤维素颗粒性质；第四，该方法适用于大规模生产，可实现工业化应用。然而，高压纤维素法也存在一些缺点，如操作复杂、能耗较高等。因此，在实际应用中，需要综合考虑纳米纤维素的质量要求、成本和环境因素，选择最合适的制备方法。

2.2 氧化法

氧化法利用氧化亚氮（NOx）气体对纤维素进行氧化处理，使其分子结构发生变化，从而获得纳米级别的纤维素颗粒，具体操作是使纤维素原料与NOx气体在适当的温度和压力条件下进行反应。与其他制备方法相比，氧化法具有一些优势，如简单易行、可扩展性强以及对纤维素结构的影响较小。此外，该方法还可以通过调节反应条件和气氛组成控制纤维素颗粒的形貌和尺寸，以满足不同应用需求。当前，氧化法的研究仍在不断发展中，需要进一步探索最佳条件和提高产率，以实现其在纳米纤维素制备中更广泛的应用[2]。

2.3 酸水解法

酸水解法是一种常用的纳米纤维素制备方法。该方法通过纤维素与酸性溶液的反应使纤维素分子链发生断裂并形成纳米尺寸的纤维素颗粒，具体包括以下3个步骤。首先，选择适当的酸性溶液，常用的有硫酸、盐酸等。其次，将纤维素加入酸性溶液中，并在适当的温度和时间条件下反应。酸性环境会引起纤维素的酸水解，导致纤维素链断裂，形成纳米尺寸的纤维素颗粒悬浮液。最后，通过离心、洗涤和干燥等步骤，得到纳米纤维素产品。酸水解法具有制备简单、成本较低等优点，可以在实验室和工业生产中广泛应用。此外，该方法还可以通过调节反应条件和溶液浓度控制纳米纤维素的粒径和形态，以满足不同应用需求。然而，酸性条件可能对纤维素的结构和性能产生一定的影响，因此，在使用酸水解法制备纳米纤维素时，需要对得到的产品进行表征和评估，以确保其在纺织材料中的应用性能。在应用酸水解法的过程中，需要根据不同纤维材料确定其尺寸范围，具体内容如表2所示。

表2 不同纤维材料的纳米纤维素尺寸范围

3 纳米纤维素在纺织材料中的具体应用

3.1 上浆浆料

上浆是一种常用的纺织前处理方法，可以改善纺织品的质地、手感和性能。传统上浆剂通常采用化学合成物质，但这些化学合成物质可能对环境产生负面影响。纳米纤维素作为一种天然材料，具有绿色、可再生和生物降解等特点。纳米纤维素作为上浆浆料的应用主要体现在以下3个方面：（1）提高纺织品的机械性能。纳米纤维素可以增加纺织品的强度、韧性和耐磨性。将纳米纤维素作为上浆浆料添加到纺织品中，可以有效增强纤维基质的力学性能，使纺织品更加耐用和抗拉伸变形。（2）改善纺织品的吸湿性和透气性。纳米纤维素具有大量纳米孔隙结构，可以增加纺织品的表面积和多孔性，提高其吸湿性和透气性。在上浆过程中添加纳米纤维素可以使纺织品具有良好的湿润性能，提高使用舒适度。（3）实现功能性纺织品的应用。纳米纤维素可以与抗菌剂、防紫外线剂等其他功能性材料相结合，制备功能性纺织品。在上浆浆料中添加适量纳米纤维素可以赋予纺织品多种功能，如抗菌、防晒、防静电等[3]。

3.2 印花墨水

纳米纤维素在印花墨水中的应用已成为一个引人注目的研究方向。纳米纤维素是由纳米级纤维素颗粒组成的材料，具有大比表面积、可调控的孔隙结构和优异的力学性能。这些特性使纳米纤维素成为一种理想的添加剂，可用于改善印花墨水的性能和功能。

首先，纳米纤维素可以作为稳定剂和流变剂增强印花墨水的稳定性。将纳米纤维素分散到墨水中可以有效地抑制颗粒沉降和聚集现象，确保墨水分布的均匀性和流动性能。这有助于提高墨水的印刷质量、降低废品率。

其次，纳米纤维素能赋予印花墨水良好的吸附性能。由于纳米纤维素具有大量微观孔隙和大比表面积，能提供更多接触面积吸附和固定颜料颗粒。这样可以增强墨水与纺织物之间的结合力，使印花图案更加清晰、持久并且具有较好的耐洗性能。

最后，纳米纤维素可以用作功能性添加剂，赋予印花墨水其他特殊功能。例如，将具有抗菌性能的纳米纤维素引入墨水中，可以使印刷的纺织品具有抗菌功能；将具有超疏水性的纳米纤维素应用于墨水中，可以制备具有防水效果的印花纺织品。

总之，纳米纤维素在印花墨水中的应用为纺织品印花提供了新的可能性。通过调控纳米纤维素的特性和添加量，可以实现对墨水性能和功能的精确控制，从而满足不同印花需求。随着研究的深入，纳米纤维素在印花领域的应用前景将更加广阔。

3.3 整理剂

首先，纳米纤维素可以用作纺织品涂层剂或添加剂，以改善纺织品的性能和功能。纳米纤维素具有优异的机械强度和柔软性，可以提高纺织品的抗拉强度、耐磨性和撕裂强度，延长纺织品的使用寿命。此外，纳米纤维素还能调节纺织品的吸湿性和透气性，提供舒适的使用体验。其次，纳米纤维素在纺织品整理剂中的应用可以改善纺织品的抗菌性能。纳米纤维素具有天然抗菌特性，可以有效抑制细菌和真菌的生长，减少纺织品上的异味和污渍。这使纳米纤维素在医疗纺织品和运动服装等领域具有广泛的应用前景。最后，纳米纤维素还可以调整纺织品的光学特性。在纺织品表面涂覆纳米纤维素薄膜或将纳米纤维素添加到染料中，可以改变纺织品的色彩，实现紫外线防护和光学效果增强等功能。需要强调的是，纳米纤维素在纺织材料整理剂中的应用仍处于不断探索和发展的阶段。未来的研究方向包括优化制备方法、深入了解纳米纤维素与纺织品之间的相互作用机制，并进一步开发出更多功能性纺织品[4]。

3.4 生物传感纺织材料

纳米纤维素在纺织材料生物传感领域的应用具有广阔前景。将纳米纤维素与传感技术相结合可以赋予纺织材料生物传感功能，实现对生物信息的监测和检测。首先，纳米纤维素的大比表面积和多孔结构使其成为理想的载体材料。利用纳米纤维素制备的纺织材料可以在表面或内部嵌入生物传感元件，如酶、抗体、DNA探针等，用于特定生物分子的识别和捕捉。这些传感元件可以与目标生物分子发生选择性相互作用，并通过电化学、光学或其他信号转换机制将生物信息转化为可测量的信号。其次，纳米纤维素的柔软性和透气性使其成为与皮肤接触的理想材料，因此，在医疗和健康监测领域得到了广泛应用。将纳米纤维素生物传感材料集成到纺织品中，可以实现无创的生理参数监测，如心率、呼吸率、体温等。这种纳米纤维素生物传感纺织材料的灵活性和舒适性使患者或用户可以长时间佩戴，从而实现对身体健康状况的实时监测和预警。最后，纳米纤维素生物传感纺织材料还具有可持续发展的优势。纳米纤维素作为一种天然生物基材料，具有良好的生物相容性和可降解性，可以在使用后进行环境友好处理。这种可持续的特性使纳米纤维素生物传感纺织材料在医疗、环境监测和食品安全等领域具有广阔的应用前景[5]。

3.5 织物复合膜

纳米纤维素在纺织材料中的一个重要应用是制备织物复合膜。织物复合膜是在纺织品表面添加纳米纤维素材料改善纺织品的性能和功能。首先，纳米纤维素可以作为一种有效的增强材料，与纤维基质相结合可以形成具有更高强度和耐久性的复合膜。这种纳米纤维素增强的复合膜可以提供优异的机械性能，使纺织品具有更好的抗拉、抗磨损和抗撕裂等能力，从而延长其使用寿命。其次，纳米纤维素可以赋予纺织品附加的功能性。例如，添加纳米纤维素可以显著提高纺织品的防水性能，使其具备优异的防水透气性。最后，纳米纤维素具有良好的吸湿性和调湿性能，可以帮助纺织品快速吸收和释放湿气，提升使用舒适度。