纳米技术作为一门新崛起的高新科技,一出现便得到了科学界的极大重视。它被公认为是本世纪最有发展前途的高新技术。现在,世界主要发达国家已经把科研集中在纳米材料的开发和应用上。纳米材料及技术已广泛应用于电子、化工及轻纺等领域。我国纳米材料的应用领域以纺织、塑料、建材为主,其中纺织领域占有20%,纺织行业主要将纳米材料用于对功能性纺织品的开发上。

1.纳米材料的介绍

纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平,粒径一般在1nm~100nm(10-9m~10-7m)之间,并且具有特殊性能的材料,它是一种全新的超微固体材料。应用在纺织领域中的纳米材料有以下几种:

(1)纳米纤维。直径为纳米级的长线状材料,它可以实现普通纤维无法达到的新功能。

(2)纳米粉。粒径小于100nm的固体粉末颗粒,属于超细粉。可以将各种具有功能性的纳米粉分散到纤维中进行纺丝,获得带有功能性的纤维;或者将纳米粉分散到溶液中制成整理剂后对织物进行涂层、浸渍、喷涂等加工,可以赋予织物相关的功能性。

(3)纳米乳液。将功能整理剂中的有效成分乳液粒径控制在纳米级,制成纳米乳液,以提高整理剂功效,可以改变以往大粒径乳液对织物风格的不良影响。

(4)纳米界面材料。在材料的宏观界面建立不同性质的纳米相区,如在纤维表面形成纳米级凹凸结构,以获得纤维表面物理及化学结构不同于原纤维的纳米界面材料。

纳米材料由于其小颗粒尺寸使之在性能上具有纳米材料由于其小颗粒尺寸使之在性能上具有完全不同于常规材料的性能,主要体现在以下几点:

(1)表面效应。随着纳米微粒尺寸减小,纳米材料表面积大大增加,而表面粒子缺少相邻原子的配位,所以表面能大,极不稳定,很容易与其他原子结合,表现出很高的活性。

(2)量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,即可看作由连续能级变成不连续能级,这种现象被称之为量子尺寸效应,这将导致纳米微粒声、光、电、磁、热力学以及超导与宏观性显著不同于普通材料。

(3)小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特性尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,纳米颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。

(4)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应,即微小粒子在一定状态下能穿过物体,就像里面有了隧道可以通过的现象。

2.纳米纺织材料的加工方法

(1)纳米粉体共混纺丝法。将具有某种功能的有机材料做成纳米级的微细颗粒,然后与高聚物纺丝液共混,最后纺丝。这种方法的优点是功能性比较持久,耐水洗性和耐老化性较强,在染整等后整理过程中比较稳定;而且可应用于多种化纤纺织品,对织物的手感及风格影响较小。缺点是:①无机纳米颗粒与高聚物的共混比较困难,无机纳米颗粒由于极大的比表面积,相互之间容易相互吸附而形成团聚块。团聚块在纺出来的丝中会造成应力缺陷,影响丝的机械性能。②不能应用于棉织物等天然纤维纺织品。

(2)纳米材料整理法。在织物的后整理过程中将纳米材料添加到织物整理剂中或以涂层方式复合,从而赋予织物某种特殊的功能。整理法的优点是:①可以应用于各种不同的织物,尤其对天然纤维织物。②工艺比较简单,对现有工艺不用做大的调整即可达到目的。缺点是:①功能持久性不好,经多次水洗和日晒后功能会明显减退,甚至消失。②对织物的手感和风格会有一定的影响。

以上两种加工方法的共同点在于:首先要制备纳米级的物质,然后使该物质与纺织材料进行复合以得到纳米纺织材料。除此之外,还有另一种不同于以上两种方法的纳米纺织材料加工方法,这种方法采用物理或化学方法直接对织物进行表面改性,在纤维表面形成纳米级凹凸结构,使织物微观结构发生变化,同时使纤维表面化学集团产生变化,获得纤维表面物理及化学结构不同于原纤维的纳米界面材料。

3.利用纳米技术生产的功能性纺织品

(1)超双疏织物。超双疏织物是指具有超疏水、超疏油功能的纤维织物。它是利用纳米表面处理技术直接对织物进行处理,使纤维表面形成特殊的几何形状互补的界面纳米结构,由于在纳米尺寸低凹的表面可以吸附气体分子,并且使其稳定附着存在,所以在宏观织物表面上形成了一层稳定的气体薄膜,使得油或水无法与织物的表面直接接触,从而使材料的表面呈现超常规的双疏性。这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值,实现纤维织物的超疏水、超疏油功能。目前,该技术已形成产业化,鄂尔多斯集团生产的纳米自清洁羊绒衫就是利用了此技术。

(2)防紫外线纺织品。将ZnO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、云母、水杨酸类化合物等能屏蔽或吸收紫外线的物质粉碎至纳米级粉体后,采用纳米粉体共混纺丝法制得防紫外线纤维或采用后整理法制得防紫外线纺织品。利用纳米粉体共混纺丝法制成的防紫外线纺织品功能耐久,耐洗性好。而对于棉、麻、丝、毛等天然纤维织物可以采用后整理的方法。

(3)抗菌防臭织物。将纳米级的无机抗菌剂与化纤复合纺丝,制得抗菌功能纤维,由于巨大的表面效应使其反映性能急剧增加,表现出比传统抗菌剂更好的效果,并且还能分解细菌分泌的毒素。

(4)远红外纳米纤维及纺织品。将具有较高远红外发射率的陶瓷微粉加入到高分子聚合物中,经纺丝加工制成远红外纳米纤维。

(5)其他产品。由纳米材料制成的纺织品还包括抗静电织物、抗日晒耐老化织物、隐身纺织品、阻燃织物等。

纳米技术作为一门新崛起的高新科技,在纺织领域中的应用将会给传统的纺织工业带来前所未有的机遇和挑战