新型納米材料的合成及在紡織領域的應用

高 強

（長治學院，山西 長治 046011）

隨著膠體化學的發展，知名科學家已開始研究直徑為1～100 nm的顆粒基材料。對納米顆粒真正有意義的研究始于1930年日本的“煙霧測試”，是出于軍事需要而進行的世界上第一個超批次。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定。直到1960年，人們對于粉末納米顆粒的研究才剛剛開始。Ulcitcr于1988年在德國大學任教，并成功制備了純納米粉。從1980年開始，納米技術的研究在世界范圍內激增。近年來，通過對納米材料的不斷深入研究，已經成為一個新的和流行的前沿學科：納米材料科學。

1 納米材料的特性

納米是長度的單位，1 nm相當于10-9m。納米材料是一種新型的超細固體材料，由納米粒子組成。納米技術是納米級的，工程長度在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、分子之間的基團或分子基團范圍屬于特定的且分別連接，占很大的比例。在這個粒子中，表面原子是無定形的，沒有長或短的臺階，并且在粒子內部，結晶的周期性排列原子必須特質完全，它的結構和晶體樣品的大部分結構一定要合理。量子通透效應及其后果與光學、力學、熱、磁、化學和催化劑的傳統材料相同，具有獨特的功能和特性。例如化學活性和生物活性，得到了國內外科學家的高度評價。

2 新型納米材料的合成及應用

2.1 利用表面反應制備長程有序二維聚合物及應用

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

當前，最典型且幾乎唯一的二維化合物是石墨烯，通過改變結構單元的形狀所準備的重復周期為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二維聚合物。此后，這些物質在利用官能團引入分子結構單元的同時產生二維位移基，處理了聚合物功能化以及迭代周期不變的問題。此類用于密度函數計算的聚合物具有二維共軛結構，分子軌道是離域的[1]。因此，這種類型的聚合物二維有機半導體及其能帶結構的分子系統的變化可以很容易地調節納米化學、納米模板和納米反應器。

2.2 鋼棒中心具有支鏈的納米鋼棒-線團液晶低聚物的合成及應用

鋼棒分子屬于特殊的超分子，同時也能叫作剛度與柔性分節共聚物。剛性與柔性分節共聚物也有分節共聚物和剛性液晶分子的優點。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。鋼筋內部的分節結構是由醋基和末端基團組織的，安裝結構影響更大，適用于生化和材料科學研究[2]。

2.3 微納米菲酞胺聚集體的可控合成及應用

通過探索和不斷積累物質分子，將其發展成獨特的分子固體聚集體結構，然后研究其性質的演化過程。微納米適用于分析材料科學、生態科學、分子量子學、通信科學和醫學科學以及其他學科等領域。

3 在紡織原料方面的應用

3.1 抗菌纖維

與常規抗菌布相比，大多數具有特定殺菌性能的金屬離子（鈉、銀離子、納米銅離子等），與合成纖維復合紡絲能夠產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粉，能夠運用最終工程內部開發的超細抗菌劑來制備抗菌劑，同時樹脂能夠抑制大多數細菌、真菌與霉菌。此類抗菌粉末的重點在于納米硫酸鋇、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，可以產生高質量的紡絲性的抗菌纖維。

3.2 抗紫外纖維

紫外線可以殺死細菌并促進體內維生素D的合成，盡管有效，但也會加速人類皮膚的衰老。各種波長的紫外線對人體皮膚的影響如表1所示。

表1 不同波長的紫外線對人體皮膚的影響

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。現在，關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 遠紅外輻射纖維

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

3.4 抗靜電及導電功能纖維

此前，納米材料的進步已經空前絕后，特別是碳納米管的研究和應用。碳納米管內徑為1～3 nm，長度取決于制備范圍，大概是1～100 nm。碳納米管有非常優異的導電性，經測試，其導電性甚至高于銅，可廣泛用于制備抗靜電功能纖維。

3.5 高強度、高模量纖維

納米材料本質就包含很大的硬碳納米管，帶有特別的機械性能，同時可用作復合添加劑，應用于航空航天纖維材料、汽車輪胎簾線、軍用服裝等紡織領域，用途廣泛。同時，納米黏土-聚合物復合材料還可顯著提高材料的強度和彈性，將納米黏土的這一特性與聚鄰苯二甲酰胺相結合，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。中國的黏土儲量最高，且價格便宜，可以用于紡織工業。

3.6 抗電磁波纖維

可以將納米級SiO2添加到合成纖維中。近年來，隨著家電行業的不斷發展，移動電話、電視、計算機、微波爐等的使用越來越普遍，并且所有電氣設備中都存在電磁場[3]。在環境中，電磁波不僅會影響人的心臟和神經，還會影響孕婦和胎兒。

3.7 仿生纖維

生物學和仿生學領域的微米級結構（例如細胞和染色體）范圍與納米生物技術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，是科學家使用的最堅韌、最有彈性的纖維之一。將這個基因移植到細菌中并進行培養，開發出可以產生蜘蛛絲蛋白的細菌，包括此基礎細菌產生的蛋白質，類似于蜘蛛絲中的蛋白質，屬于高度靈活的離子。

4 在紡織漿料中的應用

“納米糊劑”是一種無機填料，以英寸的形態分散在有機/無機納米復合漿料中分散成至少一維的尺寸，并小于100 nm。因此，納米糊劑具有常規糊劑所不具有的性能。納米糊劑的界定有兩個主要依據：在納米范圍內有一個界面；材料必須有質的變化。

蒙脫土屬于納米漿料里納米無機相的原料，也叫作膨潤土，屬于特殊的層狀天然黏土材料。模制硅酸鹽的結構薄片為納米級，包含鋁氧八面體亞層，這些亞層共有氧原子結構的總厚度約為1。其中，納米的長度和寬度約為100 nm。因為氧化鋁八面體有一些鋁原子已被低價原子取代，且薄片帶負電。有機蒙脫石是通過交換反應產生的，具有剝離至納米級并均勻分散在漿料中的結構。因此，這種漿料是“納米漿料”。

5 在后整理技術方面的應用

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，特別對于棉纖維來說，將納米材料用于功能處理是一個持續的過程。抗紫外線性能具有無法顯現的固有缺陷。例如納米氧化鋅有優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顆粒為微米級、陶瓷粉末等（顆粒細度為100～1 000 nm，內部），將納米材料添加到織物整理劑中，與織物結合，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，形成薄的納米結構金屬。另外，對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久耐用。

5.3 納米接枝

接枝技術主要用于整理天然纖維，優點是紡織品具有永久性功能，有兩種通過移植將納米材料“植入”棉纖維中的技術。

5.3.1 整理能力強的納米材料

將化合物接枝到棉纖維上，創建簡單的有機分子模板。接下來，在棉纖維上組裝納米簇。

5.3.2 制備納米粒子時，使用可以移植到纖維中的化學物質

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。接枝技術可以分為化學方法和物理方法。物理接枝主要使用低溫等離子體技術。

5.4 納米染色

一部分合成纖維因為不能染色最后只能做服裝襯里。聚丙烯與聚乙烯醇纖維等物質的應用范圍較廣，屬于聚乙烯纖維。有些纖維需要用載體染色，這對環境造成了極大的污染。

6 結語

納米材料在紡織領域的應用以及功能生產的技術含量和附加值增加了天然纖維的使用性能，對擴大應用范圍并提高國際市場競爭力非常重要。