納米功能纖維及紡織品的研究與展望

　　納米纖維及紡織品是納米粒子和納米技術(shù)在纖維和紡織品領(lǐng)域應(yīng)用的簡稱。功能纖維及紡織品是指除一般纖維及紡織品所具有的物理機械性能以外，還具有某種特殊功能的新型纖維及紡織品，如衛(wèi)生保健纖維及紡織品、防護功能纖維及紡織品、舒適功能纖維及紡織品等，納米技術(shù)和納米材料的應(yīng)用將為開發(fā)功能纖維及紡織品開辟一條新道路。
　　
　　納米纖維主要包括兩個概念：一是嚴(yán)格意義上的納米纖維，它在徑向方向為納米尺度、長度方向為宏觀尺寸的納米纖維，以滌綸、錦綸超細(xì)纖維為主體的“新合成纖維”，使化學(xué)纖維的品質(zhì)得到了大幅提高。這種直徑為納米級的納米纖維可以通過靜電紡絲、多組分復(fù)合紡絲法以及分子技術(shù)來制備。另一概念是將納米粒子填充到纖維中，對纖維進行改性，或是將納米粒子采用一定的方法處理到纖維上，賦予纖維某種功能，也就是我們通常意義上的納米功能纖維，這類纖維的直徑不一定是納米級。采用性能不同的納米粒子,可開發(fā)阻燃、抗菌、抗靜電、防紫外線、抗電磁屏蔽等功能性纖維及紡織品。本文將重點討論該類通常意義上的納米功能纖維及紡織品。
　　
　　1納米功能纖維及納米功能紡織品的生產(chǎn)方法
　　
　　具有特殊功能的納米材料與纖維聚合物及紡織品復(fù)合后，納米粒子將以納米尺寸分散在纖維及紡織品中形成聚合物納米復(fù)合材料。可以制備各種納米功能纖維及納米功能紡織品。通常依據(jù)產(chǎn)品的zui終用途來選擇功能性納米粒子，這已成為一個新的研究平臺。
　　
　　1.1納米功能纖維的制備
　　
　　由于納米粒子粒徑小，可以減輕傳統(tǒng)添加法紡絲時外加粒子所帶來的紡絲液壓力升高，斷頭率高，可紡性差，對紡織設(shè)備有磨損的缺點。納米粒子的量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)能顯著減少纖維內(nèi)部在生產(chǎn)中所造成的裂縫、氣泡等缺陷，能促進大分子側(cè)鏈之間、原纖之間的結(jié)合。一些納米粒子能在纖維表面形成納米級幾何結(jié)構(gòu)，有助于提高纖維的功能。
　　
　　共混紡絲法是當(dāng)前納米功能纖維制備的主要方法，即在纖維聚合、熔融階段或紡絲階段加入具有納米尺度的功能性材料，使制備出的化學(xué)纖維具有某種特殊的性能。
　　
　　1.2納米功能紡織品的制備
　　
　　納米功能紡織品除用納米功能纖維制備外，還可以利用納米粒子所具有的特性對紡織品進行功能性整理。
　　
　　用納米粒子對紡織品進行功能整理的方法主要有三種:一是吸盡法,即把納米粒子作為固體物質(zhì)直接加入到織物后整理劑中,將織物放入配好的整理液中,在規(guī)定的溫度下浸泡一定時間,使納米粒子均勻分散在后處理織物中,然后取出織物進行干燥或熱處理;二是浸軋法,是指將納米粒子的微乳液和織物后整理劑均勻混合后,將織物在整理液中浸濕,然后通過輥筒軋去余液,稱一浸一軋,也可重復(fù)一次,稱二浸二軋,使整理液通過機械力作用擠壓到纖維中去,然后干燥或熱處理;三是涂層法,指將含有納米粒子的整理劑在一定的粘合劑存在下制成一定稠度的涂層液,然后均勻涂布到織物表面,再經(jīng)一定的熱處理,使織物表面形成一層功能性涂層。但通過功能性整理的納米功能紡織品的耐洗牢度相對較差，功能不持久。
　　
　　2納米功能纖維及紡織品的研究及現(xiàn)狀
　　
　　近十幾年來，納米粒子作為纖維及紡織助劑得到廣泛應(yīng)用，而且向多種納米粒子復(fù)配、多種纖維添加、多種功能復(fù)合的方向迅速發(fā)展。人們利用納米粒子開發(fā)的功能纖維和紡織品種類繁多，在市場上占有越來越重要的地位。
　　
　　2.1抗菌功能
　　
　　抗菌的目的就是使纖維織物具有殺滅或抑制致病菌的功能，并防止微生物通過紡織品傳播，保護使用者免受微生物的侵害。根據(jù)殺菌機理的不同,抗菌劑可以劃分為以下三種類型:一是無機抗菌劑,如:Ag、Cu、Zn、S、As、Ag+、Cu2+等;二是光催化抗菌劑,如:納米TiO2、納米ZnO、納米硅基氧化物等;三是以光催化抗菌劑為載體,將其吸附銀、銅等離子。納米抗菌技術(shù)在紡織行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,可開發(fā)各種類型的抗菌功能紡織品。如內(nèi)衣、毛巾、床單、廚房用品等,應(yīng)用于賓館、醫(yī)院、*、工廠等各個行業(yè),滿足人們對健康的要求。
　　
　　中國石化股份有限公司安慶分公司（以下簡稱安慶石化）、東華大學(xué)及中國紡織科學(xué)研究院的科研人員們在完成小試、中試和工業(yè)化試驗后，在安慶石化成功試生產(chǎn)出“高活性納米抗菌腈綸纖維”，并通過中石化總部專家委員會的鑒定。在不改變紡絲工藝和紡絲條件的前提下，生產(chǎn)出的腈綸纖維抗菌性能良好，基本物性（力學(xué)機械性能、色澤等）符合有關(guān)腈綸纖維和紡織品的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)上海市工業(yè)微生物研究所檢測表明，該種纖維的織物經(jīng)50次洗滌后24h抗菌率為91.6%，具有抗菌性強、上染性好的優(yōu)點，在上處于水平。
　　
　　2.2防紫外功能
　　
　　納米粒子的量子尺寸效應(yīng)可以對某種波長的光吸收帶有“藍移現(xiàn)象”和“寬化現(xiàn)象”，從而增強了對紫外光的吸收，保證了纖維及紡織品的紫外線屏蔽效果。研究表明，TiO2、Fe2O3、Al2O3、SiO2等納米粒子在300~400nm波段具有很好的吸收紫外線能力，而滑石、高嶺土、碳酸鈣等納米粒子則具有良好的反射紫外線能力。通?？棺贤饩€纖維中含有幾種組分的復(fù)合納米微粒，對于透明度要求高的防紫外線服裝面料，通常添加納米ZnO和TiO2微粒。防紫外線面料在遮擋紫外線的同時也能對可見光和遠(yuǎn)紅外線起到一定的屏蔽作用。防紫外線產(chǎn)品不僅應(yīng)用于服裝產(chǎn)品，如運動服裝、休閑裝、襯衣、長短褲等，而且還適宜應(yīng)用于窗簾、篷布、在戶外進行作業(yè)的工裝等。
　　
　　天津工業(yè)大學(xué)用處理后的納米TiO2抗紫外線整理劑對UVA和UVB波段的紫外線都有很好的屏蔽作用，整理后織物的UPF值等級由“較好防護”提到“非常優(yōu)異的防護”，紫外線透過率明顯降低，織物的抗紫外線性能得到顯著提高。東華大學(xué)及上海工程技術(shù)大學(xué)利用用納米TiO2和ZnO復(fù)合粉體與纖維或紡織品結(jié)合，增加了織物表面對紫外線的吸收、反射和散射作用，改善其抗紫外線性能。
　　
　　2.3遠(yuǎn)紅外吸收、反射功能
　　
　　人體每時每刻都在發(fā)射紅外線，而同時也在吸收紅外線。某些納米粒子,如Al2O3、TiO2、SiO2和Fe2O3等，對中紅外線有很強的吸收性能。當(dāng)服裝面料中含有這些粒子時，能有效吸收外界發(fā)射及人體釋放的中紅外線，而不被靈敏的中紅外線探測器所發(fā)現(xiàn)，用其制作的隱身服裝,使穿著者在夜間能實現(xiàn)隱身。有些納米微粒如ZrO，能有效吸收外界能量并輻射與人體生物波相同的遠(yuǎn)紅外線，使人體皮下組織血流量增加，促進血液循環(huán)。
　　
　　表1遠(yuǎn)紅外紡織品及其適應(yīng)病癥表
　　
　　紡織品及其適應(yīng)病癥表"width="450"src="img00.hc360.com/textile/201112/201112201634106387.jpg"/>表1遠(yuǎn)紅外紡織品及其適應(yīng)病癥表
　　
　　日本對遠(yuǎn)紅外聚酯的研究zui多。1996年已確立了遠(yuǎn)紅外纖維制品的保溫性試驗方法和對人體的溫?zé)崽匦韵盗性u價方法,對遠(yuǎn)紅外線與生物關(guān)系已有了系統(tǒng)的研究。日本三菱人造絲公司將PTA、EG和納米陶瓷粉混合先制成母粒,再與普通聚酯在283℃下共混紡絲,制成中空度21.3%,蓬松度153mL/g的遠(yuǎn)紅外短纖維;日本可樂麗公司將聚酯和含氧化陶瓷的增塑劑共混紡絲制得遠(yuǎn)紅外纖維;日本尤尼吉卡公司推出一種太陽-α遠(yuǎn)紅外滌綸，其物理機械性能與普通滌綸相似，具有明顯的升溫效應(yīng)，據(jù)報道，該織物水洗后在相同條件下比普通滌綸快干30min。
　　
　　2.4抗靜電功能
　　
　　合成纖維在加工和使用過程中，由于靜電摩擦?xí)砗芏嗖槐?，特殊行業(yè)中，纖維及紡織品所帶來的靜電可能還會造成一些安全隱患。在納米粒子表面進行導(dǎo)電因子的摻雜處理,使納米粒子表面形成牢固的導(dǎo)電層，這種經(jīng)抗靜電材料處理的織物不僅具有持久的導(dǎo)電性,而且耐酸、堿和氣體的腐蝕,具有良好的抗靜電作用。
　　
　　目前，已產(chǎn)業(yè)化的導(dǎo)電纖維采用的無機抗靜電劑有兩類:一類為納米碳黑，用納米碳黑制備抗靜電、導(dǎo)電纖維的研究很多，但由于改性后纖維顏色為黑色，所以限制了它的應(yīng)用。另一類為納米金屬氧化物，如ZnO、Fe2O3、SnO2、TiO2等，尤其以SnO2或Sb2O3載于TiO2表面的粉體抗靜電效果，一般這類抗靜電劑的電阻率可達0~100Ω?cm，特別適合用紡制白色抗靜電纖維，白色抗靜電纖維將是今后發(fā)展的趨勢。
　　
　　2.5防電磁輻射功能
　　
　　電子產(chǎn)品的普及使得電磁輻射對人體健康造成很大威脅。眾多的醫(yī)學(xué)研究人員描述了*接觸電磁場的危害，例如*接觸電磁場，細(xì)胞分裂速度有增加的趨勢，同樣也會作用于我們的免疫系統(tǒng)。一些納米粒子如In2O3/SnO2、Fe2O3、NiO等能強烈吸收電磁輻射。據(jù)報道，由西安華捷科技發(fā)展有限責(zé)任公司研制的既可防電磁輻射又可防紫外線輻射的服裝面料，可吸收阻隔95%以上的電磁波及同等量的紫外線。
　　
　　2.6拒水拒油防污功能
　　
　　由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)，納米粒子表面的原子存在大量的表面缺陷和許多懸掛鍵，具有很高的化學(xué)活性。納米粒子高度分散在紗線之間、纖維之間和纖維表面，它們與粘合劑等在纖維表面呈凹凸有致的排列，形成納米尺寸的空氣薄膜，使沾污物無法直接滲入纖維，阻止了油污的進一步滲透，大大提高了拒水、拒油和防污性能。這類紡織品洗滌時，可僅用清水洗滌，不必再使用傳統(tǒng)的洗滌劑。用該技術(shù)生產(chǎn)的國旗，不吸灰、不吸水、不褪色。
　　
　　2.7抗老化功能
　　
　　有些纖維不耐日曬，在紫外線的照射下會發(fā)生分子鏈的降解，將納米紫外線吸收劑均勻分散于高分子材料中，可以利用其對紫外線的吸收作用，防止分子鏈的降解，從而達到防日曬耐老化的效果。納米級的TiO2、SiO2、ZnO、ZrO2和Fe2O3等均是優(yōu)良的抗老化劑,可以明顯地提高織物的耐老化性能。
　　
　　2.8阻燃功能
　　
　　大部分合成纖維屬于熔融性可燃纖維，對纖維進行阻燃化處理，降低織物在火災(zāi)中的危險性，已成為一個廣泛關(guān)注的研究方向。近年來，國外開發(fā)的膠體三氧化二銻具有粒徑?。ㄐ∮?00nm）、易分散、著色強度低的特點，在阻燃纖維的應(yīng)用中取得了較好的效果。20世紀(jì)80年代末至90年代初興起的聚合物/無機物納米復(fù)合材料更是開辟了阻燃高分子材料的新途徑，國內(nèi)外已經(jīng)研究在聚酯聚合過程中或紡絲熔體中加入納米層硅酸鹽材料來改善聚酯材料的物理機械性能或燃燒性能。
　　
　　國外用共混法制得的阻燃改性纖維有阻燃粘膠纖維，如美國的Durvil、奧地利的Lenzing、日本的Tuflan;也有阻燃丙綸纖維，如瑞士的Sandoflam5071。
　　
　　2.9自潔凈功能
　　
　　紡織品在人體穿著和使用過程中，不小心會沾水、沾油和其他各種污物，這些污物不僅影響人們的使用，而且會成為微生物繁殖的良好環(huán)境。隨著人們生活節(jié)奏的加快以及生活質(zhì)量要求的提高，各類運用不同機理研制出的具有自清潔能力的紡織品應(yīng)運而生。目前，常用的光觸媒包括納米TiO2、ZnO、SiO2等。
　　
　　2004年，香港理工大學(xué)的研究人員將棉布片在TiO2溶液中浸泡0.5min，然后取出弄干，放入97℃烤箱加熱15min，再在沸水中煮3h制得自潔凈紡織品。當(dāng)紡織品的表面覆蓋一層TiO2的時候，在光照條件下反應(yīng)可形成諸多活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)具有*的氧化作用，不僅能氧化破壞微生物，而且可將有機污染物*氧化破壞，從而起到潔凈環(huán)境和除臭等作用。由于TiO2催化劑只要在陽光下就能永遠(yuǎn)發(fā)揮作用，因此這種自潔凈效果可以維持下去。XinJohnH和KiwiJ等采用化學(xué)方法將TiO2負(fù)載到棉織物上，實驗所制備的織物在紫外光照射下，可以對葡萄酒、化妝品、汗?jié)n及咖啡造成的污跡具有自潔凈功能。
　　
　　2.10變色功能
　　
　　變色纖維是一種具有特殊組成結(jié)構(gòu)的纖維，當(dāng)受到光、熱、水分或輻射等外界激化條件作用后，具有可逆自動改變顏色的性能。纖維在一定波長的光的照射下會發(fā)生顏色變化，而在另一種波長的光的作用下又會發(fā)生可逆變化回到原來的顏色，這種纖維稱為光敏變色纖維。具有光敏變色的物質(zhì)通常是一種具有異構(gòu)體的有機物，這些化學(xué)物質(zhì)因光的作用產(chǎn)生異構(gòu)，并生成兩種化合物。這些化合物的分子式?jīng)]有發(fā)生變化，但對應(yīng)的鍵合方式或電子狀態(tài)產(chǎn)生了變化，可逆地出現(xiàn)吸收光譜不同的兩種狀態(tài)，即可逆地顯色、褪色或變色。美國Clemson大學(xué)和Georgia理工學(xué)院等研究機構(gòu)近年來正在探索光纖中摻入納米變色染料或改變光纖表面的涂層材料，使纖維的顏色能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制。日本松井色素化學(xué)工業(yè)公司制成的光致變色纖維，在無陽光下不變色，在陽光或UV照射下顯深綠色。
　　
　　3展望
　　
　　隨著納米技術(shù)的進一步發(fā)展，納米粒子生產(chǎn)成本的降低及功能性納米粒子品種的增多，納米功能纖維的應(yīng)用將進一步擴大，其市場需求潛力巨大?，F(xiàn)在，我國的化纖生產(chǎn)已具有相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)規(guī)模和技術(shù)實力，*有能力、有條件進行納米功能纖維及其技術(shù)的研究開發(fā)。我們相信不同形態(tài)與性能的納米功能纖維的開發(fā)與應(yīng)用，必將給紡織行業(yè)乃至整個輕工業(yè)都帶來新的生機。但一些問題仍需值得我們?nèi)ニ伎己脱芯浚?br />　　
　　1）由于納米粒子比表面積大，極易聚集成團，且親水疏油，呈強極性，在有機介質(zhì)中難以分散。因此，要選擇有效的表面改性劑對納米粒子表面進行處理，降低表面能，改善其同纖維材料的親和性，提高紡絲流變性和可紡性;
　　
　　2）由于納米粒子尺寸很小，是否會從紡織品上遷移到人體內(nèi)部對人體健康產(chǎn)生威脅，到目前為止，世界上還沒有作為專題來研究納米功能紡織品的安全性問題,更缺乏相關(guān)的安全性評價體系及檢測標(biāo)準(zhǔn)，使人們在應(yīng)用納米功能紡織品時存在一定的顧慮；
　　
　　3）目前我國研究院所和高等院校在納米功能纖維成形與應(yīng)用方面的研究已取得較大成績，但總體來說還停留在實驗室階段，離產(chǎn)業(yè)化還有很長一段路要走；
　　
　　4）由于我國功能纖維及紡織品起步比較晚，產(chǎn)品又缺少相關(guān)的、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全國大都處于摸索階段檢驗，迄今為止，全國還沒有承擔(dān)檢驗各種功能纖維及紡織品的*檢測機構(gòu)。
　　
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