摘要：
本文介紹了納米技術(shù)在化學(xué)纖維中的應(yīng)用方式，并闡述了納米技術(shù)在功能性纖維和其他特種纖維中的應(yīng)用情況，以及納米材料在應(yīng)用中存在的問題及解決方法，最后展望了納米技術(shù)的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；納米材料；功能性纖維；特種纖維
近年來(lái)，納米技術(shù)與納米材料正引起人們的極大關(guān)注。納米材料憑借其內(nèi)部所特有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等四大效應(yīng)，從而擁有完全不同于常規(guī)材料的奇特的力學(xué)性能、光學(xué)性能、熱力性能、磁學(xué)性能、催化性能和生物活性等性能。這些都為納米材料在紡織工業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
可以說，納米材料是21 世紀(jì)最有前途的材料，在功能性紡織品和高分子科學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。[1]
1 納米技術(shù)在化學(xué)纖維中的應(yīng)用方式
納米粒子的奇特性質(zhì)為納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，應(yīng)用納米技術(shù)開發(fā)功能性化學(xué)纖維主要有兩個(gè)途徑[2]。
1.1 纖維超細(xì)化
使纖維達(dá)到納米級(jí)，以滿足特殊用途領(lǐng)域的需要。
1.2 共混紡絲法
共混紡絲法是指在化纖聚合、熔融階段或紡絲階段加入功能性納米材料粉體，以使生產(chǎn)出的化學(xué)纖維具有某些特殊的性能。此法是生產(chǎn)功能性化纖的主要方法。由于納米粉體的表面效應(yīng)，其化學(xué)活性高，經(jīng)過分散處理后，容易與高分子材料相結(jié)合，較普通微粉體更容易共熔混紡；而且納米粉體粒徑小，能較好地滿足紡絲設(shè)備對(duì)添加物粒徑的要求，在化纖生產(chǎn)過程中能較好地避免對(duì)設(shè)備的磨損、堵塞及纖維可紡性差、易斷絲等問題；對(duì)化纖的染色、后整理加工及服用性能等也不會(huì)造成很大的影響。該法的優(yōu)點(diǎn)在于納米粉體均勻地分散在纖維內(nèi)部，因而耐久性好，其賦予織物的功能具有穩(wěn)定性。目前化纖產(chǎn)品中復(fù)合型纖維的比例不斷擴(kuò)大，如果在不同的原液中添加不同的納米粉體，可開發(fā)出具有多種功能的紡織品。例如在芯鞘型復(fù)合纖維的皮、芯層原液中各自加入不同的粉體材料，生產(chǎn)出的纖維可具有兩種或兩種以上功能。
2 納米技術(shù)在功能性纖維方面的應(yīng)用
2.1 抗紫外線纖維
太陽(yáng)光中能穿過大氣層輻射到地面的紫外線占總能量的6%。紫外線具有滅菌消毒和促進(jìn)體內(nèi)維生素D 合成的作用，但同時(shí)也有加速人體皮膚老化及產(chǎn)生癌變的危險(xiǎn)[3-5]。
2.1.1 抗紫外線纖維的紫外防護(hù)機(jī)理
紫外線屬于電磁波，其波長(zhǎng)范圍在100nm~400nm 之間。研究表明，TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、云母、高嶺土等在300nm~400nm 波段都具有吸收紫外線的特征。
若將這些材料制成納米級(jí)超細(xì)粉體，由于微粒尺寸與光波波長(zhǎng)相當(dāng)或更小，這種小尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)光的吸收顯著增強(qiáng)。
另外，這類超細(xì)粉體的比表面積大，表面能高，在與高分子材料共混時(shí)，很容易與后者結(jié)合，加之化纖紡絲設(shè)備對(duì)共混材料粒度的要求，決定了納米粒子是制造功能性化纖的優(yōu)選添加材料。
2.1.2 抗紫外線纖維的應(yīng)用
此類化纖包括的品種面很廣，從國(guó)內(nèi)外研制和生產(chǎn)的品種來(lái)看，涉及滌綸、維綸、腈綸、尼龍和丙綸等；加工方法有尼龍、聚氨酯混紡、尼龍、醋酸纖維混紡等。主要用來(lái)制作運(yùn)動(dòng)衫、罩衫、制服、套褲、職業(yè)服、游泳衣和童裝等。在我國(guó)大多數(shù)地區(qū)，人們夏季穿著服裝單薄，這就需要利用納米粒子的抗紫外線功能來(lái)開發(fā)各種化纖產(chǎn)品，以滿足婦女、老人、兒童、野外工作者和高溫崗位工人的需要。
2.2 抗菌除臭纖維
通常所說的抗菌包括抑制、殺滅、消除細(xì)菌分泌的毒素以及預(yù)防等功能。抗菌化纖的除臭功能表現(xiàn)在：保健方面：防止皮膚感染，消除病菌分泌的毒素和將汗液等轉(zhuǎn)化為臭味物質(zhì)的細(xì)菌；美學(xué)方面：除去令人不愉快的臭味[6-8]。
2.2.1 抗菌除臭纖維的抗菌除臭機(jī)理
納米級(jí)TiO2、ZnO 等光催化型殺菌劑，表現(xiàn)出超過傳統(tǒng)抗菌劑僅能殺滅細(xì)菌本身的性能。其殺菌機(jī)理為：納米級(jí)TiO2、ZnO 等抗菌劑能在水分和空氣存在的情況下，自行分解出自由移動(dòng)的電子，同時(shí)留下帶正電的空穴（h ＋），逐步產(chǎn)生反應(yīng)，生成的羥基自由基和超氧化物陰離子自由基非常活潑，有極強(qiáng)的化學(xué)活性，能與多種有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)（包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物及其分泌的毒素），從而將細(xì)菌、殘骸和毒素殺滅、消除。
納米級(jí)TiO2、ZnO 的除臭機(jī)理主要有以下兩種：①吸附臭味。超細(xì)ZnO 的比表面積大、孔容大，可以吸附多種含硫臭體。②氧化分解。TiO2、ZnO 等物質(zhì)在H2O、O2體系中可發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)生的超氧化物陰離子自由基能與多種臭體反應(yīng)，從而更徹底地消除臭味。
2.2.2 抗菌除臭纖維的應(yīng)用
日本在抗菌防臭功能纖維上開發(fā)較多。最近，日本石玻璃公司開發(fā)了一種含活性玻璃粒子的抗菌防臭功能纖維。這是一種含有銀粒子的溶解性玻璃微粉，粒徑在50nm 以下。這種纖維在毒性、穩(wěn)定性、持久性和抑制細(xì)菌抗藥性等方面的表現(xiàn)較為優(yōu)良。在使用過程中，一旦接觸到水分，纖維內(nèi)部的溶解性玻璃粒子就會(huì)緩慢釋放出銀離子，它能在幾小時(shí)到幾年的時(shí)間內(nèi)以特定的速度釋放，阻礙細(xì)菌繁殖，顯示出優(yōu)良的抗菌性。日本帝人公司生產(chǎn)的由納米TiO2、ZnO 作為消臭劑的除臭纖維能吸收臭氣凈化空氣，可用于制造消臭敷料、繃帶、尿布、睡衣、窗簾、廁所用紡織品以及環(huán)保用過濾織物等。
我國(guó)抗菌劑的研究相對(duì)滯后，但近年來(lái)發(fā)展較快。北京賽特瑞公司生產(chǎn)的銀系抗菌劑，采用納米層狀銀系無(wú)機(jī)抗菌材料制備的抗菌防霉織物，僅需添加0.5% ～ 1% 的無(wú)機(jī)抗菌劑，具有廣譜抗菌功能，且抗菌效果顯著、持久，對(duì)皮膚無(wú)刺激性。上海合成纖維研究所研制的一種新型抗菌纖維，是將納米級(jí)TiO2、ZnO 等添加到天然或聚合物長(zhǎng)絲中，紡制出各種永久性抗菌、防臭纖維，經(jīng)試驗(yàn)證明，這種纖維對(duì)綠膿桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等具有很強(qiáng)的殺菌能力，目前該技術(shù)僅僅完成了實(shí)驗(yàn)室研究工作，還不能達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。許德生等人采用納米級(jí)TiO2、ZnO 和粘膠纖維共混制成的纖維，既具有普通粘膠纖維特性，又能防菌、抗菌、防紫外線和抗電磁輻射。北京服裝學(xué)院科研人員的研究表明，用納米級(jí)ZnO對(duì)棉織物進(jìn)行處理后，對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌和黑曲霉菌等均有顯著抑制作用。另外，國(guó)家超細(xì)粉末工程中心利用納米ZnO 等粉體做核，在外包覆銀以抗細(xì)菌，在外包覆CuO、ZnSiO3 以抗真菌，將這種抗菌粉體加1% 到合成纖維中，就能制得抗菌性良好的功能性纖維。
2.3 遠(yuǎn)紅外纖維
2.3.1 機(jī)理
人體釋放的紅外線大致在4μm~16μm 的中紅外波段，在戰(zhàn)場(chǎng)上如果不對(duì)這一波段的紅外線進(jìn)行屏蔽，很容易被非常靈敏的中紅外探測(cè)器所發(fā)現(xiàn)，尤其在夜間，人體安全將會(huì)受到威脅，因此很有必要研制對(duì)人體紅外線具有屏蔽功能的衣服[9-10]。
遠(yuǎn)紅外線反射功能纖維是一種具有遠(yuǎn)紅外吸收及反射功能的化纖，通過吸收人體發(fā)射出的熱量，并再向人體輻射一定波長(zhǎng)范圍的遠(yuǎn)紅外線，可使人體皮下組織血流量增加，起到促進(jìn)血液循環(huán)的作用；由于能反射人體輻射的紅外線，也起到了屏蔽紅外線，減少熱量損失的作用，使此類纖維及織物的保溫性能較常規(guī)織物有所提高。遠(yuǎn)紅外超細(xì)添加劑是一種白色或淺白色粉體。這類抗紅外線功能助劑是在遠(yuǎn)紅外加熱所使用的陶瓷粉體的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的，所以稱之為“遠(yuǎn)紅外陶瓷粉”。根據(jù)應(yīng)用的化纖品種和性能要求的不同，通常包括納米級(jí)ZnO、SiO、Al2O3 等，除了要求將它們的粒度用直接制備或二次粉碎的方法控制在100nm 以下外，同時(shí)還要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，以確保這類粉體的分散性、相容性和功能化纖的可紡性。
2.3.2 遠(yuǎn)紅外纖維應(yīng)用
日本對(duì)遠(yuǎn)紅外聚酯的研究最多。1996 年已確立了遠(yuǎn)紅外纖維制品的保溫性試驗(yàn)方法和對(duì)人體的溫?zé)崽匦韵盗性u(píng)價(jià)方法，對(duì)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(yáng)遠(yuǎn)紅外滌綸，其物理機(jī)械性能與普通滌綸相似，具有明顯的升溫效應(yīng)，據(jù)報(bào)道，該織物水洗后在相同條件下比普通滌綸快干30min。
2.4 阻燃纖維
2.4.1 阻燃纖維的阻燃機(jī)理
阻燃的目的在于降低熱分解過程中可燃?xì)怏w的生成，抑制氣相燃燒過程的反應(yīng)。阻燃纖維多數(shù)通過用添加型阻燃劑和反應(yīng)型阻燃劑對(duì)原材料進(jìn)行處理制得。納米SbO3阻燃劑在燃燒初期首先熔融，熔點(diǎn)為655℃，在材料表面形成保護(hù)膜隔絕空氣，通過內(nèi)部吸熱反應(yīng)，降低燃燒溫度。
在高溫狀態(tài)下SbO3 被汽化，稀釋空氣中的氧濃度，從而起到阻燃作用。
2.4.2 阻燃纖維應(yīng)用
國(guó)外用共混法制得的阻燃改性纖維有阻燃粘膠纖維，如美國(guó)的Durvil、奧地利的Lenzing、日本的Tuflan；也有阻燃丙綸纖維，如瑞士的Sandoflam 5071[11]。
3 納米材料在其他特種纖維中的應(yīng)用
3.1 智能隱身纖維
將納米金屬粒子、納米氧化物（如納米級(jí)Fe2O3、Ni2O3 等）、納米復(fù)合材料以共混法加入成纖聚合物熔體或紡絲溶液中，經(jīng)熔融紡絲或濕法紡絲制成隱身材料。制成的高性能毫米波形隱身材料、可見光－紅外線型材料和結(jié)構(gòu)式隱身材料，可避開雷達(dá)、紅外線探測(cè)器的偵測(cè)。另外，可采用對(duì)電、熱比較敏感的納米金屬粒子與纖維原料共混，制成具備防止熱成像設(shè)備偵測(cè)的功能纖維。目前美國(guó)正在研究采用熱敏、光敏或電化學(xué)染料做迷彩服，以使迷彩服的顏色和圖案隨環(huán)境變化而改變，具備動(dòng)態(tài)防偵視功能。
美國(guó)研制的 “超黑粉”納米隱身材料，對(duì)雷達(dá)波的吸收率大于99%。法國(guó)研制出一種寬頻微波吸收涂層，這種吸波涂層由粘合劑和納米微粉填充材料組成。這種由多層薄膜疊合而成的結(jié)構(gòu)具有很好的磁導(dǎo)率，在50MHz~50GHz 內(nèi)具有很好的吸波性能。目前世界軍事發(fā)達(dá)國(guó)家正在研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外和可見光等波段的納米復(fù)合材料。
3.2 變色纖維
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(dòng)改變顏色的性能。纖維在一定波長(zhǎng)的光的照射下會(huì)發(fā)生顏色變化，而在另一種波長(zhǎng)的光的作用下又會(huì)發(fā)生可逆變化回到原來(lái)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(jī)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(duì)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(guó)Clemson 大學(xué)和Georgia 理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)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(dòng)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(wú)陽(yáng)光下不變色，在陽(yáng)光或UV 照射下顯深綠色[11]。
4 納米材料應(yīng)用中存在的問題及解決方法
納米材料在化學(xué)纖維應(yīng)用過程中存在的問題，主要是它的分散性差、易凝聚。為解決這一問題，需對(duì)納米粒子的表面進(jìn)行處理以降低其表面能。表面處理的方法有很多，根據(jù)表面處理劑與顆粒之間有無(wú)化學(xué)反應(yīng)，可分為表面化學(xué)改性和表面吸附包覆改性。化學(xué)改性是指在納米微粒的表面進(jìn)行化學(xué)吸附或反應(yīng)；而包覆改性主要利用一些表面活性劑、聚合物以及聚合物單體等吸附在顆粒表面，增強(qiáng)納米微粒與基材的親和性[12-13]。
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(中國(guó)纖檢雜志)
