纳米材料之应用
| 日期：04-11-12 20:46:21 编辑：亚洲纺织联盟网 |
纳米材料之应用 自1984年原西德Searlands大学的Gleiter教授用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米晶体以来，世界各国先后对这种材料给予了极大关注‧纳米材料是由极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒内部缺陷中心的原子所构成的纳米微粒的集合体，其在性能上与同组成体相材料相比存在着非常显著的差异，这种变化赋予了纳米材料既有别于体相材料又不同于单个分子的特殊性质，使之成为介于分子和体相材料之间的中介项，以此中介项为研究对象形成了一门崭新的学科----纳米科学‧目前，纳米科学研究主要包括2个方面：一是系统研究纳米材料的性能、微观结构和光谱学的特性，通过与常规材料的对比，找出纳米材料的特殊规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论﹐发展完善纳米材料科学体系；二是开发新型纳米材料的应用领域‧1. 纳米材料的结构和特性纳米材料由纳米微粒构成‧一般而言，在室温下产生理化性能显著变化的颗粒尺寸多数介于1~100nm范围‧因此把粒径在100nm以下，并且能够观察到体积效应或表面效应的颗粒称为纳米微粒‧纳米微粒是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原子是既无长程序又无短程序的非晶层；而在粒子内部，存在结晶完好的周期性排布的原子，不过其结构与晶体样品的完全长程序有序结构不同‧正是纳米微粒的这种特殊结构，导致了纳米微粒奇异的表面效应和体积效应，并由此产生许多纳米材料与常规材料不同的物理化学性质‧1.1 表面效应(表面和界面效应)纳米材料的表面效应即纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米微粒尺寸的减小而大幅增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米材料性质变化‧固体颗粒的表面积与粒径的关系为： Sw=k/ρ*DSw：比表面积(m2/g)；ρ：粒子的理论密度；D：粒子平均直径；k：形状因子‧由上式可知，随颗粒尺寸的减小，粒子的表面积迅速增加‧例如，粒径为5nm的SiC比表面积高达30m2/g，而纳米氧化锡的表面积随粒径的变化更为显著，10nm时，比表面积为90.3 m2/g ，5nm时，比表面积增加到181m2/g而当粒径小于2nm时，比表面积猛增到450 m2/g ‧这样大的比表面积使处于表面的原子数大大增加，这些表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在大量的表面缺陷和许多悬挂键，具有高度的不饱和性质，因而使这些原子极易与其它原子相结合而稳定下来，具有很高的化学反应活性‧另外处于高度活化状态的纳米微粒的表面能也很高‧例如，10nm的铜粒子表面能为9.4*104J/mol，5nm时为1.88*106J/mol；而10nm的氧化锡的表面能高达4.08*105J/mol,5nm时为8.17*105J/mol，2nm时为2.04*106J/mol‧这样高的比表面积和表面能使纳米微粒具有很强的化学反应活性‧例如，金属纳米微粒在空气中会燃烧，一些氧化物纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应等‧另外，由于纳米微粒表面原子的畸变也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化，所以纳米材料具有新的光学及电学性能.例如，一些氧化物、氮化物和碳化物的纳米微粒对红外线有良好的吸收和发射作用，对紫外线有良好的屏蔽作用等‧值得指出的是纳米微粒的高表面能使得颗粒间的吸附作用很强‧容易集聚，难以稳定保存，言也是目前制备纳米材料遭遇的困难之一‧研究工作者通过对纳米微粒的表面改性或缓慢氧化等技朮处理，增加加粒子间的凝聚，已经取得了一定的成果‧1.2 体积效应(小尺寸效应)体积效应是指纳米微粒尺寸减小，体积缩小，粒子内的原子数减少而造成的效应‧研究表明，当超细粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长及透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破壤，粒子的声、光、电磁、热力学性质等均会呈现出新的特性‧例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移：由磁有序向磁无序状态、超导相向正常相的转变、声子谱的改变、金属熔点的降低等‧2. 纳米材料在织物中的应用纳米材料的奇特性质为其广泛的应用奠定了基础‧例如纳米材料有特殊的抗紫外线、吸收可见光和红外线、抗老化、高强度和韧性、良好的导电和静电屏蔽效应、强的抗菌消臭功能及吸队能力等 ﹐因此﹐通过把具有这些特殊功能的纳米材料与纺织原料进行复合可以制备各种功能织物。另外随着科学技术的发展和人类生活水平的提高﹐人们越来越追求高档﹑舒适﹑具有保健功能的服装。因此﹐利用纳米材料的特殊性能开发多功能﹑高附加值的功能织物﹐将在未来的纺织行业创造巨大的经济﹑社会效益。2.1 纳米材料与织物的复合方法2.1.1 采用添加功能填料技术开发新型织物基材利用纳米材料作为填料来改性织物基材﹐制备功能性复合纤维。例如﹐利用溶液共混方法制备纳米/纤维复合材料﹐制备过程大致如下﹕把基材化合物溶解于适当的溶剂中﹐然后加入纳米填料粒子。充分搅拌使粒子在溶液中分散﹐混合均匀后﹐进行聚合反应制备样品﹐然后进行纺丝加工﹐在这一过程中纳米微粒直径在合成纤维的反应过程中混入。或者利用熔融共混方法在聚合物纺丝过程中添加纳米填料﹐制备功能纤维﹐此过程是把纳米微粒均匀分散在熔融的聚合物中﹐无需改变聚合物的生产工艺过程﹐仅仅增加了一台混炼设备﹐用于分散纳米材料。如日本帝人公司生产的由纳米ZnO/SiO作为消臭剂的除臭纤维﹐这种纤维能吸收臭气净化空气﹐可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘、厕所用纺织品以及环保用过滤织物等‧目前国内的研究工作者也在尝试合成功能性的服用纤维，如北京服装学院正在进行的聚酯/纳米复合纤维的研究，通过把纳米微粒直接潻加在初始反应液中，采用常规的聚合反应合成功性纤维，这种纤维有很强的屏蔽紫外线的功能‧东华大学最近研制的含纳米填料的远红外线发射纤维，利用纤维发射远红外线和蓄热功能制造保暖服装、保健服装增加人体血液循环，起到防病、保健等功效‧2.1.2 采用后整理技朮对织物进行功能改性纳米材料作为一种新的聚合物功能填料，除能够直接潻加到合成纤维中改性复合材料外，也能够通过对天然纤维的后整理而赋予天然纤维更优越的功能‧天然纤维因其服用的舒适性等而被广泛接受，但又因其本身的一些缺点而必须进行后加工整理，如天然纤维对和受霉腐败产生的真菌的侵袭比合成纤维敏感得多，而且研究表明在合适的环境温度、湿度条件下，一些病原菌如金黄色葡萄糖菌和伤寒沙门氏菌等在羊毛、棉织物上存在时间延长，尤其是一些内衣、内裤的穿著环境容易滋生一些细菌，危害人体健康，所以这些织物需要经过高效抗菌整理剂处理‧纳米ZnO微粉不仅有良好的紫外线遮蔽功能，而且也具有优越的抗菌、消毒、除臭功能，因此把纳米ZnO微粉作为功能助剂对天然纤维进行后整理可以获得性能良好的抗菌织物‧另外，随着计算器、家用电器的广泛发展以及臭氧层和大气环境的日益破壤，对织物进行抗辐射整理已迫在眉睫‧由于纳米材料本身有优越的防辐射性能，因而能被广泛应用‧目前，纳米材料在织物的后整理过程中的应用研究还刚开始，有报道说日本的丽人公司已经开始销售纳米材料的织物整理剂‧ 对织物进行后整理的方法大致为：(1)把纳米微粒作为固体物质直接加入到织物后整理剂中，使纳米微粒均匀分散在后处理织物中；(2)把纳米微粒的微乳液和织物后整剂均匀混合后，将织物通过这种包含有纳米微粒的整理液；(3)把含有纳米材料的整理剂在一定的粘合剂存在下涂覆到织物表面,形成一种功能性的涂层﹐改善织物的服用性能。例如﹐北京服装学院的一些科研人员正利用纳米zno对天然织物进行整理﹐研究表明织物的抗紫外线功能显著提高。另据报道﹐厦门华普高技术产业公司在清华大学的协助下﹐把纳米陶瓷微粉植入天然棉纤维中获得了抗紫外性能的棉织物﹐这种纤维除用于制造外装﹑夏日装﹑夏日帽﹑日光伞﹑运动服外﹐还可制造手术服﹑护士服等。2.2 纳米材料在应用中存在的问题在以上利用纳米材料对织物和织物基材进行加工整理的过程中都存在一个比较棘手的问题﹐即纳米微粒的团聚。对固体颗粒的分散行为研究表明﹐超细颗粒的团聚在外力作用下被打开成为独立的原生粒子或较小的团聚体﹐应当对颗粒表面进行处理﹐使原生粒子或较小的团聚体稳定﹐防止再发生团聚﹐就像对新制备的金属纳米微粒必须进行缓慢的氧化处理使颗粒表面覆盖几层氧化层而降低金属的表面反应性能一样。对纳米微粒进行表面处理的方法很多﹐根据表面处理剂与颗粒之间有无化学反应﹐可以分为表面化学改性和表面吸附包覆改性。包覆改性一般指两组分之间除了范德华力﹑氢键﹑配位键作用外﹐没有离子键或共价化学键的结合。纳米微粒的包覆改性主要利用一些表面活性剂 ﹑聚合物以及聚合物单体等吸附在颗粒表面﹐增加纳米微粒与基材的亲合性。化学改性是指在纳米微粒的表面进行化学吸附或反应﹐从而使粒子表面覆盖一层改性剂。如利用改性剂的官能团在纳米微粒表面进行化学吸附或反应﹐这些改性剂有﹕硅烷类﹑硬脂酸类﹑铝酸酯类偶联剂等 ﹕或者利用纳米微粒本身的烃基等基团在一定的反应条件下与聚合物单体接枝反应等 。尽管目前纳米材料的应用研究已经取得了一定的成果﹐但由于纳米微粒本身的高活性而引起的团聚问题﹐以及纳米微粒的制备﹑保存﹑运输等环节之间的关系问题使其应用受到限制﹐如何均匀地把纳米微粒分散到目标物中﹐仍然是目前纳米微粒应用硎究的热点之一。3﹑结语纳米材料因其多方面的独特性能在制备复合材料方面显示出巨大的应用前景﹐各国政府都投入了大量的人力﹑物力和财力开发新型的纳米复合材料﹐我国政府也把纳米材料的研究列为 “863”﹑ “九五”﹑ “十五”以及 “攀登”计划的重点研发课题。纳米材料在电子﹑信息能源﹑生物﹑医药等领域的前景广阔﹐但作为与人们生活密切相关的纺织行业﹐纳米材料的应用才刚刚起步。因此﹐为了提高我国纺织行业的竞争实力﹐应当把高科技的纳米材料引入纺织业﹐开发多功能﹑高附加值的纺织新产品﹐开拓纺织品在国内外的市场地位﹐提高我国纺织行业的技术竞争水平。
