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纳米材料在服装上运用

纳米材料在服装上运用
摘要:随着科学技术的发展,纳米技术已被广泛运用于许多领域,包括陶瓷材料、光学材料、医学材料、纺织材料、服装等等。本文阐述纳米技术在服装上的主要运用及其原理;纳米技术与新型服装面料。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米技术是人类社会对物质世界认识过程中的又一重大发现,纳米技术有着不可估量的潜力,有人说它甚至会超越计算机和基因医学,成为2l世纪的决定技术。但是,纳米技术毕竟是近二十多来才蓬勃兴起的新科技,我们对它的认识还十分肤浅,我国纳米技术的应用仍处于开发试验阶段,离产业化和大批量进入市场还有一定距离。但是可以预言,随着对纳米技术的深入研究和开发,它在众多的高科技领域中,在纺织产品方面的应用会越来越广泛,它对纺织产品开发的积极作用将是无法估量的。
1.0纳米技术在服装上的主要运用
自20世纪以来,纳米技术就在服装、服饰方面开始运用。到21世纪初,人们才初步认识到纳米技术在服装上起到的作用。纳米技术在服装上的主要运用是“三防”——防水、防油、防污,无论是饮品、调味料、食用油、灰尘等均不能轻易渗透弄脏织物;织物具有不受污染的特性,不易渗入污渍,故能延长洗涤间隔、缩短洗涤织物的时间,以及减少清洁用品的开支;由于其超双疏特性,使织物更具快干功能;面料具有环保无污染、无毒的特性。目前,几乎所有的纳米服装、服饰的三防效果都是将某种纳米级的微粒覆盖在纤维表面或镶嵌在纤维甚至分子间隙中,由于这种微粒十分微小(小于100rim)且表面积大、表面能高。在物质表面形成了一个均匀的、厚度极薄的(用肉眼观察不到、手摸感觉不到)、间隙极小(小于100rim)的“气雾状”保护层。正是由于这种保护层的存在,使得常温下尺寸远远大于100nm的水滴、油滴、尘埃、污渍甚至细菌都难以进入到织物内部而只能停留在织物表面,从而产生了三防等特殊效果。就像荷叶一样,水珠在荷叶上滚动,而荷叶不受浸湿。当水打在织物上,它就会在气垫上形成水珠,滚离布面。如水分受压穿透织物,水分也不会被织物吸收,因此在流汗时,汗液可利用毛细管芯吸效应,经织物排出体外,保持干爽及拒水效应。同时,由于形成保护层的纳米级微粒极其微小,不会改变原坯布的物性,如颜色、舒适度、透气性等。纳米技术处理要增加一定的成本,一般运用于价值较高或者特别的产品,如西服、衬衫、领带、内衣等。早在2003年,“鄂尔多斯”投巨资采用纳米技术,成功地将一种不粘油污的新型纳米材料应用于羊绒制品,使得原本普通的羊绒制品具备了神奇的“三防”及自清洁功能。
2.0纳米技术与新型服装面料
纳米微粒具有许多特殊的性能,将其与服装材料复合,可以制备出具有抗茵除臭、抗紫外线、吸收红外线、抗老化、防电磁辐射、抗静电、自洁等功能的新型服装面料;纳米纤维具有手感柔软、光泽柔和、高吸水吸油性等特点,可以织造出仿真好、性能佳的服装面料。
运用纳米技术与纳米材料生产的服装面料主要有两类:一类为通过纳米微粒添加到纺织材料中,对化学纤维或面料进行改性,生产出功能性面料,如:抗菌除臭、防紫外线、凉爽、防电磁辐射、保健、蓄热保温、抗静电、隐身、防老化、免洗等面料;另一类为采用特殊纺丝法生产的纳米纤维,织造整理制成的高功能面料,如:仿真丝、仿桃皮绒、仿麂皮及人造皮革、防水透气、高保暖、高吸湿、低阻力等面料。纳米服装面料实现了“超天然”的效果。其仿真效果更逼真;功能更多、更强、更持久;感性、更接近人的要求。用纳米面料制作的服装更能满足时装化、高级化、多样化及个性化的设计要求。总之,应用纳米技术与纳米材料开发新型面料是服装面料发展的—个新方向。
抗菌除臭面料。抗菌除臭面料除能预防和抑制或杀灭细菌外,还能消除细菌分泌的毒素及臭味。2O世纪8O年代早期出现的抗菌除臭面料,多为用有机季胺盐、眯唑、洗必泰、硫苯妥钠等有机杀菌剂整理加工制成的,一般不耐洗涤,在日本有规定禁止给二周岁以下婴儿使用。近年来,I句聚合物中添加以天然物质为载体的无机杀菌剂微粉,已成为制造抗菌除臭纤维的重要手段。
防紫外线面料。在聚合物中添加能吸收或反射紫外线的纳米微粒,是制造抗紫外线纤维的重要方法之一。纳米微粒具有很好的吸收紫外线能力,而滑石、高岭土、碳酸钙等纳米微粒则具有良好的反射紫外线能力。通常抗紫外线纤维中含有几种组分的复合纳米微粒。例如可乐丽公司开发的抗紫外线性聚酯纤维“工乇”中就含有]ri、zn、Al、si及P的氧化物复合纳米微粒。对于透明度要求高的防紫外线服装面料,通常添加紫外线吸收剂~:znO和11o,微粒。防紫外线服装面料在遮挡紫外线的同时也能对可见光和远红外线起到一定的屏蔽作用。例如:用Fe—Ni合金纳米微粒与粘胶纺制的纤维,可以制成具有抗紫外波段(10~400nm)和抗红外波段(﹥750nm)的防紫外线服装面料。因此这种面料具有较好的降温效果,阳光下由这种面料制成的服装内温度可较普通棉布服装低2~3oC使穿着者明显感到凉爽。
凉爽型面料。由于太阳光谱中,在500nm波长附近有一能量峰值,300nm~2m波长范围内的光能占太阳光总能量的95%以上,如能将屏蔽的光线波长范围扩宽至0.2~5m,这样生产出的抗红外线(兼有抗可见光、抗紫外线的功能)面料制做的服装,在炎热季节里穿着会让人感觉凉爽。由王靖和刘艾平等人研制出的凉爽型抗紫外线、抗红外线涤纶面料,对紫外线的衰减达95.7%以上,对红外线的衰减达88.7%以上,该面料与普通面料的表面温差达1.5~2.9~C。
防电磁辐射面料。电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁,一些纳米微粒如Fe2O3、NiO等能强烈吸收电磁辐射,从而对人体起到防护作用。由西安华捷科技发展有限责任公司研制的既可防电磁辐射又可防紫外线辐射的服装面料,可吸收阻隔95%以上的电磁波及同等量的紫外线。
保健面料。远红外保健面料在吸收人体发射出的热量(红外辐射)后,通过电子能级变化,向人体辐射一定波长范围的远红外线(其中包括最易被人体吸收的4~l4m波长段),作用于人体皮下组织细胞,对人产生生理活性及促进新陈代谢的作用,对一些疾病,如高血压、低血压、糖尿病、更年期综合症、风湿症、腰疼和肩周炎等有辅助疗效。由于该面料能够反射部分人体辐射的红外线,也起到了屏蔽红外线,减少热量损失,提高保暖率的效果。据测定:远红外保健织物的保暖率可提高12%以上。
仿真丝面料。超细纤维技术是合成纤维仿真丝的重要手段之一。纳米纤维光泽柔和、手感柔软,其仿真丝面料的悬垂性好,仿真效果逼真,在感性上,甚至达到了超越天然纤维材料,具有天然纤维所不能达到的质地、手感和风格。
仿麂皮及人造皮革。用纳米纤维做成针织布、机织布或非织造布后,经过磨毛或拉毛再浸渍聚氨酯溶液,并经染色和整理,即可制得仿麂皮和人造皮革。其与天然皮革相比,具有强度高、重量轻、色泽鲜艳、防霉防蛀、柔韧性好等特点,而且仿真效果远远超出以前的人造皮革。
技术指标
纳米氧化铝外观白色粉末。
纳米氧化铝晶相γ相。
纳米氧化铝平均粒度(nm)20±5.
纳米氧化铝含量%大于99.9%。
熔点:2010℃-2050℃
沸点:2980℃
相对密度(水=1)】:3.97-4.0
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性,以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应,也使其成为了研究热点,按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类,按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中,对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”,这种索具有金属特性,室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上,在X射线照射下具有光电导性能,利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。
纳米纤维在面料中更易被挤压变形和贴紧,因此它可以形成密度更高的面料。使用纳米长丝进行高密度织造,并进行收缩处理,可得到不需任何涂层即可防水的面料。纳米纤维面料的经纬密度是普通面料的好儿倍,且可耐3920Pa压力。耐时又有透气、透湿性及轻便、易折叠、易携带的特性。
随着纳米技术的发展和纳米材料广泛应用于纺织品服装,多功能、高附加值的纺织品服装将不断满足人们生活中的需求。作为学习服装的我们,更加了解纳米材料对未来服装的作用。在孙老师的带领下我们已经见识到了纳米材料在航空航天、医疗、军事等方面的研究成果,我们也希望自己能够通过更加深入的研究,去发现纳米材料的神秘,这样才能带来更多的满足。
应用范围
1、天然纳米材料
海龟在美国佛罗里达州的海边产卵,但出生后的幼小海龟为了寻找食物,却要游到英国附近的海域,才能得以生存和长大。最后,长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5~6年,为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢?它们依靠的是头部内的纳米磁性材料,为它们准确无误地导航。
生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时,也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。
2、纳米磁性材料
在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
3、纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动,材料质脆,烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后做表面退火处理,就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性,而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
4、纳米传感器
纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此,可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪,检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。
5、纳米倾斜功能材料
在航天用的氢氧发动机中,燃烧室的内表面需要耐高温,其外表面要与冷却剂接触。因此,内表面要用陶瓷制作,外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化,让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”,最终便能结合在一起形成倾斜功能材料,它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时,就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。
6、纳米半导体材料
将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料,具有许多优异性能。例如,纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低,电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降,甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。
利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力,因而它能氧化有毒的无机物,降解大多数有机物,最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等,所以,可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。
7、纳米催化材料
纳米粒子是一种极好的催化剂,这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全,导致表面的活性位置增加,使它具备了作为催化剂的基本条件。
镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂,可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600℃降低到室温。
8、医疗上的应用
血液中红血球的大小为6000~9000nm,而纳米粒子只有几个纳米大小,实际上比红血球小得多,因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位,便可以检查病变和进行治疗,其作用要比传统的打针、吃药的效果好。
碳材料的血液相溶性非常好,21世纪的人工心瓣都是在材料基底上沉积一层热解碳或类金刚石碳。但是这种沉积工艺比较复杂,而且一般只适用于制备硬材料。
介入性气囊和导管一般是用高弹性的聚氨酯材料制备,通过把具有高长径比和纯碳原子组成的碳纳米管材料引入到高弹性的聚氨酯中,我们可以使这种聚合物材料一方面保持其优异的力学性质和容易加工成型的特性,一方面获得更好的血液相溶性。
实验结果显示,这种纳米复合材料引起血液溶血的程度会降低,激活血小板的程度也会降低。
使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。通过纳米粒子的特殊性能在纳米粒子表面进行修饰形成一些具有靶向,可控释放,便于检测的药物传输载体,为身体的局部病变的治疗提供新的方法,为药物开发开辟了新的方向。
9、纳米计算机
世界上第一台电子计算机诞生于1945年,它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的,一共用了18000个电子管,总重量30t,占地面积约170㎡,可以算得上一个庞然大物了,可是,它在1s内只能完成5000次运算。
经过了半个世纪,由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展,使计算机技术有了飞速的发展。今天的计算机小巧玲珑,可以摆在一张电脑桌上,它的重量只有老祖宗的万分之一,但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。
如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件,那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”,其袖珍的程度又远非今天的计算机可比,而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。
可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后,可以缩小成为“掌上电脑”。
10、纳米碳管
1991年,日本的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料,它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物,也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的,如图所示。
这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的,因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍,导电率比铜还要高。
在空气中将纳米碳管加热到700℃左右,使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏,成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属(如铅)蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上,由于虹吸作用,金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小,因此管内形成的金属丝也特别细,被称为纳米丝,它产生的尺寸效应是具有超导性。因此,纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。
纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段,美、日、德等少数国家,虽然已经初具基础,但是尚在研究之中,新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平,研究队伍也在日渐壮大。
11、家电
用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用为作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。
12、环境保护
环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消除污染。
13、纺织工业
在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料,经抽丝、织布,可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装,可用于制造抗菌内衣、用品,可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
14、机械工业
采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。fWjA523sdryiC


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