第六届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集２００６．５纳米纤维和纳米材料在非织造布中的应用王旭焦晓宁天津工业大学摘要：介绍了几种纳米纤维的制备方法，以及这些纤维在非织造布中的应用情况。分析了纳米材料在纤维改性以及功能整理中的应用。关键词：纳米纤维；纳米材料；非织造布；整理中图分类号：ＴＳｌ７２文献标识码：Ａ纳米材料比表面积、表面能和表面张力都极大，体积效应和量子效应异常明显，相对普通材料而言，其在光、热、电磁、机械等方面的性能变化显著，具有许多常规材料所没有的特殊性能。纳米材料可以用来制作高效过滤材料，抗细菌病毒的防护服，纤维增强复合材料，抗紫外线材料，药物长效缓释材料，生物医疗材料等。近年来，随着纺织工业技术的不断进步，纳米技术和纳米材料也被广泛的应用到非织造布领域。细度极小的纳米纤维，含有特殊功能的纳米材料已被成功运用到非织造布的实际生产当中ｕ。。１纳米纤维及在非织造布领域的应用纳米纤维是指直径在ｌｎｍ’１００ｎｍ之间的纤维。严格的讲，纳米纤维不包括以普通纤维为载体加入纳米材料而制成的纤维。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，拥有巨大的表面活性和表面能，小尺寸效应、表面效应、界面效应宏观量子隧道效应等效应十分明显。纳米纤维应用范围涵盖了滤材、宇航、能源、保健、生物技术等诸多领域。纳米纤维的制作方法很多，主要以生物合成、化学合成和静电纺丝为主，每种方法生产的纤维都可在非织造布领域得到利用。１．１生物合成法纳米纤维与非织造布自然界中的蜘蛛丝和细菌纤维素纤维是典型的纳米纤维。较细的蜘蛛丝直径只有１００ｎｍ，是真正的天然纳米纤维，也是最好的生物合成结构材料之一。蜘蛛丝的比模量优于钢而韧性优于Ｋｅｖｌａｒ纤维。蜘蛛丝链状分子的特殊取向和结晶结构是其力学性能优异的主要原因，是许多天然纤维与合成纤维都无法比拟的。２００２年１月，加拿大与美国的科学家合作，成功地仿制出蜘蛛丝。采用蜘蛛基因，制备了重组的蜘蛛丝蛋白质，并用这种蛋白质与水的体系为原料纺制成接近于天然蜘蛛丝的人造蜘蛛丝，商品名定为ＢｉｏＳｔｅｅｌ，暗示该材料强韧性优于钢。该生产过程没有使用溶剂，不存在环境污染，是目前传统化纤溶液纺丝方法很难做到的。细菌纤维素纤维是近年来材料科学界出现的新成员，它由菌类产生。细菌纤维素纤维由氢键相互连接，多束合并形成一根长度不定，宽度为３０ｎｍ’１００ｎｍ，厚度为３ｎｍ’８ｎｍ的细菌纤维丝带。细菌纤维素纤维具有良好的亲水、凝胶特性，可制成特殊的人造皮肤、纱布、绷带和创可贴等伤科敷料产品腔］。将细菌纤维素加入纸浆，还可提高纸张的强度和耐用性而造出高品质的特殊用纸，如用于货币印刷的特种纸。１．２化学合成法纳米纤维与非织造布生物合成的纤维纳米纤维性能优异，但仅仅局限于很少量的品种，技术难度高，产量小，因此考虑采用化学合成的方法直接制作纳米尺寸的纤维。不同类型的纳米纤维其合成方法也有区别，化学合成法生产的纳米纤维其在非织造领域的应用还处于探索阶段，可以在提高非织造布的功能特性方面做一些应用探索。１．３新型纺丝法纳米纤维与非织造布娼¨叫１５６第六届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集２００６·５静电纺丝法是对带电聚合物熔体或带电纤维素溶液施加强电场，利用电场产生的静电吸引力作用进行纺丝的工艺。纺丝过程中，带电高聚物喷射流喷出纺丝孔穿过强电场时，受到电场静电吸引力的作用，形成直径为ｌＯｎｍ’１０００ｎｍ的纳米纤维。这些纤维可以直接被纤网载体收集，形成复合增强非织造布。目前，适合静电纺丝加工的聚合物超过３０种。静电纺丝法制成的非织造布可阻隔细菌、病毒及有害物质，并且柔软透气。一些过滤性、阻隔性、粘合性和保温性优异的尼龙静电纺丝法生产的非织造产品，己经被用来制作高性能的过滤材料，比如化学防护服装。图１静电纺丝示意图图２静电纺丝喷丝头图３三种纳米纤维在不同放大倍数下的电镜照片复合纺丝法也可以生产纳米纤维，典型代表是剥离型和海岛型复合纺丝法。美国Ｈｉｌｌｓ公司的海岛型复合纺丝技术是在每根海岛纤维生成１０００个左右的岛，经过充分拉伸使岛相成为纳米直径的原纤，再将海相用溶剂洗去，剩下的部分即是纳米纤维。由于这种纤维具有极高的柔软度和极小的细度，因此以此纤维为原料制作的非织造布具有麂皮般的效果，被广泛应用于制作高档合成革基布，应用前景广阔临１。另外经纳米纺丝工艺制作的尼龙纤维非常适合制作过滤材料，这些过滤材料能极好的满足燃气轮机、压缩机的过滤要求。第六届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集２００６—５图４纳米纤维复合过滤材料另外，利用纳米纤维的低密度、高孔隙度和大比表面积特性，制作多功能非织造布美容护肤面膜，这种非织造布材料的面膜具有大量的微孔结构，有利于蒸汽扩散。由于纳米纤维的毛细芯吸作用很强，因此面膜的吸水性和吸油性也相应提高。并且面膜的舒适性有很大的提高，这些都恰好弥补了传统面膜的不足，具有巨大的潜在市场。纳米纤维非织造布还可以用于皮肤伤口的治疗和制作特殊功能的止血材料。纳米纤维非织造布具有的微孔可滤除微细粒子，防止细菌渗入，并且能使蒸汽扩散，具有“可呼吸性”，满足皮肤呼吸排汗的需要。由可生物降解聚合物制成的纳米纤维非织造布，可以直接在伤口表面的皮肤形成保护层，不仅可以促进伤口皮肤的生长，而且伤口愈合后不会留下疤痕，这是传统的包扎治疗所不能比拟的。２纳米材料在非织造布改性和功能整理上的应用纳米材料运用到非织造布中可以提高非织造布的质量，提高性能，降低成本，并且使生产高技术、高附加值产品成为可能。综合国内外的研究情况，纳米材料在非织造布中的应用主要体现在以下几个方面：将具有特殊性质的纳米微粒加入聚合物混纺丝；利用纳米整理技术赋予非织造布独特性能。２．１含有纳米材料的聚合物导电纤维自１９９６年以来，导电聚合物纤维的研究便开始了。纳米导电纤维的直径细小，导电组分主要是纳米金属化合物和纳米级碳黑，导电性和耐用性优良。纳米导电型金属化合物纤维的导电性能较好，纤维可纺性较高，但成本较碳黑型的高，大规模应用有一定困难；纳米导电型碳黑易于制取，且价格低廉，成纤容易，但碳黑添加到纤维中后会使纤维变黑，影响产品的外观∞１。最近有报道显示，以纳米二氧化锡或纳米二氧化钛为填充物的聚合物导电纤维，相对于纳米碳黑导电纤维具有更好的导电性能和可纺性，并且色泽白亮，产品效果更美观，总体成本较普通纳米金属导电纤维要低。以纳米导电聚合物纤维为材料生产的非织造布可以用来制作防护隔离服、电磁屏蔽罩，这些非织造产品在电子工业领域、医疗卫生领域和军事科学领域都有广泛的用途。２．２用于过滤领域的纳米驻极体非织造布驻极体过滤材料的过滤效率要远远高于常规过滤材料。驻极体过滤材料带电量的多少和电荷衰减的快慢程度对产品的性能和使用寿命影响很大，纳米陶瓷是自发电极性最强的矿物驻极体材料，极化矢量不受外部电场的影响，具有压电和热电性。将纳米微粒作为添加剂，加入到聚丙烯切片中，生产驻极体熔喷非织造布，并对该非织造布进行电晕放电，制得新型的复合驻极体熔喷非织造布滤材。对复合驻极体熔喷非织造布滤材进行性能测试，结果显示：极性纳米陶瓷容易吸附电晕放电时产生的自由电荷使聚丙烯大分子更容易极化。添加纳米陶瓷微粒后能明显改善熔喷聚丙烯驻极体非织造布驻极效果，提高了材料的静电吸附能力和过滤性能，并且降低过滤阻力，是高效滤材的理想替代产品。２．３含有纳米材料的新型粘胶纤维粘胶纤维是非织造布的重要原料之一，其组成结构与棉相似，并拥有棉纤维的大部分优点，吸湿、透气及染色的特性与棉纤维基本相同。粘胶纤维非织造布手感柔软、滑爽，具有优异的悬垂性１５８第六届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集２００６—５和蚕丝般的光泽，热稳定性和光稳定性高，不起球，不起静电，强度能满足一般非织造布产品的需要。粘胶纤维非织造布是绿色产品，可自然降解。但普通粘胶纤维技术含量低、功能性差，应用范围窄。将多种纳米抗菌剂涂覆或分散添加到粘胶纤维中，成功的研制出纳米银抗菌粘胶纤维，以此纤维为原料制作各种功能性非织造布，其各项物理指标均能满足使用要求。纳米材料与粘胶纤维优良特性的有效结合，拓宽了纳米材料的应用空间，打破棉纱在某些应用领域的垄断，有效的带动纳米科技产业的进步２．４纳米材料在抗菌整理中的应用Ｈ。众所周知银的抗菌性能优异且安全无毒，银微粒到了纳米级后，其表面效应、量子效应和抗菌性能都会有数千倍的提高。另外由于纳米银的粒径多在２５ｎｍ以下，比细菌（数百纳米）、病毒（几十纳米）还小，所以纳米银可以穿透细胞壁，与它们用于呼吸的酶结合，使细菌、病毒窒息而死，并且不存在改变基因的可能，当菌体被杀灭后，纳米银又游离出来，继续与其它菌落接触，进行新一轮杀菌过程。纳米银抗菌速效、广谱、无耐药性，对金黄色葡萄球菌、克氏肺炎杆菌的抑茵率均在９９％以上。将纳米银微粒高度均匀地分散植入非织造布纤维中，不使微小的纳米银微粒发生团聚，所用纳米银微粒的耗材量相对较低，但活性和稳定性，抗菌性能和耐洗涤性均不会发生显著变化。实验证明纳米银非织造布材料对人安全无毒，可以放心使用。以纳米银创口贴、纳米银烧烫伤贴、纳米银抗病毒一次性口罩为代表的新型医用材料，已广泛的应用于临床治疗当中Ⅲ、９。。２．５纳米材料在抗紫外线整理中的应用ｕ抗紫外线是指能吸收或反射紫外线，通常是对纤维及其非织造产品添加能屏蔽紫外线的物质，以提高纤维及其非织造产品对紫外线的吸收和反射能力。高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铝、氧化锌等多种物质对光线都具有屏蔽防护的作用。这些材料的超细纳米粉体，光吸收性能显著增强，粉体的比表面积大、表面能高，与高分子材料能紧密结合。具体应用时，通常将纳米抗紫外线材料作为添加剂来制备功能化纤维和纳米复合纤维。比如湿法纺丝中的溶液共混，就是在将高聚物经适当的溶剂溶解后，将纳米粒子加入其中，然后进行纺丝加工；而熔融纺丝则是将纳米微粒加入熔融的聚合物中，制备功能化纤维。然后再用这些纤维生产具有抗紫外线功能的非织造布产品，比如广告用布、户外装饰布、遮阳伞、窗帘等。后整理中的涂层法和浸渍法也是重要的抗紫外线手段。涂层法是将纳米抗紫外线微粒添加到涂层剂中，再把涂层剂涂敷到非织造布上形成屏蔽薄膜，达到抗紫外线的目的。涂层法的工艺简单，操作方便。浸渍法是将纳米微粒的乳胶和其它整理剂混合，然后将非织造布浸入其中以达到抗紫外线的功效。目前这两种方法在非织造布抗紫外线整理中已经得到运用。２．６纳米材料在远红外吸收整理中的应用ｎ纠在特殊陶瓷粉体基础上开发出具有远红外特性的纳米陶瓷粉，包括三氧化二铝、氧化镁、二氧化硅、氧化锌、三氧化二锑等。将这些纳米粉体与聚合物切片共混后纺丝制得纳米远红外功能纤维，或者通过在纤维表面涂覆含有远红外纳米粉体的粘合剂来得到纳米远红外纤维。利用纳米远红外功能纤维可以生产具有远红外功能的功能性非织造布，这些非织造布产品可以吸收人体所发出的远红外波，并且再向人体辐射一定波长的远红外线，这样就减少了热量损失，增加了皮下微循环的速度，促进了血液循环，加快了新陈代谢，达到了保健的功效。２．７纳米材料在阻燃整理中的应用ｕ刘耐高温阻燃纤维织物是指在２００℃的温度下，纤维织物可以连续使用而不出现分解，各项物理机械性能没有明显变化。理想的耐高温阻燃纤维织物必须满足阻燃和低导热性，同时要具有良好的物理机械性能、高温尺寸稳定性、化学稳定性和耐用性。以具有阻燃效果的纳米微粉作添加剂，利用低温等离子体处理技术和双相自然再生工艺技术，采用熔融共混的方法制备纺丝液，使纳米微粉均匀地分散在纺丝液中，使原来的纺丝液得到合理的改性处理，形成稳定均匀的混合体，可纺性强，产品的技术性能水平先进，是一种理想的耐高温阻燃高科技新型纤维，并以此纤维作原料加工非织造耐高温过滤材料。第六届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集２００６—５纳米耐高温阻燃非织造布过滤材料的研制成功是纳米材料技术与传统工艺结合的新成果，也是耐高温过滤材料工艺技术上的一项重大突破。纳米耐高温阻燃非织造布过滤材料的研制成功对降低大气污染，提高环境质量将起到积极的作用。３结束语虽然纳米技术在非织造布领域的应用才刚刚起步，但已经展现出广阔的应用前景。随着研究的不断深入，相信纳米技术必将在非织造领域发挥更大作用，推动整个行业的科技进步。参考文献［１】钟智丽，王训该．纳米纤维的应用前景【Ｊ】．纺织学报，２００６，２７（１）：１０７．１１０．［２】卞玉荣，余晓斌等．细菌纤维素的性质与结构研究［Ｊ】．纤维素科学与技［３】王德诚．纳米纤维及其制造方法［Ｊ】．合成纤维工业，２００４，２７（１）：２９—３１．【４】ＢｕｅｒＡ，ＵｇｂｏｌｕｅＳＣ，ＷａｒｎｅｒＳＢ．ＥｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｏｍｅ术，２００１，９（１）：１７—２０．Ｎａｎｏ—ｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．ＴｅｘｔｉｌｅＲｅｓ，７１（４）：３２３—３２８．【５】安树林．海岛纺丝．超细纤维．人造皮革［Ｊ】．纺织学报，２０００，（１）：４８—５０．［６】ＤｚｅｎｉｓＹＡ，ＷｅｎＹＫ．ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｆｉｂｅｒｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ—Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００２，７０２：１７３－８．ｆｏｒｎａｎｏ—ｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ】．ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＳｏｃｉｅｔｙ【７】忻赛君，何敏珠，程隆棣．纳米抗菌织物的开发及抗菌性能研究［Ｊ】．上海纺织科技，２００５，３３（１）：３１．３２．【８】ＫａｔｔｉＤＳ，ＲｏｂｉｎｓｏｎＫＷ，ＫｏＦＫ．Ｂｉｏｒｅｓｏｒｂａｂｌｅｎａｎｏ—ｆｉｂｅｒｂａｓｅｄｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｗｏｕｎｄｈｅａｌｉｎｇａｎｄｄｒｕｇｄｅｌｉｖｅｒｙ：ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ】．ＪＢｉｏｍｅｄＭａｔｅｒＲｅｓ，２００４，７０（２）：２８６—２９６．ｏｆｐｏｌｙｍｅｒｎａｎｏｆｉｂｅｒｓｉｎｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅａｎｄｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＡｐｐｌＢｉｏｃｈｅｍ［９】ＶｅｎｕｇｏｐａｌＪ，ＲａｍａｋｒｉｓｈｎａＳ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２００５，１２５（３）：１４７－１５８．［１０】杨栋梁．纺织品的紫外线屏蔽整理【Ｊ】．印染，１９９５，２１（５）：３６—４６．［１１】倪敬达，于湖生．纳米材料在防紫外线纤维及其织物中的应用［Ｊ】．高科技纤维与应用，２００５，３０（３）：２９—３１．［１２】杨英贤，王广阔．纳米材料特性及其在保健功能纤维中的应用［Ｊ】．高科技纤维与应用，２００５，３０（２）：３４．３６．［１３】冷纯廷，程宏，韩连顺．纳米耐高温阻燃纤维过滤材料【Ｊ】．产业用纺织品，２００５，３：４０．４２．１６０纳米纤维和纳米材料在非织造布中的应用
作者：作者单位：
王旭， 焦晓宁天津工业大学
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