纳米材料应用于天然纤维改性中的技术模式yd18122

文/陈宇岳

作者简介：陈宇岳，男，1962年生，教授，主要研究方向为纤维资源开发利用、纤维材料的改性技术与应用。

作者单位：苏州大学。

原载：纺织导报2013/12：28-30

【摘要】本文阐述了纳米材料对纺织材料进行改性通常应用的4种方法的优缺点，即共混纺丝法、后整理法、接枝改性法和原位生成法。在不影响天然纤维本身优点的基础上，作者提出了两种纳米材料功能整理的方法，即纤维表面非连续介质导入法和纤维内部填埋法，并通过实例验证了这两种方法的有效性。

【关键词】纳米材料；功能整理；天然纤维

【中图分类号】TS 195.6 文献标志码：A

自上世纪合成纤维问世以来，合成纤维产业的日新月异发展带动了纤维业向高技术产品的纵深延伸，也推进了现代人们的消费方式，作为单一天然纤维的应用历史也告终结。从产业角度来看，天然纤维为了自身产业的生存，不断进行着技术革新与改良，但天然纤维作为自然产生物，其产品的性能及功能的发展远达不到合成纤维的技术发展速度。

而从上世纪末至近几年，合成纤维已完成了仿真到超真的技术转变，合成纤维超细化加工技术的实现进一步促进了合成纤维制品的多样化和功能化，这对天然纤维产业所形成的发展压力也是空前的。

但技术发展并不是单向性的，当合成纤维借助于功能材料技术的发展而壮大时，作为合成纤维制品实现了诸如抗紫外、抗菌等功能时，天然纤维也同样获得了现代材料技术发展这一平台的支持，产品功能上也有效地获得了技术突破，这一发展，有效地弥补了天然纤维单一的缺陷，也使天然纤维成功地走向了功能化之路。

近年来，产品消费的细分化现象日益显著，各类纺织纤维在服装产品的亲肌肤性、友好性、美观性、功能性等方面表现出了不同的特点和优势，从而也使各种纺织纤维在产品开发方面表现出了不同的特长，这在客观上促进了纺织产业走向细分化、多样化，也促使纺织技术产品的相互交叉或多重风格。

而在纺织产品的功能化实现中，纳米材料的应用对于推进纺织品的功能化起到了十分重要的作用，但这一作用更多地体现在化学纤维的应用方面，在天然纤维领域，纳米技术产品相对较少，所以也影响了天然纤维多样化的实现。

纳米技术及纳米材料已经成为2 l世纪世界各国争相研究的重点，在纺织工业中，为功能纺织品的开发和纺织品应用领域的拓展提供了广阔的思路和可行性。

1 纳米技术在纺织产品中的应用

目前，利用纳米材料对纺织材料进行改性通常有4种技术方法。

1.1 共混纺丝法

共混纺丝法可以用来制备合成纤维和再生纤维，即将功能纳米材料与纺丝切片或纺丝液混合，通过熔融纺丝、湿法纺丝或干法纺丝等纺丝技术制备纳米材料改性纤维。采用共混纺丝法制备的纳米材料改性纤维具有性能稳定，纳米材料与纤维结合牢度高，稳定性好，耐久性好等特点。采用共混纺丝法需要纳米材料具备一定的性能，如采用熔融纺丝时，要求纳米材料具有较好的耐高温陛能，并且粒径足够小；采用湿法纺丝或干法纺丝时，要求纳米材料和溶剂或凝阎剂无相互作用，并能往纺丝液中保持足够的稳定性。

1.2 后整理法

对于一些天然纤维或者已经以纤维或纺织品形式而存在的纺织材料而青，则无法通过共混纺丝法来实现纳米材料对其的改性，因此后整理法可以解决这个问题。后整理法即是采用浸渍、浸轧、涂层或喷涂等方法将纳米材料附加到纤维上，并使之固着在纺织材料上的一种方法。后整理法通常有以下几种情况：(1)将纺织材料浸渍到纳米材料分散液中，通过纳米材料高的表面能使之吸附在纺织材料表而；(2)将纳米材料分散在一定溶剂中，通过喷涂方式将纳米材料一次或多次沉积征纺织材料表面；(3)将含有纳米材料的整理剂在一定的粘合剂(如反应性树脂)俘在下涂覆到织物表面，形成一种功能性的涂层。

后整理法制备纳米材料改性纺织品具有工艺简单、可操作性强等优势。但加工过程中纳米材料易团聚，纳米材料与纤维结合牢度低；或者处理过程中通常含有一些有毒的溶剂或粘合剂，给纺织品带来一些污染；再者一些粘合剂或涂层会改变纤维本身所具有的一些优异的性能，如棉纤维柔软、吸湿、透气等特性，真丝纤维爽滑、和人体良好的亲和力等，使之手感变差，穿着舒适性大大降低。

1.3 接枝改性法

由于后整理法中纳米材料与纺织纤维间缺少相应的作用力，或者粘合剂和涂层的引入会影响织物的性能。因此，通过某种途径赋予纳米材料表面一定的官能团，再与纤维表面官能团直接或间接反应，将纳米材料接枝到纺织材料表面，以提高其牢度且不影响材料本身。也可制备各种微胶囊，将纳米材料置于微胶囊中，然后将微胶囊接枝到纤维材料上。但纳米材料本身改性及微胶囊技术难度高，目前没有得到广泛应用。

1.4 原位生成法

以上方法都是将纳米材料机械式的添加到纤维上，在加工中工艺复杂，或者效果较差，并且由于纳米材料本身的团聚效应，使纳米材料不能在纤维表面获得很好的分布。对于天然纤维而言，纳米材料只能简单地添加在纤维表面，更加导致了其耐久性差。原位生成技术能够同时在纤维的表面和内部生成纳米材料，在纤维上分布均匀。并且纳米材料的制备和对纺织材料的整理同时进行，避免了纳米材料在整理过程中团聚的问题。而且原位生成技术也使纳米材料与纤维天然结合牢度高，因此，正越来越受到广大纳米材料和材料改性研究者的重视。

2 纳米材料在天然纤维改性中的应用

通过长期对化纤类制品的消费认知，人们发现了天然纤维，在综合性的因素(如舒适性、保健性等)方面，都具有不可替代性，尤其作为内农面料，天然纤维(特别是真丝和棉纤维)制品具有更大的优越性能，这种通过反复实践所获得的消费认知所形成的对产品的“忠诚”将在相当长的时期内存在，这也将提醒研究者，在对天然纤维产品功能化研究中，必须充分尊重天然纤维这一特点。

天然纤维作为天然生成物，功能材料的导入方式，将影响天然纤维本身的自然优势。为了保护天然纤维与人体的友好性，在功能化改性中，可以采用以下两种方式。

2.1 纤维表面非连续介质导入法

非连续介质导入，是指在纤维表面离散分布功能材料的细小微粒，不影响天然纤维本身与人体的接触，这一思考依据，对于真丝制品尤其重要，众所周知，真丝的蛋白质结构与人体蛋白质特征有无可比拟的相似性，所以，任何其他功能材料在真丝表面的连续覆盖都将使真丝制品的友好性和亲和性能受到影响。

2.2 纤维内部填埋法

纤维内部填埋，依据来自天然纤维(蚕丝、棉、麻等)本身的结构具有原纤特征，这种原纤特征决定了天然纤维内部具有众多的微孔和微隙，给功能材料的导入提供客观便利，这种导入方式，也对天然纤维功能的长效性有很大的益处，但这一导入手段对技术的要求相对较高。从现有的技术来看，纤维内部组装技术是一种有效的方法，而前述的原位生成技术，也属于这一范畴，这种原位生成技术的特点在于：在功能材料组装前，功能材料本身以离子或分子形式游离进入天然纤维内部，再通过特定的反应环境，使进入纤维内部的离子或分子反应生成具有特定结构的固体材料，从而使功能材料支撑在纤维内部，实现在保护天然纤维本身优势性能的同时，实现其功能的长效性。

从本质上来看，功能纳米材料是最符合纤维表面非连续介质导入法和纤维内部填埋法的功能元素，也符合纤维表面非连续介质导入法和纤维内部填埋法的技术要素，由于不同纳米材料所表现的功能性各不相同，可以根据开发的功能，选择不同的纳米材料，但这里所言的纳米技术本身，不仅仅是纳米材料，更重要的是制备纳米材料的工艺过程，只有这样，才能实现从常规整理技术到纳米组装技术的突破。

3 实施案例分析

为了能更好地说明问题，笔者选择自己的部分研究结果进行对比分析。

3.1 形态比较

从图l和图2比较，图2采用了原位生成纳米银技术，有效实现了在真丝纤维表面的离散的非连续纳米银分布，纳米银颗粒细小，不影响真丝材料原有的表面特征。

图1普通真丝纤维SEM图	图2原位生成纳米银真丝纤维SEM图

3.2 吸附量比较

表l为普通纳米银助剂整理和采用同样浓度制备工艺原位生成技术(组装技术)两种不同方法处理的真丝织物中的纳米银含量，可以看出，随着银浓度的提高，整理到织物上的纳米银含量增加。比较同一浓度下两种方法整理的真丝织物中的银含量，采用原位生成整理的真丝织物银含量明显高于常规浸渍法整理的真丝织物。说明浸渍法整理真丝织物时，纳米银难于均匀地吸附到真丝织物的内部，主要集中在纤维表面。而原位生成、自组装技术整理时，银离子能够均匀渗透到真丝纤维内部的各个部位，再将其还原，自组装生成纳米银，所以其银含量要高干浸渍法整理的真丝织物。

表1 浸渍法和原位生成法整理真丝织物银含量比较 mg/kg

为了比较两种方法整理的真丝织物上的纳米银的牢度，选取两个具有相近银含量的样品进行耐洗牢度测试，在经过不同次洗涤后测试样中的银含量，以此评价其耐洗牢度。表2中列出了分别经过lO、20和30次洗涤后的样品中的银含量，由表中数据可见，浸渍法整理的真丝织物在经过lO次洗涤后，银含量从125.94 mg／kg下降到81.63 mg／kg，下降了35.2％，在经过30次洗涤后，银含量下降到56.48 mg／kg，相比未洗涤的样品下降了55.2％。而通过原位生成法整理的真丝织物洗涤30次后，银含量从116.48 mg／kg下降到101.29 mg／kg，仅下降了13.O％。证明了原位生成法处理后，因纳米银分布于纤维内部，并支撑在纤维微孔和间隙中，所以纳米银和真丝纤维的结合牢度远高于普通浸渍整理法，具有很好的耐洗牢度。

表2 普通浸渍法和原位生成法整理真丝织物的耐洗牢度比较mg/kg

以上结果表明，原位生成法整理真丝纤维或制品不仅可以获得较高的银含量，提高纳米材料的利用率，同时还能获得很好的耐洗牢度。

3.4 抗菌性能分析

笔者选择低含量原位生成技术制备的纳米银真丝面料，进行抗菌耐冼性分析，表3显示，真丝面料经30次洗涤还具有优异的抗菌性能，能有效满足日常生活中的抗菌要求，也有效节约了生产成本。

表3低含量原位生成纳米银整理真丝织物抗菌耐洗性

4 结语

天然纤维是大自然给人类最珍贵的礼物，自然、生态、友好、亲和，这是天然纤维功能化改性中最不能忽视的重要元素，而要保护这种天然纤维所固有的优势，不仅在技术上要有所提升，更要在人文领域具有良好的审美视角，只有这样，才能让研究进入人性化的通道。随着高新技术的不断发展，对纺织品的功能要求会越来越高，但天然纤维的优势依然在于“天然”本身，因为天然纤维和我们人类一样，都是大自然的子孙。

(致谢：本文部分研究数据采用张德锁博士的研究报告）