国外染整科技

织物纳米整理技术的进展

摘译自美国《纺织学报》2008,No.8；731～737

车映红译　陈颖校

原载：印染2008/22；49-50,54

网上来稿：zhanyizhen，qt20090509-1

对天然纤维和合成纤维织物进行整理,以获得需要的手感、表面结构、颜色和其它特殊的外观及功能特性,是纺织品生产的主要目的。在过去十年里,纳米技术的出现推动了纺织技术的发展和革新。通过应用纳米技术,织物整理使用了新的方法,并显现出巨大的潜力。

提高织物表面性能有很多种方法,如运用纳米技术进行适当的表面整理、涂层和改性。图1列示了纳米技术在织物整理方面的一些代表性应用。

图1　纳米技术在提高织物性能方面的应用

纳米技术提供了大量有效的手段和方法来生产所需要的织物,主要是对织物进行表面改性。例如,防止液体润湿的织物拒水或防污整理。“液体2织物”界面相互作用的基本原理和理论背景,在Schrauth等人最近的论著中进行过论述。他们认为通过改变织物表面微米级和纳米级的表面特征,可以对织物润湿性能实现更有效的控制。这种对织物表面性质的改变能够显示出“荷叶效应”,即叶子表面天然的拒水行为。这种能够“再现”拒水行为的表面改性工程,可用于开发拒水或防污织物的特殊化学整理。

最近几年,研究人员和产业界尝试利用类似纳米表面工程改性的概念来开发高性能织物。在这方面最成功的例子是美国的Nano2TexTM公司。通过应用纳米技术,该公司研发了几种织物整理方法以提高织物品质,例如更好的耐用性、柔软性、撕裂强力、摩擦牢度和抗皱性/保形性。实际上,这家公司是开发织物涂层和整理技术的先驱,已开发了一系列高性能织物,例如“Nano2Pel”技术(一种防污和拒油整理)就是利用表面工程概念,其开发的拒水织物的表面,具有防液体和防污性能,同时一些织物所需要的又有其它属性,如透气性、柔软性和舒适性。基本上,这种表面处理可使织物的表面具有纳米级的毛茸结构,使织物表面变得粗糙,从而避免“液体2表面”的相互作用,以及随之而来的液体的渗透,处理后的织物就具有了永久的拒水或防污性能。Nano2TexTM公司还开发了其它一些表面处理技术并注册了商标。Nano Touch是其中一种已注册的纳米技术,用于处理“皮芯”型织物。在皮芯型纱线或织物中,芯层通常是合成纤维,皮层是天然纤维,如棉。将这种织物的芯层通过纳米处理,可具有高强度、永久抗静电性能和耐用性,而皮层则采用传统处理方法,可获得理想的柔软性、舒适性和美观性。Nano Care技术用于生产抗皱/免烫纤维素纤维织物(如棉) ,“Nano Dry”技术可对合成纤维进行亲水整理。这种纳米整理的织物可使身体的水分/汗液通过织物迅速转移并蒸发,从而让穿着者感觉更舒适。该公司还开发了一种Nano beads技术,其可携截具有生物活性制剂或抗生物制剂、药品、麻醉剂、防晒乳和染料,从而使纺织品获得需要的高性能。

最近,Beringer和Hofer研究证明,将羟磷灰石、TiO2、ZnO、Fe2O3 纳米颗粒和其它有机物或无机物结合,对纺织品表面进行适度的改性,可显著提高其耐磨性、拒水性、抗紫外性和防电磁辐射/红外特性。例如将二氧化钛纳米颗粒应用到UV防护中。类似地,将二氧化硅纳米颗粒作为涂层材料的添加剂,可以显著改善纺织品的强力和阻燃性。对棉织物,在整理过程中应用纳米工程交联剂可以实现抗皱性。除了抗皱性,这种整理排除了有毒物质,同时保持了棉的舒适性。还有很多织物功能整理可以通过微胶囊技术来实现,目前正广泛用于医疗领域。通过该技术,可将若干种液体或固体试剂(香料、阻燃剂等)包裹于另一相材料中。微胶囊技术可用于纺织品的除臭整理。防火和抗菌整理剂也可进行微胶囊包裹,对织物进行高级整理。

基于纳米技术的几种新型纺织品

近几年,随着纳米技术在纺织纤维、纱线和织物整理上的应用,出现了若干新型或改进的纺织品(图2)。

图2　纳米在纺织品中的应用

这方面的相关文献已非常多,为纳米技术在纺织业的广泛应用提供了指引。天然纤维和合成纤维虽性能不同,但都适合制作服装。根据最终用途,有些纤维性能是有利的,而有些性能会对最终产品的性能产生不利影响。如前所述,纳米技术可将天然纤维和合成纤维的优点结合起来,生产出的产品具有各组成纤维的优点。一些生产终端产品的公司,如Nano2Tex在研发纳米服装方面取得了显著的成果。经他们的技术整理的织物已广泛用于服装业,如运动服、休闲服和商务服饰、制服等。这些新型产品已遍布世界各地,消费者可从一些零售商,如Old Navy, GAP, EddieBauer和LL. Bean等公司购得。

最近,瑞士Scholler公司采用纳米技术开发出一系列品牌产品,如其中的“Soft2Shells”,是一种功能性弹力多层织物。这种织物及制成的服装能够进行动态气候控制,通过其“软性内层”和“坚韧耐久的外层”,可在舒适性、透气性、挡风、拒水性之间找到最佳平衡点。该技术正应用于制作极冷环境下的外衣、户外登山服、滑雪服和其它一些运动服。Scholler公司还开发出一种创新的“Nano2SphereTM ”织物整理技术,使织物具有自清洁和拒污性能。该公司的SchollerÓ 2PCM技术可使织物对含湿量进行调节, 同时还具有舒适性和保护功能。将Nano-SphereTM整理和Soft2Shells技术相结合,生产的织物或服装能够抵御雨雪。几家面料和服装生产公司已采用该类技术开发用途更广的特殊用途服装。例如, Allsport的滑雪服和夹克采用

3XDRYÓ吸湿排湿系统;Mammut公司登山系列夹克和裤子采用该技术后性能极佳; 还有Millet公司的攀岩服; SchollerÓ -Kep roteÓ公司设计开发的耐磨、耐撕破鞋子,重量轻且透气(材料由Sp ringboost公司提供) ;以及Reusch和Swany公司生产的手套。另外也有其它一些公司生产类似的产品, 例如德国Franz2Ziener公司推出了一种纳米涂层滑雪服,除了具有很好的耐久性和手感外,还能够防风、防水并透气,借助这种整理,还可赋予其防紫外线功能。如今,纳米技术的应用已不仅限于美国和欧洲,亚洲的纳米技术也发展很快。在未来几年内,世界范围内有望涌现出上万家从事纳米技术和纳米纤维的公司。在纳米技术应用于军队制服和服装方面,军人纳米技术研究院( ISN)是世界上最大的,或许也是唯一的研发中心,其研发重点是下一代的士兵服面料。该研究院是由美国军队、马萨诸塞州技术研究院(M IT)和几家工业组织组成的一个研究合作协会。该协会的研究导向是致力于采用纳米技术生产先进的军用纺织材料和产品。主要开发各种轻质(这样士兵身上的总负荷会大大减少) 、结实、耐磨、耐用、防水、可变色(可进行伪装) 、吸收热量(防弹) 、温敏(对气候的改变进行控制) 、可嵌入多功能的微米/纳米级感应器的纺织品。另外,最近生产的几种抗菌纺织品,可有效对抗大范围的物理/化学/生物危害。为使作战用纺织品智能化,采用若干种不同的技术,如微胶囊技术、生物技术、信息技术。Breteler等人提出一个有趣的论述:未来纺织品的发展方向是携带或含有各种生物活性组分。正在开发含有纳米颗粒的纳米纤维,用于伤员服可望效用显著。在Quantum集团最近的技术专利中, 将纳米原纤维( 0. 4 ～1 nm)与加固强力纤维或长丝,通过静电法纺制纱线或非织造布,可用于生物组织工程。Otsuka Kagaku开发出一种新的导电纳米纤维,可用以防电子辐射。另外,现正在研究其它一些屏蔽辐射织物的生产技术。

可以注意到,上述以纳米技术为基础的进步,不仅对军事应用起到了积极影响,而且还影响了民用领域,如生物医学领域。纳米功能纤维的发展已用于卫生织物。一些公司采用这一新型纤维生产防臭织物,如短袜、长袜、内衣等。如果短袜中含有纳米银粒子,就可以防止脚臭味。Nano2Tex公司正在开发一种新技术,叫做“Nano2Fresh”,具有吸汗、快干、捕捉异味的功能。其它一些高技术织物也在开发中,如排汗、防污、按摩,甚至可以释放香味。生产内衣的Hanes公司采用微胶囊技术开发出瘦身塑形类内衣。

以纳米为基础的纺织复合材料含有的其它部分,带动了工程用新材料的发展。现在开发出一种强力石墨纳米纤维,其在室温下可以承受更大的工程负荷和压力。比利时的一个研发小组正在试图通过熔融挤出一定范围的“纳米添加剂”,从而开发一种新纱线。该部分的研究已获得很多重要进展,如:

(1)用于医护人员的抗SARS面具;

(2)用于汽车纺织品中的吸音纤维;

(3)用作生物活性培养基,纺织品纳米感应器和微电极的纳米表面;

(4)无线感应器件;

(5)与碳纳米管结合生产DyneemaÓ (一种高性能聚乙烯纤维) ;

(6)与电子、化学、物理加工相结合,生产智能纺织品。

最近,美国农业部(USDA)的研究员发明了一项采用纳米颗粒粘土生产纤维素基的纳米复合材料的专利技术,纤维素来源广泛,如草、麻、棉纤维及棉作物等,价格便宜。这种复合材料会提高纤维素的热稳定性,因此,可进一步开发成阻燃类产品,如非织造布、特殊用途纸张、长丝、涂层织物等。

除了改良纺织品面料和材料,纳米技术在纺织品加工领域也取得了进展。例如,用染料和其它化学药品对纺织品进行染色和整理,不但成本高,还会引起严重的环境污染问题。最近几年发展迅速的纳米过滤膜技术,可将染料回收和再分离,一定程度上解决了经济效益和环境问题,同时节约了水资源。纳米过滤膜技术包括分离过程,通过该处理过程,相对较小的有机分子会随着一些离子组分被纳米多孔薄膜截留下来。这种接枝薄膜能够除去染料分子,而染液可回收,处理后的水可循环使用。一种新的螺旋状卷绕膜技术,将纳米过滤器与超滤体相结合,用于处理纺织废水。纳米技术还广泛用于织物染色印花用的涂料。最近,利比里亚科技大学研究人员发明了一项Nanosp iderTM专利技术,用于大批量生产纳米纤维。

结语

如果说信息技术是当今的浪潮,那么纳米技术将是未来的浪潮。纳米技术在这十年中的发展是跳跃式的,无数的应用实例,几乎遍布各个重要领域。在棉和其它纺织工业还将有很多的应用潜能。纳米技术可更加经济地改善纺织加工过程和最终产品的性质、性能,以至成本。占主要地位的棉纺织品可有效地获得防火、防缩、抗皱、抗水、防污,甚至拒水等性能,而不影响棉优异的舒适性和美观性。采用纳米技术,可有效地生产用途广泛的超强、耐久和特殊功能的纺织品,包括医疗、工业、军事、家庭、服装,家具等。现在正设想结合光导纤维、微镜、功能涂层、电子等技术,定制生产一种特定的面料和服装,可根据消费者不同的要求和品味,来变换服装的颜色。纺织业拥有世界上最大的消费群体,因此,未来纳米技术的发展将以顾客为导向,相应地,纺织业也将是主要的受益者之一。

但是,由于纳米技术发展快速,难免存在一些局限性和未知的健康危害。例如,采用传统的纺织加工经验和方法生产小于200 nm的碳纤维,会非常困难和复杂。有关其产品对个人的安全健康,我们仍不知道其短期或长期的健康危害,尤其是纳米颗粒对肺部疾病的影响。