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1、染整助剂与纺织生物技术微胶囊的制备及染整应用微胶囊的制备及染整应用n一、微胶囊及制备n、微胶囊：微胶囊技术是指利用天然的或合成的高分子材料将固体的、液体的、甚至是气体的微小物质包覆，形成直径1500um的一种具有半透性或封闭膜的微型胶囊技术。n、形状与结构：微胶囊的外形多样，可以是球状的葡萄串形也可以是不规则的形状胶囊外表可以是光滑的也有折叠的、微胶囊的囊膜既可以是单层也可以是双层或多层结构、而囊膜所包覆的核心物质既可以是单核也可以是多核n、微胶囊化的方法、微胶囊化的方法：依据囊壁的形成机制和成囊条件微胶囊化方法大致可分为3类即化学法、物理法和物理化学法。n化学法：包括界面聚合法、原位聚合法和
2、锐孔法。n物理法：包括喷雾干燥法、空气悬浮法真空蒸发沉积法、静电结合法、溶剂蒸发法、包结络合物法及挤压法。n物理化学法：则包括油相分离法、水相分离法、干燥浴法(复相乳化法)和熔化分散冷凝法。n、壁材：通常选用的壁材有明胶、果胶、琼脂、甲基纤维素、聚丙烯酸、马来酸、B-环糊精、壳聚糖等高分子物质。n、芯材：水溶性或非水溶性固体物质n非水溶性液体或气体物质n溶液简介还原染料微胶囊的制备n染料悬浮液染料悬浮液加入明胶溶液加入明胶溶液加入阿拉伯胶溶液加入阿拉伯胶溶液变性凝变性凝聚聚稀释稀释沉降沉降分散分散固化固化离心干燥离心干燥16n乳化：将乳化：将15ml还原染料（还原染料（50g/l）悬浮液中，加
3、入）悬浮液中，加入25ml明明胶溶液（胶溶液（50g/l），在磁力搅拌器上搅拌），在磁力搅拌器上搅拌1h使之分散均匀，使之分散均匀，再加入再加入25ml阿拉伯胶溶液（阿拉伯胶溶液（50g/l），继续搅拌），继续搅拌1h；n变性凝聚：加热到变性凝聚：加热到45，搅拌条件下，用，搅拌条件下，用100g/l稀醋酸调稀醋酸调节节pH4.5；n稀释：搅拌条件下，冲入稀释：搅拌条件下，冲入4倍体积水；倍体积水；n沉降：低速搅拌条件下，将此体系冷却至约沉降：低速搅拌条件下，将此体系冷却至约5；n分散：用分散：用20%NaOH溶液调节溶液调节pH9；n固化：最后加入占总体积固化：最后加入占总体积2%的戊二醛溶
4、液（的戊二醛溶液（37%）固化）固化2h，离心水洗充分去除戊二醛；，离心水洗充分去除戊二醛；n成囊过程：成囊过程：乳化 成 囊 改善囊形离 心 分 离离干 燥粉 碎成 品固 化染料 图2-1 微胶囊成囊工艺图图2-2 成囊示意图n二、微胶囊功能及特点n三、微胶囊应用：n、印花工艺中的应用n多色多点印花传统印花 微胶囊微点印花 传统多色印花 微胶囊多色微点印花n多色多点印花是一种具有独特风格多色多点印花是一种具有独特风格,超过一般。超过一般。“雪花雪花”效果的印花方法。多色多点印花在工艺和效果的印花方法。多色多点印花在工艺和设备上与常规印花相同设备上与常规印花相同,不同之处在于采用了染料不同之处
5、在于采用了染料微胶囊。把粒径微胶囊。把粒径10200um大小不等、形状各异大小不等、形状各异(球形、椭圆形、液滴形、鳞片形、纤维形等球形、椭圆形、液滴形、鳞片形、纤维形等),含含有多种染料的微胶囊在粘合剂的作用下涂覆在织有多种染料的微胶囊在粘合剂的作用下涂覆在织物纤维上物纤维上,经汽蒸使染料微胶囊破裂并在布上印花经汽蒸使染料微胶囊破裂并在布上印花,形成颜色形状各异风格独特的染色微点。在布的形成颜色形状各异风格独特的染色微点。在布的一面完成多色多点印花烘干后一面完成多色多点印花烘干后,在布的另一面再进在布的另一面再进行一次同样的多色多点印花行一次同样的多色多点印花,在热处理下在热处理下,从胶囊从
6、胶囊中释放出来的染料形成色点并渗透到织物另一面中释放出来的染料形成色点并渗透到织物另一面,得到主色调各不相同的双面多色多点印花产品，得到主色调各不相同的双面多色多点印花产品，每一面的主色调取决于该面所使用的染料微胶囊。每一面的主色调取决于该面所使用的染料微胶囊。n1、胶囊印花产生的彩色特殊效果；、胶囊印花产生的彩色特殊效果；n工艺上除和一般印花工艺有区别外，主要是不同色泽的微工艺上除和一般印花工艺有区别外，主要是不同色泽的微胶囊染料由于受囊膜的包覆，所以不会相互混合成一种色胶囊染料由于受囊膜的包覆，所以不会相互混合成一种色泽，一般是控制在汽蒸或焙烘热熔阶段中汽蒸、焙烘破裂，泽，一般是控制在汽蒸
7、或焙烘热熔阶段中汽蒸、焙烘破裂，使染料及时从微胶囊中转移到织物上去着色和固色。各种使染料及时从微胶囊中转移到织物上去着色和固色。各种颜色的染料才释放出来，对纤维分别着色，于是形成多种颜色的染料才释放出来，对纤维分别着色，于是形成多种颜色风格独特的微点花纹，而独特的效果是任何机械印花颜色风格独特的微点花纹，而独特的效果是任何机械印花方法无法达到的。方法无法达到的。n2、应绿色整理、保护环境、防止粉尘；、应绿色整理、保护环境、防止粉尘；n随着社会的进步和人们生活质量的提高，人们越来越重视随着社会的进步和人们生活质量的提高，人们越来越重视环境和自身的健康水平。环境和自身的健康水平。“绿色纺织品绿色纺
8、织品”、“生态纺织品生态纺织品”成为当今世界人们的生活需求。发展纺织工业的清洁生成为当今世界人们的生活需求。发展纺织工业的清洁生产，运用有利于保护生态环境的绿色生产方式，向消费者产，运用有利于保护生态环境的绿色生产方式，向消费者提供生态纺织品是世界纺织业进入提供生态纺织品是世界纺织业进入21世纪的全球性主题，世纪的全球性主题，是事关人类生存质量和可持续发展的重要内容。绿色染色是事关人类生存质量和可持续发展的重要内容。绿色染色技术是今后纺织品染色重点发展方向。技术是今后纺织品染色重点发展方向。n色浆配方：n还原绿FFB微胶囊30g/ln淀粉糊40g/ln雕白粉5g/ln碳酸钠5g/ln尿素5g/
9、ln色浆总量100g/l工艺流程n色浆调制印花烘干轧还原液（轧余率60）预烘焙烘（120145）水洗氧化皂洗水洗烘干。纯棉还原艳绿FFB微胶囊单色不同浓度印花涤棉分散还原染料拼色微胶囊印花还原染料微胶囊拼色印花n转移印花n纺织品加工中的转移印花是用于有明显玻璃化温度的合成纤维织物,如涤纶。将染料微胶囊构成的图案印在转移纸上,再将纸放在织物上施以压力使胶囊破裂,释放出的染料附着在织物上。这种方法与传统的热转移印花相比,除了具有不用糊料、节省染料、节约转移纸、减少废水污染等优点外,还能扩大染料的选择范围,不再限于升华牢度低的染料,同时也提高了热转移印花的升华牢度。n物理发泡印花n物理发泡微胶囊是一
10、种有热塑性致密外壳、内含低沸点溶剂的微胶囊,平均粒径为1030um。将其混入涂料印花浆中,印花后在适当高温(110140)下处理,胶囊内部的溶剂汽化,产生足够压力,使塑性化的壁壳膨胀,直径扩大到原来的35倍,并冷却至室温后仍保持发泡后的状态,从而获得立体感强的发泡印花效果。n热敏变色印花热敏变色印花n为了能使印花的色泽与图案随环境中的光线、温为了能使印花的色泽与图案随环境中的光线、温度或湿度的变化而变化度或湿度的变化而变化,人们开发出了具有光敏、人们开发出了具有光敏、热敏或湿敏特性的变色涂料，。热敏变色涂料的热敏或湿敏特性的变色涂料，。热敏变色涂料的印花工艺有些就是采用了微胶囊技术。目前使用印
11、花工艺有些就是采用了微胶囊技术。目前使用的这类变色涂料还存在不耐洗、不耐晒、牢固度的这类变色涂料还存在不耐洗、不耐晒、牢固度差的缺点，对热敏变色涂料研究和生产处于领先差的缺点，对热敏变色涂料研究和生产处于领先地位的是日本松井色素工业公司和英国默克公司地位的是日本松井色素工业公司和英国默克公司,他们都有自己的变色涂料系列。上海纤维研究所他们都有自己的变色涂料系列。上海纤维研究所热敏变色涂料的研究也取得了很大成就。热敏变色涂料的研究也取得了很大成就。n、在染色加工中的应用n染料微胶囊的非水系染色法是在气相染色法、磁力作用染色法及静电染色法基础上发展起来的,目前仍处于实验阶段,尚未大规模推广。但作为
12、非水系染色的一种改进工艺,它的发展前景是广阔的。采用不以水为介质的非水系染色法,既可以减少染色加工中的耗水量,也可以减少染色废水处理的负担,不失是染色工艺的发展方向。n利用磁场的染料微胶囊非水系染色法n这是日本公布的专利技术。首先利用磁场对含有铁磁性微粒的染料微胶囊的吸引作用,将染料微胶囊吸附到织物表面、然后在高温作用下使染料受热升华气化,并从破裂的微胶囊中逸出,扩散和深入到织物纤维内部,最后在外磁场作用下,从织物表面去除含有铁磁性粒子的微胶囊壳体残留物。对染色后的涤纶进行染料耐光性试验结果表明:采用这种染料微胶囊非水系染色法,与以水为溶剂的涤纶高温高压染色法相比,染色织物的耐光性没有差别。用
13、几种不同染料的微胶囊进行混配可以得到不同的色泽。实践证明染料微胶囊不仅可以染单色,还可以配色。n利用静电场的染料微胶囊非水系染色法n染料微胶囊中含有高介电常数溶剂或设法使染料微胶囊表面带有电荷,则可以利用静电场的作用使染料微胶囊吸附在织物上,微胶囊受热后,染料升华冲破微胶囊而上染。n用染料微胶囊进行染色加工,目前仍处于实验阶段,尚未大规模推广。但作为非水系染色的一种改进工艺,它的发展前景是广阔的使用染料微胶囊的非水系染色法是在气相染色法、磁力作用染色法及静电染色法基础上发展起来的。采用不以水为介质的非水系染色法,既可以减少染色加工中的耗水量,也可以减少染色废水处理的负担,不失是染色工艺的发展方
14、向。利用磁场的染料微胶囊非水系染色法是日本公布的专利技术。首先利用磁场对含有铁磁性微粒的染料微胶囊的吸引n作用,将染料微胶囊吸附到织物表面、然后在高温作用下使染料受热升华气化,并从破裂的微胶囊中逸出,扩散和深入到织物纤维内部,最后在外磁场作用下,从织物表面去除含有铁磁性粒子的微胶囊壳体残留物,整个过程可以通过传送带连续进行。对染色后的涤纶进行染料耐光性试验结果表明:采用这种染料微胶囊非水系染色法,与以水为溶剂的涤纶高温高压染色法相比,染色织物的耐光性没有差别。用几种不同染料的微胶囊进行混配可以得到不同的色泽。实践证明染料微胶囊不仅可以染单色,还可以配色。当染料微胶囊中不含有铁磁性粉末,而是染料
15、微胶囊中含有高介电常数溶剂或设法使染料微胶囊表面带有电荷,则可以利用静电场的作用使染料微胶囊吸附在织物上,微胶囊受热后,染料升华冲破微胶囊而上染。n、微胶囊在织物整理方面的应用、微胶囊在织物整理方面的应用n为使织物具有良好的使用性能,除了要进行染色、印花等加工外,根据实际需要还常进行抗皱防缩、柔软、抗静电、防油防水防污、阻燃、抗菌防老化等各种后整理,在后整理工艺中,有时使用微胶囊技术有着独特的优势。n在后整理工艺中,如果使用的整理剂是疏水性的,当用水作介质时要加入乳化剂,使疏水性整理剂乳化分散到水中才能对织物进行整理。当使用有机溶剂作介质时,则可把疏水性整理剂溶解,这有利于对织物进行整理。但这
16、种方法因有机溶剂价格高,易燃易爆或毒性大等缺点而难以推广。如果使用微胶囊技术把疏水性整理剂与有机溶剂包裹起来,则可以保留非水溶剂整理工艺的优点,又可大大减少有机溶剂用量,而且只要工艺合适完全可以取得非水溶剂整理同样好的效果。疏水性整理剂微胶囊囊芯包括弹性改进剂、抗起球剂、阻燃剂、抗皱剂、抗静电剂、抗油抗污剂、防水剂、柔软剂抗光氧化的紫外线吸收剂等。n由于整理剂被包裹在微胶囊中互不影响,所以可以把两种以上整理剂微胶囊同时在织物上处理,这样可以大大简化多种整理剂的加工工艺流程。在织物卫生除臭整理中利用微胶囊的保护和缓释功能使整理剂的作用得到更好的发挥,这类整理剂微胶囊包括香料、除臭剂、驱虫剂、杀菌
17、剂。利用香精微胶囊进行织物的香味整理时,可以减少香精挥发损失使香味更持久。而卫生整理用的微胶囊不仅可以用天然或合成高聚物作壁材,也可以用微生物作壁材。目前各种含有抗菌剂、杀虫剂、防蛀剂的酵母细胞微胶囊在国外已在棉织物和毛织物上使用。在欧洲Akzo已制造和出售了产品系列,称作DiolenBaetekiller。n日本的Exlan公司试验把阻燃剂、除臭剂、柔软剂、香料、抗静电剂、紫外线吸收剂等整理剂微胶囊加入合成纤维纺丝液中形成了功能性纤维,进而织成功能性织物。日本三菱螺萦公司也生产过一种含有香精的微胶囊的聚酯纤维,制成的织物有较持久的释香能力,由于香精微胶囊保存在纤维内部,织物经多次洗涤仍可保持
18、香味。这种含香精微胶囊的纤维不仅可作衣物,也可以用于填塞床垫、枕头和动物形状的布玩具。日本钟渊公司开发的一种抗菌纤维就有缓释功能,它是把整理剂加在纺丝浴中,通过溶剂纺丝得到长丝,有与微胶囊缓释功能类似的性质。n、微胶囊整理剂在纺织品后整理中存在的主要、微胶囊整理剂在纺织品后整理中存在的主要问题及解决方法问题及解决方法n在纺织品后整理中,微胶囊整理剂的应用虽然具有许多优势,但也存在不少问题由于微胶囊的粒径一般较大,不易渗透到纤维内部,通常要采用粘合剂使它固着在纤维或织物上,因此,产品的耐洗牢度较低,这是目前微胶囊整理剂存在的主要问题由于微胶囊整理剂的应用研究起步较晚,而各种整理剂在结构及性能上均
19、存在差异,其微胶囊化的方法以及所用壁材又与整理剂加工对象以及产品用途等因素有关,所以在目前,要制备性能优良的微胶囊整理剂,技术难度较大。n因此,加大力度研究微胶囊整理剂的制备技术,特别是用于织物整理的纳米胶囊,并不断降低成本,是目前的当务之急;其次,采用与纤维有良好相容性的天然绿色材料作壁材制备微胶囊整理剂,以保证产品及整理过程无污染,同时与纤维之间又有较大的结合力,从而提高整理品的耐洗牢度。纳米材料及在染整中应用n第一节、纳米材料于技术第一节、纳米材料于技术n一、一、纳米技术纳米技术：1959年，著名物理学家、年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类费曼预言，
20、人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造造“产品产品”，这是关于纳米技术最早的梦，这是关于纳米技术最早的梦想。想。七十年代，科学家开始从不同角度提七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。出有关纳米科技的构想。n1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。术一词描述精密机械加工。1982年，科学年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见显微镜，使人类首次在大
21、气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。用。1990年年7月，第一届国际纳米科学技月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。科学技术的正式诞生。n1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。n1993年，继年，继1989年
22、美国斯坦福大学搬走原年美国斯坦福大学搬走原子团子团“写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用年美国国际商用机器公司在镍表面用36个个氙原子排出氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国中国”二字，标志着我国开始在国际纳二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。米科技领域占有一席之地。n到到19991999年，纳米技术逐步走向市场，全年年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到纳米产品的营业额达到500500亿美元。亿美元。近年来，近
23、年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5 5年年科技基本计划的研发重点；德国专门建立科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从米科技基础研究方面的投资从19971997年的年的1.161.16亿美元增加到亿美元增加到20012001年的年的4.974.97
24、亿美元。亿美元。n我国纳米材料研究始于我国纳米材料研究始于80年代末，年代末，“八五八五”期间，期间，“纳米材料科学纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了科学基金委员会还资助了20多项课题，国家多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题
25、进行立项研究。的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。础研究带动应用研究的新局面。n二、纳米概念:纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1100纳米这个范围空间，物质的性能就
26、会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。n纳米科技是纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在沿科研领域。它是指在1-100nm尺度空内，研究尺度空内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。n纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米材料又称为超微颗粒材料
27、，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示
28、出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。将会有显著的不同。三纳米材料特性n1.表面效应表面效应n2.小尺寸效应小尺寸效应n3.量子尺寸效应量子尺寸效应n4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应表面效应n是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。纳米晶粒尺寸的减小结果导致其表面积、表面能及表面结合能的增大，并具有不饱和性质，表现出很高的化学活性。小尺寸效应小尺寸效应n随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗随着颗粒尺
29、寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质特殊的光学性质（2）特殊的热学性质特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。性能、
30、声学特性以及化学性能等方面。量子尺寸效应n微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应。隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。n催化性质。n纳米粒子晶粒体积小，比表面积大，表面活性中心多，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。而且，纳米催化剂没有孔隙，可避免使用常规催化剂时，反应物向孔隙扩散的影
31、响。在使用纳米催化剂时，不必将其附着在惰性载体上，可以直接放入液相反应体系中。n纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒也称纳米粉末，一般指粒度在度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。具有不同于常规固体的新特性。碳纳米管，是碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般由类似石墨
32、的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。数毫米。碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。性能、导热性能和电性能。碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强万倍，
33、它的强度是钢的度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。伸。它的熔点是已知材料中最高的。正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领
34、域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。
35、如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。这是电视制造业的发展方向。然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使已有
36、十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场国际市场90高纯度的碳纳米管价格高达高纯度的碳纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。美元克，远远高出黄金的价格。我国清华我国清华南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。n“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形成，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热
37、点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。第二节第二节纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术n纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料
38、和着色的染料，就是最早的人工黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。颗粒构成的薄膜。n然而，人们自觉地将纳米微粒作为研究对象，而然而，人们自觉地将纳米微粒作为研究对象，而用人工方法有意识地获得纳米粒子则是在用人工方法有意识地获得纳米粒子则是在20世纪世纪60年代。年代。1963年，年，RyoziUyeda等人用气体蒸发等人用气体蒸发（或（或“冷凝冷凝”）法获得了较干净的超微粒，并对）法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和
39、电单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。子衍射研究。1984年，年，Gleiter等人用同样的方法等人用同样的方法制备出了纳米相材料制备出了纳米相材料TiO2。一、一、物理方法物理方法n1真空冷凝法真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。粒度可控，但技术设备要求高。n2物理粉碎法物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成
40、本低，但产品纯度低，颗粒分布不均特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。匀。n3机械球磨法机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。品纯度低，颗粒分布不均匀。二、化学方法二、化学方法1 1 化学沉淀法化学沉淀法共沉淀法共沉淀法均匀沉淀法均匀沉淀法多元醇沉淀法多元醇沉淀法沉淀转化法沉淀转化法2.化学还原法化学还原法水溶液还原法水溶液还原法多元醇还原法多元醇还原法气相还原法气相还原法碳热还原法碳热还原法、溶
41、胶凝胶法溶胶凝胶法、水热法等、水热法等、n第三节、纳米材料在染整中应用n纳米材料的光防护功能n多种物质对光线都具有屏蔽、防护的作用，如Al203、MgO、ZnO、TiO2、SiO2、CaCO3、高岭土、炭黑、多种金属等。当将这些材料制成纳米粉体，使微粒的尺寸与光波波长相当或更小时，由于小尺寸效应导致光吸收显著增强，而此类纳米粉体的比表面积大、表面能高，在用于对天然纤维整理时，很容易和后者相结合，再加之天然化纤混纺织物、天然织物对整理用材料细度、附着力等性能的要求，都决定了纳米材料是天然化纤混纺织物、天然织物在光防护、光屏蔽、光反射类型功能后整理时的优选材料。n一、防紫外线整理：n为了保证纳米粉
42、体与纤维的良好结合，又能够生产出为了保证纳米粉体与纤维的良好结合，又能够生产出便于印染、色彩缤纷的织物，一般选用金属氧化物的粉体，便于印染、色彩缤纷的织物，一般选用金属氧化物的粉体，即所谓纳米级粉体，这类粉体表现出了特殊的光学性质，即所谓纳米级粉体，这类粉体表现出了特殊的光学性质，如通常用氧化锌来作紫外线屏蔽剂，机理是其禁带宽度为如通常用氧化锌来作紫外线屏蔽剂，机理是其禁带宽度为3.2eV，可以吸收波长为，可以吸收波长为388nm的紫外线，而当氧化锌的的紫外线，而当氧化锌的粒度为粒度为lOnm时，它的禁带宽度增加到大于时，它的禁带宽度增加到大于4.5eV，可以较，可以较好吸收好吸收280-32
43、0nm波长的紫外线，所以含纳米粒子的纤维波长的紫外线，所以含纳米粒子的纤维能够较好地吸收能够较好地吸收UVB和和UVA波段的紫外线，屏蔽率可达波段的紫外线，屏蔽率可达到到95%以上。以上。n但各种不同的纳米粉体对光线的屏蔽、反射效率也是有但各种不同的纳米粉体对光线的屏蔽、反射效率也是有差别的，以常用的差别的，以常用的TiO2和和ZnO来比较，从纳米级氧化锌和来比较，从纳米级氧化锌和二氧化钛的分光反射率我们可以得知；在波长为二氧化钛的分光反射率我们可以得知；在波长为200一一800nm范围内氧化锌具有较高而稳定的分光反射率，而纳范围内氧化锌具有较高而稳定的分光反射率，而纳米二氧化钛则在在紫外线的
44、部分谱段具有更高一些的分光米二氧化钛则在在紫外线的部分谱段具有更高一些的分光反射率。二氧化钛微粒粒径在反射率。二氧化钛微粒粒径在50一一l20nm时，散射系数最时，散射系数最高吸收效率最大高吸收效率最大(即透过率最小即透过率最小)散射系数越高吸收越好透过越少n棉涤混纺织物的抗紫外整理棉涤混纺织物的抗紫外整理n对于棉、毛、丝、麻等天然纤维，尤其是其中用量最对于棉、毛、丝、麻等天然纤维，尤其是其中用量最大的棉纤维来说，采用纳米材料进行功能后整理是近期内大的棉纤维来说，采用纳米材料进行功能后整理是近期内正在开发的新技术，现以赋予抗紫外线正在开发的新技术，现以赋予抗紫外线功能的整理为例，功能的整理为例
45、，棉织物具有种种优点，是人们日常穿着夏、秋季节首选的棉织物具有种种优点，是人们日常穿着夏、秋季节首选的面料，但是从抗紫外线的角度来看，棉织物对面料，但是从抗紫外线的角度来看，棉织物对UV-A和和UV-B波长段的紫外线都有较波长段的紫外线都有较高的透过率，同时这种缺点在棉高的透过率，同时这种缺点在棉-化纤的混纺纤维中也表现出来了。在紫外线波长为化纤的混纺纤维中也表现出来了。在紫外线波长为200-300nm时时(即即UVC的全部和的全部和UV-B的大部分的大部分范围内范围内)，涤棉，涤棉粗平布受织物中棉纤维的影响不太大粗平布受织物中棉纤维的影响不太大(因为，这一段棉纤因为，这一段棉纤维本身的紫外线
46、透过率也低于维本身的紫外线透过率也低于20%)，仅为同类棉，仅为同类棉粗平布粗平布紫外透过率的紫外透过率的1/5；但是，在；但是，在UV-A区域段，受棉纤维紫外区域段，受棉纤维紫外线透过率快速上升的影响，涤棉粗平布的透过率也出现了线透过率快速上升的影响，涤棉粗平布的透过率也出现了急剧上升，据此可见，棉纤维在抗紫外急剧上升，据此可见，棉纤维在抗紫外性能方面存在着严性能方面存在着严重缺陷，除了影响纯棉织物在夏、秋季节的穿着外，也造重缺陷，除了影响纯棉织物在夏、秋季节的穿着外，也造成了涤成了涤-棉、丙棉、丙-棉、锦棉、锦-棉织物抗紫外线性能的不足，必棉织物抗紫外线性能的不足，必须设法加以弥补，而在这
47、里是须设法加以弥补，而在这里是无法再像功能化纤那样将紫无法再像功能化纤那样将紫外线蔽剂，用共混等方法直接施加到纤维内部，只能用后外线蔽剂，用共混等方法直接施加到纤维内部，只能用后整理的方法来解决整理的方法来解决。n纳米材料整理液的制备n将纳米纳米材料加分散剂以及粘合剂将纳米纳米材料加分散剂以及粘合剂等，调制成一定浓度的处理液。由于纳米等，调制成一定浓度的处理液。由于纳米材料粉体表面能大，极易凝聚，且比重大，材料粉体表面能大，极易凝聚，且比重大，不溶于水，所以要得到分散良好，具有一不溶于水，所以要得到分散良好，具有一定稳定性的处理液非常关键。需选择合适定稳定性的处理液非常关键。需选择合适的分散剂
48、或乳化剂调制方法。通过筛选，的分散剂或乳化剂调制方法。通过筛选，如如PDT分散剂等，经透射电镜对处理液的分散剂等，经透射电镜对处理液的测定，证实其颗粒是纳米级范围。测定，证实其颗粒是纳米级范围。n织物经纳米材料处理后，紫外线透过率明织物经纳米材料处理后，紫外线透过率明显降低，降低幅度与织物紧密程度，孔隙显降低，降低幅度与织物紧密程度，孔隙大小有关。针织物一般比机织物结构疏松，大小有关。针织物一般比机织物结构疏松，孔隙率较大，防紫外效果差。在不同组织孔隙率较大，防紫外效果差。在不同组织中，屏蔽紫外线能力为缎纹斜纹平纹，中，屏蔽紫外线能力为缎纹斜纹平纹，这与平纹织物孔隙较多，缎纹织物孔隙率这与平纹
49、织物孔隙较多，缎纹织物孔隙率较小有关。较小有关。工艺处方以纳米材料工艺处方以纳米材料5%，粘合剂，粘合剂15%，分散剂，分散剂2%n二、纳米材料在抗菌整理中的应用二、纳米材料在抗菌整理中的应用n织物抗菌整理纳米级粉体通常是指经特殊工艺生产的、晶粒尺寸织物抗菌整理纳米级粉体通常是指经特殊工艺生产的、晶粒尺寸具有纳米尺度的粉体材料。根据杀菌机理的不同，这些抗菌剂可以划具有纳米尺度的粉体材料。根据杀菌机理的不同，这些抗菌剂可以划分为以下的类型分为以下的类型:na.元素、元素的离子及其官能团的接触性抗菌剂，即第一类无机抗元素、元素的离子及其官能团的接触性抗菌剂，即第一类无机抗菌剂，如菌剂，如:Ag、C
50、u、Zn、S、As、Ag+、Cu+、SO3-2、AsO2-等。等。nb.光催化抗菌剂，即第二类无机抗菌剂，如光催化抗菌剂，即第二类无机抗菌剂，如:纳米纳米TiO2、纳米、纳米ZnO、纳米硅基氧化物等。纳米硅基氧化物等。纺织用纳米级抗菌粉体与其它抗菌剂相比，具有以下优点纺织用纳米级抗菌粉体与其它抗菌剂相比，具有以下优点:n(1)对人体无刺激性、无毒，使用安全可靠。对人体无刺激性、无毒，使用安全可靠。n(2)整理剂透明度高，加工后可保持织物的原有外观，长期使用不变整理剂透明度高，加工后可保持织物的原有外观，长期使用不变色。色。n(3)根据需要，可以在复配后兼有抗紫外线功能。根据需要，可以在复配后兼