由于其独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应,纳米材料表现出许多奇特的物理化学性质,并在化工、纺织、轻工、电子、生命科学、医学等研究领域显示出极其重要的应用价值。纳米材料在纺织品功能整理领域的应用以及多功能、高附加值纺织品的开发,将在未来的纺织工业中创造巨大的经济效益和社会效益。纳米银作为一种正在被深入研究和迅速发展的新型纳米材料,因其广谱持久的抗菌/抗电磁辐射/导电和部分紫外吸收等特性,在纺织工业中具有广阔的应用前景。
1.在天然纤维纱线和织物中的应用
天然纤维制成的织物吸湿性好,多为多孔纤维,能为细菌生长提供足够的水分。同时,周围环境也能为细菌生长提供氧气,促进细菌繁殖。纳米银具有广谱、持久的抗菌性能。目前纳米银在天然纤维中的抗菌应用主要针对纱线和织物,抗菌功能主要通过后整理获得。
纱线的纳米银抗菌整理一般针对棉纱或羊毛。如聚夏静在用氢氧化钠对棉纱进行膨胀的基础上,用单宁酸还原银氨溶液在纤维的微间隙间负载纳米银颗粒,使纳米银颗粒与纤维通过配位键负载在纱线上,从而赋予载银棉纱良好的抗菌性和耐洗性。Panasepa hirad采用纳米银溶胶和酸性染料在酸性条件下对羊毛纱线进行染色和抗菌整理,不仅提高了羊毛纱线的上染率、色牢度和柔韧性,而且使羊毛纱线具有良好的抗菌性能。
据介绍,现在有学者利用织物本身的还原性和稳定性,在织物上原位还原纳米银颗粒,使织物获得良好的抗菌性和耐洗性。如马利用纤维素大分子的还原性和分散性,原位还原硝酸银溶液,制备纳米银抗菌棉织物,具有优异的抗菌效果和耐洗性。抗菌织物经过20次循环洗涤后,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率仍分别高达98.5%和94.3%。Majmontazer等人还利用纤维素的还原性和稳定性,通过还原托兰斯试剂(银氨溶液)成功合成了纳米银。经纳米银处理的织物水洗30次后,抗菌性能基本不变。
此外,也有学者将纳米银与其他物质复合,通过无机-有机复合或无机-无机复合,制备纳米银/壳聚糖季铵盐(HACC)、纳米银/二氧化钛等复合物,然后浸轧织物,得到具有多种功能的功能性纺织品。王海云采用无机-无机复合法制备了载银纳米TiO 2抗菌剂,并将其用于棉织物整理,使棉织物具有银离子溶解抗菌和TiO 2光催化抗菌的双重抗菌功能,两种抗菌效果相互促进,抗菌效果远优于相同含量的单一抗菌剂。
2.在合成纤维及其织物中的应用
三种合成纤维,如尼龙、腈纶和涤纶,被广泛使用。目前纳米银在合成纤维中的应用研究主要针对这三种纤维和织物。合成功能织物的制造方法主要有两种:纺制功能纤维和整理,包括混纺、浸胶(轧)和磁控溅射。功能纤维直接纺丝效果持久,但工艺复杂,成本高。该整理剂使用简单方便,适用于大多数纤维纺织品。成本低,但是耐洗性比较低。
2.1混纺方法
混纺法是在纤维制造过程中加入纳米银粒子,混纺制成纤维,使最终织物具有相应的功能。混纺工艺对环境无污染,应用广泛。张华利用超细麻芯粉制备纳米银粒子,纺制抗菌多功能尼龙。当粉体添加比例为2%时,尼龙纤维不仅具有优异的抗菌性、高强度和良好的弹性,还具有远红外发射和负氧离子释放的能力,其可纺性也满足要求。赵燕将叔氨丙基三乙氧基硅烷处理的载银纳米氧化锌抗菌剂与聚酯共混,制备抗菌聚酯母粒,添加到聚酯的皮中,纺丝生产皮芯型抗菌聚酯。该纤维具有优异的抗菌性能,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率达到99%以上,但处理后纤维的强度略有下降。
2.2浸渍(滚压)法
虽然共混纺丝是环境友好的,但是很难制备可纺的纺丝溶液。相比之下,浸渍(轧制)过程相对简单。于巧珍采用浸渍法对涤纶织物上的纳米银粒子进行处理,并研究其对织物抗静电性能的影响。研究发现,纳米银处理能有效提高涤纶织物的抗静电性能。而且不同的处理方法对面料的影响也不一样。比如纳米银粒子处理和染色同时进行的一浴法,明显优于染整两步法。有研究者探索出一种新的整理方法,使纳米银粒子通过化学键结合在纤维表面,使纳米银与纤维的结合更加牢固。如吴志川将腈纶纤维的一部分环氧化,使纤维表面具有螯合基团,可以与银离子络合,然后用甲醛溶液还原银离子,得到纳米银复合腈纶纤维。该纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的杀灭率超过99.99%,抗菌性能良好,纤维原有物理性能无明显变化。
2.3磁控溅射法
为了避免浸渍(轧)法的废液处理问题,有研究者采用射频磁控溅射法在织物表面溅射纳米银薄膜。磁控溅射法是在高真空空中充入适量的氩气,在阴极(圆柱形靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加DC电压,使氩气电离。氩离子被阴极加速,轰击阴极靶面,靶面上的原子被溅射出来,沉积在衬底表面形成薄膜。该方法具有涂层与基体结合力强、涂层致密均匀等优点。
3.在产业用纺织品中的应用
纳米银在产业用纺织品中的应用对象主要是非织造布、层压复合织物和复合材料。
3.1在无纺布中的应用
纳米银可用于整理非织造布,获得抗菌性和抗电磁辐射性,因此可广泛应用于医疗、卫生、汽车内饰、电磁屏蔽材料等领域。与合成纤维类似,非织造布的纳米银整理方法也包括混纺、浸胶(轧)和磁控溅射,其原理如上所述。洪采用磁控溅射法在涤纶纺粘非织造布表面沉积纳米银薄膜,使织物具有防电磁辐射性能,并且随着纳米银薄膜厚度的增加,对电磁波的屏蔽效果增强。该方法拓展了非织造布的应用领域,可用于开发抗静电材料、导电材料、电磁屏蔽材料和纤维传感器。安信纳米生物科技有限公司以无纺布为载体负载纳米银,将纳米银抗菌剂分散到纺丝液中混纺纱线,使织物具有高稳定性、抗菌性能和耐洗涤性,进而开发出纳米银抗菌水刺无纺布线圈和纳米银抗菌针刺无纺布线圈。前者应用最广泛的领域是生产医疗保健品,如纳米银抗菌口罩、抗菌湿巾、医用床单、医用抹布等。后者在市场上也有广泛应用,如汽车车厢/室内空可调式抗菌过滤介质、服装内衬、抗菌鞋垫、鞋材等。
3.2在层压复合织物中的应用
层压面料是民用运动服、冬装、野战工作服、军用作战服、劳保服等产品的理想材料。层压织物的纳米银整理主要通过浸渍或混纺来实现。浙江理工大学的研究人员使用含有纳米银颗粒作为抗菌改性剂的十字形截面聚酯纤维材料作为面料外层,吸湿性好的精梳棉纱作为面料内层。随着织物结构的改变和先进的整理技术,织物具有吸湿排汗和抗菌等多种功能。
3.3在复合材料中的应用
银/聚合物纳米复合材料不仅具有纳米银和聚合物的优良特性,还赋予材料一些新的功能,使其在纺织、电子、生物医学等领域具有广阔的应用前景。银/聚合物纳米复合材料的制备方法主要是原位法,分为原位聚合法和原位生成法。
原位聚合是先合成纳米银粒子,然后与聚合物单体混合引发聚合。Paula AZapata等人通过原位聚合法制备纳米银粒子,并添加改性剂(油酸)来增强纳米银与聚乙烯(PE)的附着力。以茂金属为催化剂,引发纳米银聚乙烯复合材料的合成。所制备的PE/Ag-NPs的抗菌性能明显提高,使其广泛应用于家用电器、日用品、建筑材料和室内装饰材料。
原位合成法是在聚合物中原位生成纳米银粒子,然后形成复合粒子制备复合材料。NarendraSingh等人在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)存在下,用过氧化苯甲酰引发甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合,向体系中加入硝酸银并还原,从而得到纳米银粒子均匀分散在聚合物中的复合粒子,制备了PMMA/Ag-NPs复合膜,提高了膜的稳定性。同样,也有学者采用纳米银化合物对复合材料进行整理,不仅提高了复合材料本身的热稳定性,而且与单一纳米银抗菌剂相比,抗菌性能也有所提高,还具有一定的光催化作用。
4.结束语
纳米银作为一种新型材料,已经在许多领域得到了应用,尤其是在纺织行业,与人们的生活息息相关,引起了许多研究者的兴趣。目前纳米银在纺织行业的应用主要是获得抗菌、抗静电、防电磁辐射功能。随着人们对纺织产品要求的提高,纳米银将越来越多地应用于功能性织物,其在纺织行业的应用前景将越来越广阔。
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