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纳米技术在染整生产中应用的探讨

杨栋梁

原载：全国染整新技术应用推广协作网简讯第五期

一、前言

纳米材料的应用在最近几年来，十分频繁地出现在一些技术人员日常交谈中，而纳米技术也似乎已走进了人们的生活，例如小鸭集团推出的纳米洗衣机，海尔集团推出的纳米电冰箱，以及众多工厂推出远红外保健内衣等等。其实，人们应用纳米材料的源头可追溯到1000年以前，如利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料或着色剂，就是最早的纳米材料雏型；我国古代铜镜表面的防锈层，经检验证实为纳米级SnO2颗粒构成的。而人们自觉地研究纳米材料，使之逐步形成为一门新兴的材料科学，是二十世纪六十年代才开始的。最早由1959年诺贝尔物理奖获得者费曼提出"操纵"原子的构思以制备纳米材料。长期以来，在纳米材料的研究开发中，无法直接观其真面目，直到1982年扫描隧道显微镜发明后，人们才有窥测纳米材料的工具，由此诞生了纳米学。从此纳米技术以极其迅速的速度渗透到各个领域，形成了纳米材料学、纳米电子学、纳米医药学……等。自1990年7月在美国巴尔基摩召开第一届国际纳米科学技术会议上，正式确认为纳米材料材料科学的一个新的分支，使纳米材料的研制和应用进人了一个新阶段。到1999年纳米技术已逐步走向工业化。

综观目前纳米材料的研究和应用，美国、日本、德国、俄罗斯、英国、法国、荷兰、加拿大等国处于世界领先地位，其中美国是最早开始研究纳米技术的国家之一。美国科学技
术委员会于2000年3月正式向美国政府提出报告：称纳米技术将成为二十一世纪前二十年的主导技术，是下一次工业革命的核心。克林顿政府迅速作出反应，于7月间在原批准的研究经费5亿美元基础上，又增加了三倍拨款。其他德、日、英、法等国也将纳米研究列入国家重点研究项目。1992年我国将纳米材料科学作为重大基础研究列入国家攀登计划。
纳米材料是全新的超微固体材料，一般粒径小于1OOnm(10-9M)的超微颗粒称为纳米微粒。由于它的超细化和极大的表面活性，具有传统材料所没有的优越性，是当代高科技应用研究的热点之一。在纺织工业也应有它用武之地，如开发新原料、新产品等方面。
例如增加织物的功能性，如抗紫外线和红外线，抗菌防臭和消臭等，本文拟对此作些探讨和分析，就教于诸同好。

二、纳米材料的结构、制备与特性
晶粒尺寸至少在一个方向上为0-lOOnm的材料称为三维纳米材料，具有层状结构的材料称为二维纳米材料，具有纤维结构的称为一维材料，具有原子簇和原子束结构的称为零维材料。
纳米材料的组成有金属合金及其氧化物纳米材料，无机纳米材料、有机纳米材料和纳米杂化材料等几种。按纳米材料内部的有序性而论，则有结晶纳米材料及非结晶纳米材料。
目前纳米材料制备的方法有三种：固相法、液相法和气相法。固相法是在干燥的球磨机内粉末颗粒经重复的研磨，制得的颗粒粒径较大，约为1OOnm左右。液相法有沉淀法、喷雾法、水热法(高温水解法)、溶剂挥发分解法和溶胶——凝胶法等。如溶液沉淀法制备的纳米粒子粒径较小，适于实验室少量制备。气相法有低压气体中蒸发法(气体冷凝法)、溅射法、流动液面上的真空蒸发法、混合等离子法、激光诱导化学气相沉积（LICVD）等，适于大量制备、且粒径较小的纳米微粒。
纳米材料是由极细的晶粒和大量处于晶界与晶粒内部缺陷中心的原子所构成的纳米级微粒的集合体，其性能与同组成体相材料有十分显著的差异，又不同于单个分子的特殊性能，而成为介于分子和体相材料的中间体，研究这类中间体为对象的一门新学科即纳米科学。而纳米微粒是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原子是既无长程序又无短程序的非晶层；而在粒子内部，有存在完好的结晶周期性排列的原子，不过其结构与晶体样品的完全长程序有序结构不同。正是纳米微粒的这种特殊结构，导致纳米微粒的奇异的表面效应和体积效应，并由此产生了许多纳米材料与普通材料不同的物理化学性质。
(1)表面效应(表面和界面效应)
纳米材料的表面效应即纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米微粒尺寸的减小而大幅增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米材料性质变化。固体颗粒的表面积与粒径的关系为:
Sw=k/ρ·D
Sw；比表面积(m2/g)；ρ；粒子的理论密度；
D；粒子平均直径；k；形状因子。
由上式可知，随颗粒尺寸的减小，粒子的表面积迅速增加，其变化规律大体如图l所示：例如，粒径为5nm的SiC比表面积高达30m2/g；而纳米氧化锡的比表面积随粒径的变
化更为显著，lOnm时，比表面积为90·3m2/g；5nm时，比表面积增加到181m2/g；而当粒径小于2nm时，比表面猛增到450m2/g。这样大的比表面积使处于表面的原子数大大增加，这些表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在着大量的表面缺陷和许多悬挂键，