披上纳米战袍——纳米技术在纺织工业中的应用

披上纳米战袍——纳米技术在纺织工业中的应用赵乐新经济导刊“朔气传金柝，寒光照铁衣”，这是古代战场的写照。千百年来，随着科学技术的发展，以“金戈铁马”为代表的军事装备不断被新装备升级替代。目前，纳米技术又为世界各国军事装备尤其是军装改良提供了新的方向，同时也成为了各国科技竞争的新舞台。近年来，考虑到未来的军事冲突中将更多地使用化学武器，为了提高士兵在战争环境下的生存能力，美国陆军向美国麻省理工学院的一个军事纳米技术研究所拨专款5000万美元，用于研制军用纳米防护纺织品。采用纳米技术的防护服其纤维经过特别处理，不仅能够透气，还能阻止毒素进入，防御生物武器。美国军方采购和后勤保障机构希望在两三年内能够用这种更好的防护服装备部队。在中国，本刊记者从2003年9月召开的“2003年中国纳微粉体制备与技术应用研讨会”上获悉，通过添加纳微米粉体材料而制成的具有透气、抗菌、降解毒气等特殊功能的新型军用服装已生产出来。其中一些织物已大量用于我国各大军区的日常军事训练，一些军用纳米纺织品还进入了民用领域。中国纳米服装已进入市场由于构成纳微米材料的微粒具有特殊的表面效应和小尺寸效应，因此能够产生与常规材料不同的物理、化学性质，如具有高强度、高韧性、良好的导电和静电屏蔽效应，能够抗紫外线、吸收可见光和红外线、抗老化，具有很强的抗菌除臭功能和吸附能力等。将具有特殊功能的纳米材料与纺织原料进行复合，可制成各种功能织物。纳米材料除能够直接添加到合成纤维中使复合材料改性外，也能通过对天然纤维的整理赋予其特殊的性能。经纳米技术处理后，天然纤维织物可以得到高效抗菌效果等。目前美国、欧洲、日本及我国各地的研究机构，都推出了纳米纺织产品。在2003年中国纳微粉体制备与技术应用研讨会上，中化化工科技总院高级工程师俞行在报告中介绍：昀近几年，纳米级功能粉体技术已逐渐进入纺织工业。目前全国主要的服装企业和国内十大内衣企业中的六家都开始了这种新技术的应用。那么，纳米纺织品实现市场化的“纳米服装时代”将在何时到来？对于本刊记者的这个疑问，俞行高工回答：纳米纺织产品实际上已经进入市场。目前国内“具有纳米功能衣物”的昀大用户是解放军总后勤部。据了解，中国人民解放军总装备部已将采用“抗菌丙纶细旦低弹丝”技术制成的600万条内衣裤、600万双袜子发给三军指战员使用，普遍反应抗菌效果良好。“抗菌丙纶细旦低弹丝”技术是中国纺织科学研究院人造纤维研究室的成果，曾获得原国家经贸委颁发的2002年度国家重点新产品证书。利用这种技术生产的抗菌内衣具有透气、舒适、抗菌等特点。采用纳米技术的民用产品就更为丰富。比如具有抗紫外线和抗菌复合功能的纤维，可用于制造夏秋服装、衬衣和T恤衫等织物。而一些抗紫外线、抗红外线和抗菌复合的纳微米粉体，可用于对纯棉织物或棉/化纤混纺织物进行凉爽及抗菌型的后整理。此外，在国防和军事方面，面向未来生物化学战争的特殊军事服装也在研制和生产中。据来自北京安特普纳公司的研究人员黄志永先生介绍，纳米二氧化钛（TiO2）具有光催化性能，在阳光（紫外线）照射下，它能使大多数有机物（包括细菌在内）发生氧化还原反应，生成无污染的CO2和H2O，从而在很短的时间内杀死细菌和病毒，消除空气中的恶臭和纺织品上的油污等。根据纳米二氧化钛（TiO2）的这种性能，我国的军备研究机构已成功地完成了对有毒气体“全氟异丁烯”的彻底无毒降解。将这一成果应用于专用防化服装对我国应对未来高科技战争具有极为特殊的意义。突破了“耐洗性”与“无毒性”两大瓶颈俞行指出：在生产纳米纺织品的过程中采用过去应用在纺织行业中的一些工艺可能导致严重毒性事故，而且，由于技术本身的问题，采用传统工艺生产出来的大多数应用纳微粉体技术的纺织产品经洗涤后，纳米效应和各种附加功能会消失。目前，国内的新技术已能够将有关的纳米微粒稳定地分布在涤纶或其他合纤的纺丝液中，然后纺出具有抗菌、防紫外线、防臭、消臭、远红外反射或吸收红外线等功能的合纤。在印染和后整理方面，则采用涂层、浸轧或吸尽等方法，使天然纤维或普通化纤也具有特殊的功能。通过纳米技术应用于纺织品整理的特点是，既保持衣物原本质感和外观，又因应用纳米材料使纺织品的处理效果更均匀及持久。那么，新技术是如何克服或根本解决以往的纳米纺织品“不能洗涤”以及“纳米粒子漂移产生的毒性”呢？俞行解释说：通过后整理法使纳米级的粉体材料结合纤维后，粉体材料本身是纳米级的，但在产品中直接与人体接触的面料是大分子级的，所以产品无毒副作用，符合人体健康及环保要求，耐久性好。服装学院的实验表明，内衣样品经过50次洗涤后仍然能够保持94%-95%以上的屏蔽功能（参见表一）。这个成果已经达到了澳大利亚的有关技术标准。“实验数据表明，这项应用纳米材料织物功能后整理技术已经达到产业化要求。”俞行高工表示。在传统纺织技术中加入纳米陶瓷粉实现织物特殊性能的研究，是俞行和北京服装学院研究人员周潞瑛的共同研究成果。俞行认为：现在国内在纳米材料制备和表征技术方面已有很好的科研成果。从产业化来看，纳微粉体技术在传统工业中的推广应用是其面临的重要问题。目前，纳微粉体技术在织物功能后整理加工过程中的应用呈现“多种纤维添加、多种粉体复配以及多种功能复合”的新趋势。在我国沿海一带，已经有相当多的中小纺织企业参与了采用纳微粉体技术改造产品的创新实践。纳米材料后整理技术可用于对棉、麻、毛纤维的加工。现在纳米陶瓷粉材料技术的应用已经扩宽到化学纤维以及化学纤维与天然纤维的混合产品加工。“多种材料复配”，是指将纳米材料的两种或者多种功能复合起来，用于一类功能织物的开发。如；开发出既具有抗紫外线功能又能抗菌的纳米粉体，就可以用后整理方法生产出夏、秋季穿用的衬衣和T恤衫；同样道理，还可以生产具有防水、透湿、抗菌性能的服装；以及既屏蔽紫外线、又能屏蔽红外线同时还可以抗菌的复合功能服装。对于目前广泛应用于纺织领域的纳微粉体技术，俞行总结指出：目前该领域的开发和研究普遍注重市场化和产业化的需求。采用纳米功能材料进行织物后整理的工艺也在随着市场需求进行研究与开发。其主要方法可根据织物的用途不同分为吸尽法、浸轧法以及涂层法三种。其核心技术是根据天然纤维或天然纤维——化纤织物的特性和整理目的，选定相应配套的后整理助剂，如分散剂、增稠剂、粘合剂、稳定剂、柔软剂等助剂以及合理的成浆工艺、浆料稳定工艺、后整理工艺等。其中浸轧法主要应用于生产衬衫、T恤、帽子和男女休闲服等要求穿着柔软、舒适的夏、秋季服装面料。涂层法是将纳米材料在织物表面形成柔软的功能性薄层，功能性整理持久、效果明显，主要应用在工业用布或装饰用布方面。对于纳微米粉体材料在传统行业的应用前景，俞行认为：为了满足人们提高生活质量的要求，国内正在积极进行着多种多样采用纳米材料进行改性的功能化纤的开发和产业化工作。除了抗紫外线、抗红外线、抗菌、透气，纳米材料改性技术还可以生产许多传统加工工艺不能或很难生产的纤维，比如防蚊防螨纤维、防水防污纤维、吸水吸湿纤维、耐热纤维、芳香纤维、储能纤维、防辐射纤维和阻燃纤维等。采用纳米材料技术对天然纤维以及天然纤维与化纤混纺织物进行包括抗紫外线-抗红外线（凉爽化）、远红外、保健、抗菌、除臭、抗静电、阻燃等功能后整理，使现代纺织工业开拓了功能性天然纤维制品的新领域。功能性纺织品是未来纺织品发展的重要方面。它主要包括产业、装饰、服装面料等几个方面。产业方面的应用包括防水、防油、防静电、防污、免烫、柔软等，涉及农林、交通运输、建筑、国防、材料等一系列产业。装饰用纺织品的防污、防静电发展很快，包括床上用品、地毯类、卫生纺织品等。在服装面料方面，功能性纺织品在服装面料中占有越来越大的比重。如柔软整理、免烫整理、防水防油整理，抗紫外线整理等。俞行强调指出，随着近年来我国纺织品服装出口额的增加，以及加入WTO，我国纺织品及服装在GDP的增长和国际贸易中的地位日益重要。将纳微粉体技术应用到纺织行业中，不仅具有巨大的市场需求，而且对改造具有数千年历史的中国纺织业意义极为重大。全球展开纳米纺织技术竞赛在加快纺织纳米技术应用方面，美国、欧洲一些国家以及日本等发达国家扮演了重要角色。据称，美国已有30所以上的大学在研究纳米技术。克林顿政府时期，美国国家纳米技术开创机构（NNI）在2000年财政年度中花费了约4.22亿美元。布什政府时期的这个费用为7.1亿美元。美国人甚至希望在10年内能在纳米纤维服装中埋入传感器和微型计算机进行生命信息、色彩变化、战场隐蔽方面的监测，同时要具有高度的防弹性能和穿着舒适性。从事“纳米纺织”技术研究而且成果突出的美国机构主要包括美国纳米技术公司(Nano-Tex)、道纳逊（Donaldson）公司以及一些美军研究机构。近年来，它们相继推出了回复性好、手感舒适的不褪色新合成材料；具有疏油、疏水、防皱功能的尼龙、聚酯纤维面料；具有防水和防污功能的棉织物等等。其中美国纳米技术公司研制出的不沾污渍、无褶皱的裤子在2001年已经上市，并获得了畅销。现在该公司又推出了“纳米衬衫”，还开发出了不沾染污渍的合成纤维和织毯面料。该公司具有在分子水平上对织物进行改性的国际领先技术，它能够改变织物的组成，而不是将纳米粒子简单机械地附着在织物上。在纺织品的其他应用方面，杜邦公司在开发纤维导电及变形技术。美国国家纺织中心（NTC）以及加利福尼亚大学的研究小组都在进行应用纳米技术提高染色工艺水平的研究。在将纳米技术应用于化妆品和纺织品方面欧洲一直处于领先地位。2002-2006年，欧洲计划在纳米技术方面花费12亿美元。2000年，德国、法国和英国在纳米技术方面已花费了1.64亿美元。德国工程师已采用纳米涂层对表面进行防尘和防污处理。拜耳公司开发出了应用纳米技术的耐久阻燃材料。瑞典TEXCOTE公司利用纳米处理技术研制出了可用于棉、麻、丝、羊毛等成衣织物上的防水、防皱、防污涂料。目前欧美在市场已开始流行纳米混合纺织布，市场容量可观。为了走出经济低迷的局面，日本已经把纳米技术置于极重要的位置。日本昀大的几家公司已在包括纺织在内很多领域深入研究纳米应用技术。其中，各合成纤维厂商正在推进应用纳米技术的涤纶与尼龙的开发研究。日本印染行业也积极致力于能够提高织物形状稳定，和使其抗菌、吸湿、防臭、抗紫外线、抗静电和阻燃等的纳米技术。主要是从事化纤生产的东丽公司（Toray）、帝人人造丝公司的子公司帝人纤维公司、KomatsuSeiren公司、钟纺纤维株式会社、嘉娜宝纤维公司（KaneboSpinning）等分别推出了纳米研究成果和产品，包括：结合抗微生物和除臭功能应用于处理纯涤和涤棉混纺织物的新型舒适后整理技术Aquaheal；束状构造的吸湿性化纤丝；除臭聚酯纤维纺织品；具备红、绿、蓝、紫4种颜色的发光涤纶纤维；将能产生负离子的特定天然矿物质固定在织物上的整理技术；以及整理层的整体厚度仅为50纳米左右、吸湿性极佳的纳米纤维等。其中，日本嘉娜宝纤维还在2003年9月1日推出了纳米纤维材料“NANODEW”系列高性能衣料，该衣料可用于制作内衣和靠枕等8种产品。NANODEW纤维中含有一种液晶制剂，可以重现皮肤角质细胞之间的保湿结构。洗涤30次后仍能保持30%～40%的效果。嘉娜宝预测该新产品首年度销售额将达2亿日元。我国的台湾省、香港特别行政区以及内地的很多研究机构也不甘落后，纷纷开始了各类纳米技术研究和产业化尝试。（参见表二）纳米纺织行业成淘金乐园纳米技术的应用和开发是一个高风险项目，但具备诱人的经济潜力和市场前景。纳米技术在纺织等传统领域的应用引起了各类资本和投资的关注。以一向在高科技领域不吝投资的美国为例，美国商业部为“擅长纤维制造技术”的eSpin公司提供了200万美元，以资助该公司从事纳米纤维的研发。研究和开发纳米纤维技术是eSpin公司的优势所在，同时它也擅长纳米纤维及相关产品的商品化，该公司已经在建设一套高产能装置，能够批量生产纳米纤维并已赢利。作为重要的消费大国，美国的成衣消费占全球总量的20%以上。但美国市场上超过80%的成衣是在美国以外生产的，而东亚生产的成衣超过美国市场的40%。随纺织配额