纤维新材料及应用-8纳米及其他纤维

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1、纳米材料与纳米纤维一、概述1984年，德国格莱特把6纳米金属粉末压制成纳米块——第一块纳米材料问世。1990年，第一届纳米科技学术会议，正式列为材料科学分支。是一个长度概念：毫微米，十亿分之一米。10-9米。1埃=10-10米，原子尺寸级。纳米材料——由纳米颗粒构成的固体材料。颗粒尺寸一般不超过100nm。纳米颗粒由有限的原子构成，大量的原子处于表面，产生量子效应，影响到物质的性能和结构。在机械强度、磁、光、声、热、电等方面都与普通材料有很大不同。藉此可以制造各种性能优良的特殊材料。二、纳米材料特性导电良好的金属纳米级——绝缘体银到纳米级——熔点

2、只有100°C氯化锌纳米级——紫外线屏蔽剂化妆品防晒碳纳米管——韧性好，导电性极强，微细探针，储氢材料，制作新一代计算机纳米塑料——蒙脱土，高强度、耐磨耐热、轻、透明的塑料屏蔽的纳米涂料——炭黑可变成彩色玻璃和瓷砖涂以纳米薄膜，可以自清洁。纳米的催化作用，可以使污物、细菌变成气体。纳米粉可使废水净化。纳米铁粉掺入润滑剂中，具有自修复功能。食品采用纳米技术，提高肠胃吸收。靶向药物，磁性导航定向治疗。三、纳米纤维直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。包括纤维直径为纳米量级的超细纤维，以及将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维以及在纳米级结构上进行

3、控制加工的纤维。纳米纤维主要包括两个概念：一是严格意义上的纳米纤维，是指纤维直径小于100nm的超细纤维。另一概念是将纳米粒子填充到纤维中，对纤维进行改性和结构控制（一）纳米纤维的制造纳米纤维的制造，大体可分为3大类。1、分子技术制备法用于单管或多管纳米碳管束的制备，主要有3种：（1）电弧放电法：将石墨棒置于充满氢气的容器内，用高压电弧放电，在阴极沉积成纳米碳管。（2）激光烧蚀法：（3）固定床催化裂解法：由天然气制备纳米碳管，将气体在分布板上有用活化了的催化剂吹成沸腾状态，在催化剂表面生长出纳米碳管。工艺简便，成本低，纳米碳管规模易控制，长度大，

4、收率较高，但该方法中催化剂只能以薄膜的形式展开。2、纺丝法制备法：又可分为聚合物喷射静电拉伸纺丝法、海岛型多组分纺丝法和单螺杆混抽法。用单螺杆混抽法可制得0.001dtex（约10nm）的纤维。3、生物制备法：利用细菌培养出更加细小的纤维素。我国科学家由木醋杆菌合成的纳米级纤维素不含木质素，结晶度高，聚合度高，分子取向好，具有优良的机械性能。（二）纳米纤维的主要特点1、表面效应粒子尺寸越小，表面积越大，由于表面粒子缺少相邻原子的配位，因而表面能增大极不稳定，易于其他原子结合，显出较强的活性。2、小尺寸效应当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德

5、布罗意波长和超导态的相干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质将会改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。3、量子尺寸效应当粒子尺寸小到一定时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，反之，绝缘体有可能变为超导体。4、宏观量子的阳隧道效应：隧道效应是指微小粒子在一定情况下能穿过物体，就像里面有了隧道一样可以通过。（三）纳米纤维的用途纳米纤维的用途很广，如将纳米纤维植入织物表面，可形成一层稳定的气体薄膜，制成双疏性界面织物，既可防水，又可防油、防污

6、；用纳米纤维制成的高级防护服，其织物多孔且有膜，不仅能使空气透过，具可呼吸性，还能挡风和过滤微细粒子，对气溶胶有阻挡性，可防生化武器及有毒物质。此外，纳米纤维还可用于化工、医药等产品的提纯、过滤等。添加不同功能的纳米颗粒，可以获得具有各种高级功能的纤维。（四）市场前景去年美国推出纳米纤维生产的机械方法，被称为新型离心力纺纱(Forcespinning)。目的是提高生产率，加强纳米纤维的应用。与现有的纳米纤维生产方法相比，该方法至少将生产力提高一个量级。目前纳米纤维市场规模大约1.40亿美元，到2020年预期达到22亿美元。中子吸收剂主要含硼、锂等

7、化合物，如碳化硼、氮化硼、氟化硼、氟化锂等。纤维基体一般是聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺等。制造方法：（1）离子交换纤维吸附法：普通阴离子交换纤维置于硼元素的化合物（硼砂、硼酸）中浸泡。或阳离子交换纤维在锂的化合物（氢氧化锂、卤化锂、碳酸锂）浸泡一定时间。水洗-脱水-干燥。制造方法：（2）纺丝法：聚酯、聚烯烃等作基体。添加锂-6、硼-10或其他化合物作吸收中子的微粒（1微米以下），进行共混或复合纺丝。复合纺丝制取防中子纤维芯材：70%聚丙烯+30%B4C。芯皮质量比：10:90制造方法：（3）熔喷纺丝法：将中子吸收剂与聚合物、溶剂混合液在熔喷纺丝机

8、经高压喷出散纤维，直接制成非织造布。制造方法：（4）含硼陶瓷纤维直接成形法：用转化法可制成碳化硼、氮化硼、氧化硼纤维。织物的热中子屏蔽率