【課件】纖維新材料及應(yīng)用-8納米及其他纖維ppt

1、納米材料與納米纖維 一、概述 1984年，德國格萊特把6納米金屬粉末壓制成納米塊第一塊納米材料問世。1990年，第一屆納米科技學(xué)術(shù)會議，正式列為材料科學(xué)分支。是一個(gè)長度概念：毫微米，十億分之一米。10-9米。1埃=10-10米，原子尺寸級。納米材料由納米顆粒構(gòu)成的固體材料。顆粒尺寸一般不超過100nm。納米顆粒由有限的原子構(gòu)成，大量的原子處于表面，產(chǎn)生量子效應(yīng)，影響到物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)。在機(jī)械強(qiáng)度、磁、光、聲、熱、電等方面都與普通材料有很大不同。藉此可以制造各種性能優(yōu)良的特殊材料。二、納米材料特性導(dǎo)電良好的金屬納米級絕緣體銀到納米級熔點(diǎn)只有100C氯化鋅納米級紫外線屏蔽劑化妝品防曬碳納米管韌性好

2、，導(dǎo)電性極強(qiáng)，微細(xì)探針，儲氫材料，制作新一代計(jì)算機(jī)納米塑料蒙脫土，高強(qiáng)度、耐磨耐熱、輕、透明的塑料屏蔽的納米涂料炭黑可變成彩色 玻璃和瓷磚涂以納米薄膜，可以自清潔。納米的催化作用，可以使污物、細(xì)菌變成氣體。納米粉可使廢水凈化。納米鐵粉摻入潤滑劑中，具有自修復(fù)功能。食品采用納米技術(shù)，提高腸胃吸收。靶向藥物，磁性導(dǎo)航定向治療。 三、納米纖維 直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。包括纖維直徑為納米量級的超細(xì)纖維，以及將納米顆粒填充到普通纖維中對其進(jìn)行改性的纖維以及在納米級結(jié)構(gòu)上進(jìn)行控制加工的纖維。 納米纖維主要包括兩個(gè)概念：一是嚴(yán)格意義上的納米纖維，是指纖維直徑小于100nm的超細(xì)纖維。另一概念是將

3、納米粒子填充到纖維中，對纖維進(jìn)行改性和結(jié)構(gòu)控制 （一）納米纖維的制造 納米纖維的制造，大體可分為3大類。 1、分子技術(shù)制備法 用于單管或多管納米碳管束的制備，主要有3種：（1）電弧放電法：將石墨棒置于充滿氫氣的容器內(nèi)，用高壓電弧放電，在陰極沉積成納米碳管。（2）激光燒蝕法：（3）固定床催化裂解法：由天然氣制備納米碳管，將氣體在分布板上有用活化了的催化劑吹成沸騰狀態(tài)，在催化劑表面生長出納米碳管。工藝簡便，成本低，納米碳管規(guī)模易控制，長度大，收率較高，但該方法中催化劑只能以薄膜的形式展開。 2、紡絲法制備法：又可分為聚合物噴射靜電拉伸紡絲法、海島型多組分紡絲法和單螺桿混抽法。用單螺桿混抽法可制得0

4、.001dtex（約10nm）的纖維。 3、生物制備法：利用細(xì)菌培養(yǎng)出更加細(xì)小的纖維素。我國科學(xué)家由木醋桿菌合成的納米級纖維素不含木質(zhì)素，結(jié)晶度高，聚合度高，分子取向好，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。 （二）納米纖維的主要特點(diǎn) 1、表面效應(yīng) 粒子尺寸越小，表面積越大，由于表面粒子缺少相鄰原子的配位，因而表面能增大極不穩(wěn)定，易于其他原子結(jié)合，顯出較強(qiáng)的活性。 2、小尺寸效應(yīng) 當(dāng)微粒的尺寸小到與光波的波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長和超導(dǎo)態(tài)的相干長度透射深度近似或更小時(shí)，其周期性的邊界條件將被破壞，粒子的聲、光、電磁、熱力學(xué)性質(zhì)將會改變，如熔點(diǎn)降低、分色變色、吸收紫外線、屏蔽電磁波等。 3、量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)粒子

5、尺寸小到一定時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級，此時(shí)，原為導(dǎo)體的物質(zhì)有可能變?yōu)榻^緣體，反之，絕緣體有可能變?yōu)槌瑢?dǎo)體。 4、宏觀量子的陽隧道效應(yīng)： 隧道效應(yīng)是指微小粒子在一定情況下能穿過物體，就像里面有了隧道一樣可以通過。 （三）納米纖維的用途 納米纖維的用途很廣，如將納米纖維植入織物表面，可形成一層穩(wěn)定的氣體薄膜，制成雙疏性界面織物，既可防水，又可防油、防污；用納米纖維制成的高級防護(hù)服，其織物多孔且有膜，不僅能使空氣透過，具可呼吸性，還能擋風(fēng)和過濾微細(xì)粒子，對氣溶膠有阻擋性，可防生化武器及有毒物質(zhì)。此外，納米纖維還可用于化工、醫(yī)藥等產(chǎn)品的提純、過濾等。 添加不同功能的納米顆粒，可以

6、獲得具有各種高級功能的纖維。 （四）市場前景 去年美國推出納米纖維生產(chǎn)的機(jī)械方法，被稱為新型離心力紡紗(Forcespinning)。目的是提高生產(chǎn)率，加強(qiáng)納米纖維的應(yīng)用。與現(xiàn)有的納米纖維生產(chǎn)方法相比，該方法至少將生產(chǎn)力提高一個(gè)量級。 目前納米纖維市場規(guī)模大約1.40億美元，到2020年預(yù)期達(dá)到22億美元。 中子吸收劑主要含硼、鋰等化合物，如碳化硼、氮化硼、氟化硼、氟化鋰等。 纖維基體一般是聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺等。 制造方法： （1）離子交換纖維吸附法：普通陰離子交換纖維置于硼元素的化合物（硼砂、硼酸）中浸泡?；蜿栯x子交換纖維在鋰的化合物（氫氧化鋰、鹵化鋰、碳酸鋰）浸泡一定時(shí)間。 水洗

7、-脫水-干燥。 制造方法： （2）紡絲法：聚酯、聚烯烴等作基體。添加鋰-6、硼-10或其他化合物作吸收中子的微粒（1微米以下），進(jìn)行共混或復(fù)合紡絲。復(fù)合紡絲制取防中子纖維芯材：70%聚丙烯+30%B4C。芯皮質(zhì)量比：10:90 制造方法： （3）熔噴紡絲法：將中子吸收劑與聚合物、溶劑混合液在熔噴紡絲機(jī)經(jīng)高壓噴出散纖維，直接制成非織造布。 制造方法： （4）含硼陶瓷纖維直接成形法：用轉(zhuǎn)化法可制成碳化硼、氮化硼、氧化硼纖維。 織物的熱中子屏蔽率：織物層數(shù) 1 4 6 10 厚度/mm 1.30 5.20 7.80 13.00屏蔽率/% 36 85 95.2 98.6 用途： 醫(yī)療、宇航、核能工業(yè)、

8、軍事航空領(lǐng)域等輻射場合的防護(hù)用品 3、防X射線輻射纖維將重金屬化合物加入普通纖維中。獲得較高的抗X射線輻射功能。 制造方法： （1）離子交換纖維吸附法：將常規(guī)制成的陽離子交換纖維，浸泡在鉛鹽或其他重金屬離子的溶液中，調(diào)整溶液的濃度和pH值，使纖維充分吸附，沖洗干燥。制造方法： （2）共混紡絲法：將氧化鉛或硫酸鋇微粉與聚合物共混，通過熔融紡絲或溶液紡絲。重金屬化合物含量可達(dá)3060%。制造方法： （3）復(fù)合紡絲法：芯層中加入重金屬微粉，外包不含重金屬的高聚物，可避免重金屬直接接觸人體。用途： 核電站消防服、醫(yī)院放射科防護(hù)服、工業(yè)射線防護(hù)用品。八、光導(dǎo)纖維 導(dǎo)光纖維、光學(xué)纖維。把光能閉合在纖維中而

9、產(chǎn)生導(dǎo)光作用的纖維。 由兩種或兩種以上折射率不同的透明材料制成?；绢愋停河衅饘?dǎo)光作用的芯材和能將光能閉合于芯材之中的皮層構(gòu)成的?？煞譃? 無機(jī)（玻璃、石英）和有機(jī)（塑料）。 可撓性和不可撓性。 皮芯型和自聚型。 傳光和傳像。 可見光、紅外光、紫外光和激光。1、塑料光導(dǎo)纖維 聚合物光纖、有機(jī)光導(dǎo)纖維、有機(jī)光纖、塑料光纖，POF主要由皮芯結(jié)構(gòu)，芯絲直徑為0.0050.1mm。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）外層為低折射率的薄膜皮層。用途 通訊、傳輸、醫(yī)學(xué)、交通、裝飾等領(lǐng)域。如網(wǎng)絡(luò)寬帶、數(shù)碼傳輸、照明、標(biāo)示、光學(xué)計(jì)量測試、復(fù)印、醫(yī)療器械、光導(dǎo)向器、數(shù)字顯示、光傳感器

10、、廣告、工藝品等。2、皮芯型玻璃光導(dǎo)纖維 由兩種或兩種以上折射率不同的玻璃以皮芯形式復(fù)合而成。 芯材：折射率和透明度高的玻璃，以鑭系或鉛系玻璃為主。直徑小于100微米。粗者易斷。從可見光到紅外線波段內(nèi)，都有較好的透光性。不能單獨(dú)使用，制成傳光束、傳像束、纖維板、光纜等。 用于胃鏡等醫(yī)用纖維內(nèi)窺鏡、工業(yè)用內(nèi)窺鏡及精密傳感器的圖像傳送元件，也可用于光通訊。3、漸變型玻璃光導(dǎo)纖維 又稱聚光纖維，類透鏡纖維折射率從纖維的軸心沿徑向遞減，光在纖維內(nèi)通過反復(fù)聚焦、散射而向前傳遞。每根纖維相當(dāng)于眾多微型透鏡的組合，可傳遞物體的圖像。具有光程短、無全反射損失、透過率極高的特點(diǎn)。 主要用于激光通訊。制造方法：

11、離子交換法：使玻璃纖維內(nèi)、外的某些離子發(fā)生置換，離子的濃度由纖維內(nèi)向外逐漸減小。離子濃度的梯度變化使纖維的折射率發(fā)生遞變。套管法： 幾種不同折射率的光學(xué)玻璃制成管材，按折射率高低由里向外層層相套，在加熱爐內(nèi)拉制成多層次的纖維復(fù)合體，經(jīng)一定溫度下熱處理后，使各層間發(fā)生離子交換而成。水分?jǐn)U散法：根據(jù)玻璃中水分影響折射率的原理，先制成含有一定水分的玻璃纖維，再使水分向外擴(kuò)散形成梯度分布。4、耐熱光導(dǎo)纖維 耐熱溫度在120C以上的有機(jī)光導(dǎo)纖維，最高可耐溫度為180C。芯材大多采用改性聚碳酸酯，其耐熱壽命為普通聚碳酸酯的4倍，也可采用降冰片烯樹脂和甲基丙烯酸甲酯與異丙基馬來酰亞胺共聚體。皮層為折射率低于

12、芯材的耐熱氟樹脂。 用于汽車和要求耐熱性的電器內(nèi)部配線。八、醫(yī)用纖維 醫(yī)療用纖維材料。包括人體代用材料和醫(yī)療衛(wèi)生材料等。 要求纖維無毒、純凈、無過敏反應(yīng)、無致癌性、不產(chǎn)生血栓、不破壞血細(xì)胞、不改變血漿蛋白成分等。對周圍組織不引起炎癥和異物反應(yīng)，長期埋植在體內(nèi)或作為內(nèi)臟的組成部分不會喪失抗張強(qiáng)度和彈性等物理機(jī)械性能，能經(jīng)受必要的消毒措施而不產(chǎn)生變性以及易于加工成復(fù)雜的形態(tài)等。1、多肽纖維 縮多氨酸纖維一種含有重復(fù)肽鍵或縮氨酸鍵（-CO-NH-）的聚氨基酸類纖維。主要指標(biāo)：線密度： 5.6105dtex強(qiáng)度：0.926cN/tex伸長率：2.1%45%初始模量：13645cN/tex制法： 將分子

13、量為8*10435*104的多肽，與少量尿素溶于六氟異丙醇溶劑中，經(jīng)濕紡、干紡或干噴-濕紡后，再進(jìn)行拉伸處理。用途： 用于合成或模擬食物，紡織品，人體軟組織置換、人造線帶和韌性復(fù)合材料。2、生物活性纖維 一種能保護(hù)人體不受微生物侵害或具有某種療效的纖維。 有抗微生物、消炎、止血、麻醉、抗凝血、抗腫瘤、抗?fàn)C傷、含酶纖維等。制法：化學(xué)改性法：將藥物接枝到聚合物上，藥物與纖維進(jìn)行化學(xué)結(jié)合。物理方法：將藥物固定在纖維的微結(jié)構(gòu)內(nèi)。用途： 包扎材料：藥棉、療巾。 消炎材料：傷口消炎。 麻醉功能：傷口麻醉，減輕痛覺。 抗腫瘤：手術(shù)后阻緩腫瘤轉(zhuǎn)移。 免疫：皮膚移植和內(nèi)臟移植的免疫。3、生物相容性纖維多種纖維經(jīng)

14、過改性后都可具有生物相容性。要求與人體相互適應(yīng)。并滿足以下條件： 無毒無害、不干擾免疫功能。 耐生物老化、足夠的化學(xué)穩(wěn)定性 抗凝血性，不破壞血液有效成分 足夠的機(jī)械性能，滿足人體要求 能承受高溫、輻射、消毒等處理制法： 改性聚丙烯纖維：物理改性可采用單孔或多孔空心聚丙烯單絲，孔型可是圓形或異形，內(nèi)孔面積為纖維截面的5%12%。具有較好的柔順性和結(jié)節(jié)防滑性。聚四氟乙烯：用聚四氟乙烯直接紡絲。聚氨酯纖維：將含有85%以上的聚醚型嵌段聚氨酯溶于溶液，濃度為36%，再把小于1微米的硫酸鋇微粉摻入二甲基乙酰溶劑中，制成漿狀物，制成紡絲液，進(jìn)行紡絲，可做人工韌帶。羥基磷灰石纖維：水25%、羥基磷灰石35%

15、、磷酸鈣30%、粘合劑10%，適量有機(jī)酸或多元醇的增塑劑制成紡絲液。紡絲后加熱、焙燒可以和生物吸收材料結(jié)合制成人工骨。陰離子改性超細(xì)纖維：可以是多種原料，如聚酯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚烯烴、聚氨酯等，按常規(guī)方法制成超細(xì)纖維。再進(jìn)行陰離子改性，獲得親水性。體內(nèi)導(dǎo)電纖維：在普通纖維表面度一層金屬導(dǎo)電層。用于電刺激治療某些疾病。人工肌肉纖維：在聚乙烯溶液中摻加高分子電解質(zhì)紡絲而成。電解質(zhì)是指高分子鏈中含有解離基，一旦溶于水就會發(fā)生解離，形成高分子離子。這種纖維通電后變形、彎曲，斷電后恢復(fù)原狀。 主要用于醫(yī)療器件的傳感器，藥物緩釋系統(tǒng)，電子開關(guān)、檢測儀器等，將來可能用于人體假肢和人體修復(fù)。4、藥物纖維

16、： 在普通纖維中加入某種藥物。九、其他功能纖維 1、負(fù)離子纖維 電氣石纖維 在常規(guī)纖維中加入可產(chǎn)生負(fù)離子的礦石物質(zhì)制成?？舍尫咆?fù)離子的礦石較多。 奇冰石：含硼、少量鋁、鎂鐵、鋰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽。 電氣石：三方晶系硅酸鹽。 蛋白石：含水非晶質(zhì)或膠質(zhì)的活性二氧化硅。 古代海底礦物層：硅酸鹽為主要成分的無機(jī)多孔物質(zhì)。 奇才石：二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵。制造方法： 粉碎成微米或納米級粉末進(jìn)行共混紡絲。 微粉與粘合劑制成負(fù)離子漿，將纖維浸入烘干。 將帶有活性反應(yīng)基團(tuán)的負(fù)離子材料與纖維上的羥基、氨基形成共價(jià)鍵，制成耐久的負(fù)離子纖維。 有粘膠型、滌綸型、丙綸型。 用途： 裝飾用品：窗簾、床單、地毯等 交通

17、工具：汽車、輪船火車座椅 服裝玩具：內(nèi)衣、外衣、毛絨玩具。 2、磁性纖維 磁保健纖維 在纖維中添加磁性物質(zhì)。 磁粉的類型： 鐵、鈷、鎳的金屬或合金。 氧化鐵、鐵氧體為主的金屬氧化物。 稀土類元素化合物。 聚合物：聚酯、聚酰胺、聚烯烴、聚氨酯等。 制法： 共混紡絲法 復(fù)合紡絲法 浸泡填充法 表面涂層法 定位合成法 用途： 儀器儀表、電子、宇航、醫(yī)療、保健、環(huán)保等領(lǐng)域。如保健用品中的護(hù)膝等對關(guān)節(jié)疼痛、滑膜炎、偏頭痛、搓傷、劍鞘炎、骨內(nèi)寒冷感有一定改善或減輕。 可織入紡織品中用于在線檢測、自動(dòng)控制。 防偽等商業(yè)保護(hù)。 3、發(fā)光纖維蓄光纖維、夜光纖維。在常規(guī)纖維中加入長余輝發(fā)光顏料。該顏料由銪離子或多

18、離子激活的堿土鋁酸鹽組成。 該纖維能在白天或燈光下將光能吸收貯存，到夜間或黑暗處發(fā)出亮光，并能保持?jǐn)?shù)小時(shí)至十多個(gè)小時(shí)以上。 主要為丙綸纖維。 發(fā)光顏料的用量為5%6%較好。 用途：安全標(biāo)志、防偽、玩具等。便于黑暗中司機(jī)、醫(yī)生、戰(zhàn)士、野外工作者使用。交通、安全、礦山、海上救生、海洋捕撈等領(lǐng)域。4、熒光防偽纖維 纖維在特殊光線照射下，呈現(xiàn)不同顏色。 用于紙幣、證件、證券、商標(biāo)、商品包裝、防偽紙、檢驗(yàn)檢測等。在普通纖維中加入熒光化合物。主要有兩類： 稀土有機(jī)熒光化合物，三價(jià)稀土-二酮熒光配合物（AA），苯甲酰丙酮（BA），二苯甲酰甲烷（DBM）、苯甲酰三氟丙酮（TTA） 高分子熒光化合物，包括摻雜型

19、和鍵合型熒光高分子。制法： 熔融紡絲：共混，或制成熒光母粒再混入，或復(fù)合紡絲作芯（耐溶劑、耐日光）。溶液紡絲法：不會出現(xiàn)熱分解或氧化現(xiàn)象。制法： 表面涂層法：溶解在溶劑中，與樹脂或粘合劑混合，制成熒光色漿，對纖維涂層。 高速氣流沖擊法：使用高速氣流裝置，將熒光化合物與纖維放在一起進(jìn)行高速沖擊，使纖維表面牢固吸附一層熒光化合物。制法： 鍵合法：以單體形式參與聚合物的聚合，或?qū)晒饣衔锱湮辉诰酆衔飩?cè)鏈上。5、遠(yuǎn)紅外纖維 遠(yuǎn)紅外發(fā)射纖維，遠(yuǎn)紅外吸收纖維。在普通常規(guī)纖維中加入特殊發(fā)射或吸收遠(yuǎn)紅外線的陶瓷微粉。常溫下具有較高的發(fā)射或吸收遠(yuǎn)紅外線功能。遠(yuǎn)紅外纖維可吸收人體或外界熱能、光能后轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅外線，可促進(jìn)人體血液循環(huán)和新陳代謝。一般纖維都具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能，加入功能材料后要提高10%以上，最高反射率可以達(dá)到94%，一般多在80%90%。遠(yuǎn)紅外陶瓷粉：氧化物氮化物硼化物碳化物硅化物復(fù)合物：莫來石、堇表石、粘土、云母、絹云母。選擇發(fā)射率較高的陶瓷粉，粉碎成微粉，按其綜合性能進(jìn)行復(fù)配、修飾、