纤维新材料及应用 8纳米及其他纤维课件.ppt

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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只有100C氯化锌纳米级紫外线屏蔽剂化妆品防晒碳纳米管

2、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

3、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，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

4、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

5、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；,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

6、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

7、-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：织物层数 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：医疗、宇航、核能工业、军事航空领域等辐

8、射场合的防护用品,3、防X射线辐射纤维将重金属化合物加入普通纤维中。获得较高的抗X射线辐射功能。,制造方法：（1）离子交换纤维吸附法：将常规制成的阳离子交换纤维，浸泡在铅盐或其他重金属离子的溶液中，调整溶液的浓度和pH值，使纤维充分吸附，冲洗干燥。,制造方法：（2）共混纺丝法：将氧化铅或硫酸钡微粉与聚合物共混，通过熔融纺丝或溶液纺丝。重金属化合物含量可达3060%。,制造方法：（3）复合纺丝法：芯层中加入重金属微粉，外包不含重金属的高聚物，可避免重金属直接接触人体。,用途：核电站消防服、医院放射科防护服、工业射线防护用品。,八、光导纤维 导光纤维、光学纤维。把光能闭合在纤维中而产生导光作用的纤

9、维。由两种或两种以上折射率不同的透明材料制成。,基本类型：有起导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的皮层构成的。,可分为:无机（玻璃、石英）和有机（塑料）。可挠性和不可挠性。皮芯型和自聚型。传光和传像。可见光、红外光、紫外光和激光。,1、塑料光导纤维 聚合物光纤、有机光导纤维、有机光纤、塑料光纤，POF主要由皮芯结构，芯丝直径为0.0050.1mm。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）外层为低折射率的薄膜皮层。,用途 通讯、传输、医学、交通、装饰等领域。如网络宽带、数码传输、照明、标示、光学计量测试、复印、医疗器械、光导向器、数字显示、光传感器、广告、工艺品等。,

10、2、皮芯型玻璃光导纤维 由两种或两种以上折射率不同的玻璃以皮芯形式复合而成。芯材：折射率和透明度高的玻璃，以镧系或铅系玻璃为主。直径小于100微米。粗者易断。,从可见光到红外线波段内，都有较好的透光性。不能单独使用，制成传光束、传像束、纤维板、光缆等。用于胃镜等医用纤维内窥镜、工业用内窥镜及精密传感器的图像传送元件，也可用于光通讯。,3、渐变型玻璃光导纤维 又称聚光纤维，类透镜纤维折射率从纤维的轴心沿径向递减，光在纤维内通过反复聚焦、散射而向前传递。,每根纤维相当于众多微型透镜的组合，可传递物体的图像。具有光程短、无全反射损失、透过率极高的特点。主要用于激光通讯。,制造方法：离子交换法：使玻璃

11、纤维内、外的某些离子发生置换，离子的浓度由纤维内向外逐渐减小。离子浓度的梯度变化使纤维的折射率发生递变。,套管法：几种不同折射率的光学玻璃制成管材，按折射率高低由里向外层层相套，在加热炉内拉制成多层次的纤维复合体，经一定温度下热处理后，使各层间发生离子交换而成。,水分扩散法：根据玻璃中水分影响折射率的原理，先制成含有一定水分的玻璃纤维，再使水分向外扩散形成梯度分布。,4、耐热光导纤维 耐热温度在120C以上的有机光导纤维，最高可耐温度为180C。,芯材大多采用改性聚碳酸酯，其耐热寿命为普通聚碳酸酯的4倍，也可采用降冰片烯树脂和甲基丙烯酸甲酯与异丙基马来酰亚胺共聚体。皮层为折射率低于芯材的耐热氟

12、树脂。用于汽车和要求耐热性的电器内部配线。,八、医用纤维 医疗用纤维材料。包括人体代用材料和医疗卫生材料等。要求纤维无毒、纯净、无过敏反应、无致癌性、不产生血栓、不破坏血细胞、不改变血浆蛋白成分等。,对周围组织不引起炎症和异物反应，长期埋植在体内或作为内脏的组成部分不会丧失抗张强度和弹性等物理机械性能，能经受必要的消毒措施而不产生变性以及易于加工成复杂的形态等。,1、多肽纤维 缩多氨酸纤维一种含有重复肽键或缩氨酸键（-CO-NH-）的聚氨基酸类纤维。,主要指标：线密度：5.6105dtex强度：0.926cN/tex伸长率：2.1%45%初始模量：13645cN/tex,制法：将分子量为8*1

13、0435*104的多肽，与少量尿素溶于六氟异丙醇溶剂中，经湿纺、干纺或干喷-湿纺后，再进行拉伸处理。,用途：用于合成或模拟食物，纺织品，人体软组织置换、人造线带和韧性复合材料。,2、生物活性纤维 一种能保护人体不受微生物侵害或具有某种疗效的纤维。有抗微生物、消炎、止血、麻醉、抗凝血、抗肿瘤、抗烫伤、含酶纤维等。,制法：化学改性法：将药物接枝到聚合物上，药物与纤维进行化学结合。物理方法：将药物固定在纤维的微结构内。,用途：包扎材料：药棉、疗巾。消炎材料：伤口消炎。麻醉功能：伤口麻醉，减轻痛觉。抗肿瘤：手术后阻缓肿瘤转移。免疫：皮肤移植和内脏移植的免疫。,3、生物相容性纤维多种纤维经过改性后都可具

14、有生物相容性。,要求与人体相互适应。并满足以下条件：无毒无害、不干扰免疫功能。耐生物老化、足够的化学稳定性 抗凝血性，不破坏血液有效成分 足够的机械性能，满足人体要求 能承受高温、辐射、消毒等处理,制法：改性聚丙烯纤维：物理改性可采用单孔或多孔空心聚丙烯单丝，孔型可是圆形或异形，内孔面积为纤维截面的5%12%。具有较好的柔顺性和结节防滑性。,聚四氟乙烯：用聚四氟乙烯直接纺丝。聚氨酯纤维：将含有85%以上的聚醚型嵌段聚氨酯溶于溶液，浓度为36%，再把小于1微米的硫酸钡微粉掺入二甲基乙酰溶剂中，制成浆状物，制成纺丝液，进行纺丝，可做人工韧带。,羟基磷灰石纤维：水25%、羟基磷灰石35%、磷酸钙30

15、%、粘合剂10%，适量有机酸或多元醇的增塑剂制成纺丝液。纺丝后加热、焙烧可以和生物吸收材料结合制成人工骨。,阴离子改性超细纤维：可以是多种原料，如聚酯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚烯烃、聚氨酯等，按常规方法制成超细纤维。再进行阴离子改性，获得亲水性。,体内导电纤维：在普通纤维表面度一层金属导电层。用于电刺激治疗某些疾病。,人工肌肉纤维：在聚乙烯溶液中掺加高分子电解质纺丝而成。电解质是指高分子链中含有解离基，一旦溶于水就会发生解离，形成高分子离子。,这种纤维通电后变形、弯曲，断电后恢复原状。主要用于医疗器件的传感器，药物缓释系统，电子开关、检测仪器等，将来可能用于人体假肢和人体修复。,4、药物纤维：在

16、普通纤维中加入某种药物。,九、其他功能纤维 1、负离子纤维 电气石纤维 在常规纤维中加入可产生负离子的矿石物质制成。,可释放负离子的矿石较多。奇冰石：含硼、少量铝、镁铁、锂的环状结构的硅酸盐。电气石：三方晶系硅酸盐。蛋白石：含水非晶质或胶质的活性二氧化硅。古代海底矿物层：硅酸盐为主要成分的无机多孔物质。奇才石：二氧化硅、氧化铝、氧化铁。,制造方法：粉碎成微米或纳米级粉末进行共混纺丝。微粉与粘合剂制成负离子浆，将纤维浸入烘干。,将带有活性反应基团的负离子材料与纤维上的羟基、氨基形成共价键，制成耐久的负离子纤维。有粘胶型、涤纶型、丙纶型。,用途：装饰用品：窗帘、床单、地毯等 交通工具：汽车、轮船火

17、车座椅 服装玩具：内衣、外衣、毛绒玩具。,2、磁性纤维 磁保健纤维 在纤维中添加磁性物质。,磁粉的类型：铁、钴、镍的金属或合金。氧化铁、铁氧体为主的金属氧化物。稀土类元素化合物。聚合物：聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚氨酯等。,制法：共混纺丝法 复合纺丝法 浸泡填充法 表面涂层法 定位合成法,用途：仪器仪表、电子、宇航、医疗、保健、环保等领域。如保健用品中的护膝等对关节疼痛、滑膜炎、偏头痛、搓伤、剑鞘炎、骨内寒冷感有一定改善或减轻。可织入纺织品中用于在线检测、自动控制。防伪等商业保护。,3、发光纤维蓄光纤维、夜光纤维。在常规纤维中加入长余辉发光颜料。该颜料由铕离子或多离子激活的碱土铝酸盐组成。,该纤维

18、能在白天或灯光下将光能吸收贮存，到夜间或黑暗处发出亮光，并能保持数小时至十多个小时以上。,主要为丙纶纤维。发光颜料的用量为5%6%较好。,用途：安全标志、防伪、玩具等。便于黑暗中司机、医生、战士、野外工作者使用。交通、安全、矿山、海上救生、海洋捕捞等领域。,4、荧光防伪纤维 纤维在特殊光线照射下，呈现不同颜色。用于纸币、证件、证券、商标、商品包装、防伪纸、检验检测等。,在普通纤维中加入荧光化合物。主要有两类：稀土有机荧光化合物，三价稀土-二酮荧光配合物（AA），苯甲酰丙酮（BA），二苯甲酰甲烷（DBM）、苯甲酰三氟丙酮（TTA）高分子荧光化合物，包括掺杂型和键合型荧光高分子。,制法：熔融纺丝：

19、共混，或制成荧光母粒再混入，或复合纺丝作芯（耐溶剂、耐日光）。溶液纺丝法：不会出现热分解或氧化现象。,制法：表面涂层法：溶解在溶剂中，与树脂或粘合剂混合，制成荧光色浆，对纤维涂层。高速气流冲击法：使用高速气流装置，将荧光化合物与纤维放在一起进行高速冲击，使纤维表面牢固吸附一层荧光化合物。,制法：键合法：以单体形式参与聚合物的聚合，或将荧光化合物配位在聚合物侧链上。,5、远红外纤维 远红外发射纤维，远红外吸收纤维。在普通常规纤维中加入特殊发射或吸收远红外线的陶瓷微粉。,常温下具有较高的发射或吸收远红外线功能。远红外纤维可吸收人体或外界热能、光能后转化为远红外线，可促进人体血液循环和新陈代谢。,一

20、般纤维都具有远红外发射功能，加入功能材料后要提高10%以上，最高反射率可以达到94%，一般多在80%90%。,远红外陶瓷粉：氧化物氮化物硼化物碳化物硅化物复合物：莫来石、堇表石、粘土、云母、绢云母。,选择发射率较高的陶瓷粉，粉碎成微粉，按其综合性能进行复配、修饰、分散均匀，减轻团聚。,制法：共混熔融纺丝：1.5%6%。直接纺丝法：将氧化铝、氧化锆、氧化镁等单独或与氧化硅等混合后，在200C以上的高温炉中熔融，喷出制成纤维。,制法：湿纺烧结法:陶瓷粉与粘合剂混合，湿法制成纤维，再通过高温煅烧制成。后整理法：涂覆、浸渍。,用途：医疗辅助用品：促进愈合、减轻疼痛。睡眠系统：提高质量保健用品：微循环、

21、免疫力御寒用品：保暖装饰用品：窗帘地毯提高室内温度，防螨抗菌,6、光敏变色纤维 光致变色纤维加入光敏变色物质，分有机和无机两类。有双硫腙、螺吡喃、苯并螺噻喃等。,外界光的强度或性质变化时，纤维本身颜色也变化，且是可逆的。,作战服或装备伪装、装饰用品、儿童服装、玩具等。,制法：后整理法：用二价或三价的汞和钯的络合物染色聚酰胺纤维，所制得的纤维在内、外，会由橙变灰或蓝。添加法：,7、热敏变色纤维温敏变色纤维加入热致变显色剂，显色剂有显色染料、酸性物质和有机溶剂三部分组成。,外界温度改变时，纤维颜色也随之改变，热敏白色染料的温度范围为：-4080C。金属化合物变色温度较高，如含钛有机纤维，常温为黄色；300为灰黑色；500600为白色；1000为灰白色。,用途：测温仪表元件，装饰品,8、蓄热纤维温控纤维，调温纤维在纤维中加入相变材料，主要是结晶水和盐，相变温度在35左右。,温度变化时，纤维中的相变物质也发生相变，并且吸热和放热，能够可逆多次进行，纤维温度保持恒定。,用途：航天、国防、野外作业、极地探险等用的保温蓄热材料。,制法：中空纤维浸渍：复合纺丝法：微胶囊法：,