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正向皮革工业走来的纳米材料与技术

http://www.leather.hc360.com2015年01月29日18:06 来源:慧聪皮革网作者:王威T|T

    慧聪皮革网讯,纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。它是在纳米尺度的空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。由于纳米技术将最终使人类能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子,以实现对微观世界的有效控制,被认为是对21世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响的一门热点学科。

    皮革工业作为一个传统行业,其发展面临着环境法规的压力以及消费者对皮革性能要求的提高,皮革的生产过程、皮革及其制品必须符合当今大环境的发展趋势才能得以可持续发展。皮革工业的发展离不开皮革化工材料的不断创新,其中纳米材料作为一种新型材料,已在制革新材料的研究和应用中有所涉及。

    纳米材料在皮革工业中应用可能性的设想最早是在2001年提出的,随后,掀起了国内制革工作者对纳米技术在皮革工业中的研究热潮。经过十多年的发展,纳米材料在皮革中的研究已较为广泛,也取得了一定的成效。

    1、纳米及纳米材料的发展历程

    1861年,随着胶体化学的建立,科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。纳米技术的思想是1959年美国物理学家费曼提出的。70年代中期到80年代后期,不少科学家相继在实验室制备得到纳米尺寸的材料,并发现这种材料具有奇妙特性。20世纪80年代末至90年代初,出现了表征纳米尺度的重要工具——扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM),促进了人们在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系,出现了纳米技术术语,形成了纳米技术。

    1990年7月,在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科技大会,标志着纳米科技的正式诞生。2000年,美国政府公布了一项名为“国家纳米技术倡议”的报告。这份报告把发展纳米技术放在了科学技术发展的最优先地位。2001年,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。随之,日本和欧洲都制订和实施了相应的计划;中国在当年也制订了《国家纳米科技发展纲要》,并将纳米科技列为中国的“973计划”,其间涌现出了一系列以纳米科技为代表的高科技企业。

    目前,纳米技术已经成为世界上发达国家竞相开发的项目,很多国家都在这一领域研究上投入了大量资金,并制定了长远的研究规划。纳米技术与传统学科的交汇融合、广泛发展也使得众多新兴学科如雨后春笋般涌现,借助纳米材料的特殊性质,科学家们在相关研究领域取得了突破,同时也促进了纳米材料在催化、生物、医药、能源、环保、轻纺等领域的广泛应用。

    2、纳米材料与技术在皮革工业中的应用

    从最早提出纳米材料在皮革工业应用的可能性至今,纳米材料在皮革工业中经历了从设想到研究的过程,部分研究已有相对成熟的成果并在实际生产中得到应用。纳米材料与技术在皮革工业中的应用主要是在鞣剂涂饰剂以及加脂剂等方面。

    2.1鞣剂中的应用

    在皮革加工过程中,鞣制是使生皮转变为革的质变过程,传统的铬鞣剂自其广泛应用以来一直在鞣制领域占据统治地位。然而,在制革工业所产生的污染物中,铬的毒性备受关注,铬粉的吸收率低,大量含铬废水的排放带来了水体污染,进而导致土壤污染。因此,低铬、无铬鞣剂的研究已成为各国制革和皮化领域的热点。

    纳米材料的特殊性能引起制革研究者的关注。纳米材料在制革鞣制中应用的一种普遍方式是将无机纳米材料与聚合物鞣剂基体复合制备聚合物基纳米复合材料,利用有机聚合物和无机纳米材料的双重特性对生皮进行鞣制,实现增强增韧的同时赋予皮革功能特性,如耐湿热稳定性、强韧性、抗菌性、吸铬性等。目前,较常用的纳米材料有蒙脱土、氧化锌、二氧化硅等。

    蒙脱土(MMT)作为一种价廉易得的纳米层状硅酸盐,由于其特殊的结构,在制备纳米复合材料领域起着举足轻重的作用。研究表明,当蒙脱土以片层分散于聚合物基质中时,复合物的性能会得到很大的改善,尤其表现在强度和韧性方面,同时还能赋予聚合物阻燃性能。蒙脱土在鞣剂中应用主要是蒙脱土与聚合物基体复合制备复合鞣剂,其性能体现在其良好的填充性、对铬的吸附性以及机械性能等方面。制备方法有溶液插层法、插层聚合法、插层环化聚合法、负载引发剂法等。作者所在课题组通过此方法制备的聚合物基蒙脱土纳米复合鞣剂用在主鞣中可减少铬粉用量,改善铬鞣剂的渗透和吸收,鞣制废液中三氧化二铬含量由常规的2000-3000mg/L降低至100-300mg/L。

    纳米氧化锌(ZnO)是当前应用前景较为广泛的一种无机材料,具有特殊的结构,处于热力学上极不稳定的状态,表现出许多独特的效应,被广泛应用在催化及光催化、光电及气敏、日用化工及生物医学等领域。其在皮革胶原改性或鞣剂方面也有应用。纳米ZnO用于胶原的改性或皮革鞣制,可提高胶原或皮革的热稳定性、力学性能和抗菌防霉性。作者所在课题组以合成的两性聚合物为基体,分别采用物理共混法、原位聚合法和原位溶胶-凝胶法制备了两性乙烯基类聚合物/ZnO纳米复合鞣剂,并且将其配合少量铬粉应用于皮革鞣制工艺中,鞣后坯革具有抗紫外性和抗菌性,还可以提高坯革的染色性能。

    纳米二氧化硅(SiO2)作为一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料,其比表面积大,表面能高,很容易与蛋白质分子链的活性基团结合,从而赋予皮革特殊的物理、化学性能。将纳米SiO2引入皮革鞣制中主要有两种方式,一种是在皮革蛋白质纤维间隙中原位生成纳米SiO2粒子对生皮进行鞣制,另一种是将纳米SiO2与聚合物鞣剂复合制备纳米复合鞣剂,采用纳米SiO2直接改性皮胶原或鞣制,可以提高胶原或坯革的热稳定性和物理机械强度。

    纳米TiO2具有普通TiO2的优点,此外,其粒径小、有优良的抗紫外性,将其应用于制革加工中,可以解决浅色皮革易黄变的问题,适合用于制备浅色革的鞣剂。此外,除了以上几种纳米粒子在鞣剂中有应用,研究者还发现纳米银、纳米三氧化二铬等纳米粒子对胶原的稳定作用,但是这部分的工作在皮革鞣剂中的应用还未成熟。

    纳米材料与技术在鞣制或皮胶原纤维改性中的研究已成为许多学者探讨的课题。在过去的十几年里,研究者将纳米技术应用于皮革胶原改性已做了大量的工作。为进一步加快纳米技术在皮革胶原改性方面的发展,应对纳米材料和胶原纤维之间的复杂作用机制进行系统的研究,为纳米材料改性胶原纤维提供理论基础。

责任编辑:王威

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