纳米技术:纺织工业节能新标兵
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作者: 龚
纺织工业一直是中国传统工业中的重要组成部分,也是相对而言技术落后、污染严重、能源消耗集中的行业。在21世纪纳米技术蓬勃发展的时期,如何将纳米材料与技术广泛应用于纺织领域,特别是节能应用,成为我们关注的重点。纳米催化技术和纳米润滑技术就是两种在纺织行业很有前景的节能环保技术。利用纳米催化材料的化学活性和量子效应、大比表面等性质对于纺织工业的污水是一种极为有效的治理方式;另一方面,纳米润滑材料对纺织机械在节能方面同样有着巨大的应用前景。纳米润滑材料的引入能够有效的提高能量利用率,减少机械摩擦与磨损,同时也降低噪音污染,以及减少温室气体的排放。
纳米技术简介
纳米技术是以在纳米尺度 (0.1nm-100nm)上研究利用原子、分子结构的特性及其相互作用原理,并按人类的需要,在纳米尺度上直接操纵物质表面的分子、原子、乃至电子来制造特定产品或创造纳米级加工工艺的一门新兴交叉学科技术。
纳米技术包括纳米结构和纳米材料两部分。纳米结构指的是在纳米尺度上构架功能性结构,比如单电子开关、纳米元器件等;纳米材料指的是构成材料的结构单元的尺度是纳米尺度,并且用到的材料性质是这个尺度上物质特有的非常规性质。纳米尺度的物质颗粒比宏观尺度(nm)小,比微观尺度(0.1nm)原子大,此时量子效应开始影响到物质的性能和结构。由纳米结构单元构成的纳米材料,在机械性能、光、电、磁、热等方面与普通材料有很大不同,具有辐射、吸收、催化、吸附以及二元协同性等新特性。从某种意义上说,纳米材料的出现极有可能改变能源消费与环境保护之间长期存在的矛盾。
纳米材料的化学活性和大比表面决定了它超强的吸附能力。我们知道,纺织工业的污水中通常含有有毒有害物质,包括有机物和重金属等,污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,污水治理一直得不到很好解决。纳米催化技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。
纳米材料在节能方面同样有着巨大的应用前景。对于我国而言,煤 、石油 、天然气在一个相当长的时间内仍是主要的燃料能源,纳米材料的引入能够有效地提高能量利用率,减少有害气体的排放。
纳米材料在纺织领域节能环保方面的具体应用
纳米催化剂
纳米材料的比表面积大,表面活性中心多,为其做催化剂提供了必要条件,国际上已把纳米材料作为第四代催化剂进行了研究与开发。纳米二氧化钛等催化剂具有独特的晶体结构及表面特性,如表面键态与内部不同、表面原子配位不全等,因而,其催化活性和选择性都大大优于常规催化剂,甚至使原来不能进行的反应也能完全进行。目前的研究表明,纳米催化材料对催化氧化、还原,裂解反应都具有很高的活性和选择性,对光解水制氢及一些有机合成反应也具有明显的光催化活性。
纳米材料的催化剂在纺织工业中有诸多应用实例。例如,纳米氧化锌、纳米二氧化钛对于水中的卤代脂肪烃、染料,硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环芳烃化合物,烃类,酚类、表面活性剂、农药等都能有效的进行光催化反应,通过除毒、脱色、矿化,最终分解为二氧化碳和水,从而消除有机物对环境的污染。不仅如此,纳米二氧化钛对水中的重金属离子有很强的还原能力,通过光催化可使85%的六价铬被还原,这在实际应用中对处理含铬废水有着重要意义。
纳米润滑油添加剂
纳米润滑技术吸收借鉴了生物骨骼滑液的减磨润滑原理,模仿胆甾醇分子的分子结构及纳米尺寸大小开发出了纳米润滑油,并且加入活性纳米金刚石滚珠,直径仅约为10nm,并且都呈完美的球形。将其按1:1000的比例添加至润滑油中后,在“布朗运动”的作用下,活性纳米金刚石滚珠会有每秒十余米的热运动速度,使其得以在润滑油中均匀、稳定的分布。
我校研究组申请了发明专利:“纳米仿生自组织润滑油添加剂及其制备方法”( 专利号 :200710099305)成功实现了纳米润滑的加工和制备。
为了验证纳米润滑油的性能,我校研究组与英国利兹(LEEDS)大学欧洲润滑油研究中心合作,对普通矿物润滑油与加入纳米添加剂的润滑油进行摩擦系数测定。实验结果如下:
试验采用“pin-on-plate” 实验平台,采用的英国壳牌公司购买的矿物润滑油 “XHVI 8.2”空白油样,最后发现加入纳米添加剂(1:300比例)的润滑油摩擦系数平均下降17%,而且长时间试验性能稳定。实验证实了纳米添加剂减摩的效果。
为了进一步验证纳米润滑油添加剂在实际工厂使用的效果,我们选择了纺织工业企业最常使用的减速机试验。
通过实验发现,加入纳米润滑油添加剂后,可以使得工业减速机的摩擦和磨损减小,也就是说反应在负载电流上,出现下降。通过基线比较,可以看出试验添加前后,电流下降6%-12%,按照平均节能8%计算,每小时可节省3度电,每天可节省72度电,一年内一台这样的减速机就可节省26280度电。
我们通过参考纳米摩擦学的研究,对于到达节能减磨的纳米添加剂原理进行初步的探讨。认为在啮合摩擦副表面的油膜中,由于呈完美的圆球形的纳米金刚石颗粒的存在,当临界摩擦产生时,纳米金刚石会以类似“轴承滚珠”的原理变原本的“滑动摩擦”为“滚动摩擦”,摩擦系数大大下降。在降低摩擦和消除磨损的同时,由此带来的摩擦性内耗亦获得有效控制。
其次,油膜中大量纳米金刚石颗粒的存在会显著提升油膜强度(支撑力),使异常极压状态下的油膜仍不至破裂,避免了齿轮表面胶合、磨损、塑性变形、齿轮疲劳和折断等损伤。
密度为1016的巨量纳米金刚石在常温下同时作不规则运动,在齿轮油中形成特有的“搅动清洗效应”,使得齿轮油在提高油膜强度的同时粘度大为降低。此举可使油品自身粘滞阻力带来的能耗损失获得进一步控制,齿轮箱油温得以有效控制。
随着人们对纳米技术研究的进一步深入,纳米技术在节能环保领域的应用将会越来越广泛。纺织工业作为能耗和污染大户,纳米材料的节能环保作用将会极大地促进纺织工业的发展,并大大改善人们的生活环境。
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