A nanotechnológia alkalmazása a textiliparban az egyik legfontosabb fejlesztési irány ebben az iparágban. Ez elsősorban a szálgyártás, a kikészítés és a bevonatkészítés területén figyelhető meg. Sokat ígérők azok a kutatások, amelyek arra irányulnak, hogy a nanotechnológia alkalmazásával a textilanyag tulajdonságait javítsák vagy újszerű tulajdonságokkal ruházzák fel azt. E téren már számos fontos gyakorlati eredmény is született. Egy statisztikai adat szerint 2003-ban a világon az államilag finanszírozott kutatásokba összesen mintegy 3 milliárd dollárt fektettek be és ehhez járultak a privát cégek saját kutatásai, amelyeket szintén nagy anyagi ráfordításokkal folytatnak.

A nanotechnológia az 1–100 nanométeres mérettartományba eső anyagok megismerésének és alkalmazásának tudománya, ahol egyedülálló jelenségek új alkalmazási lehetőségeket nyújtanak. A nanométer (rövidítve: nm) a méter ezermilliomod, a milliméter milliomod, a mikrométer (μm, röviden: mikron) ezred részét jelenti. A nanotechnológia tehát a 0,001–0,1 μm nagyságrendű méretekkel dolgozik. Összehasonlításul: az emberi hajszál vastagsága mintegy 80 μm (0,08 mm) nagyságrendű, azaz 200-szor vastagabb, mint egy átlagos nanoszál.

Fogalom meghatározás

A nanotechnológia fogalmát először Norio Taniguchi, a Tokiói Egyetem tanára definiálta 1974-ben tartott előadásában, amely szerint „a nanotechnológia főként egyetlen atomnyi vagy molekulányi anyagok feldolgozásával, szétválasztásával, megszilárdulásával és alakváltozásával foglalkozik.” Az azóta eltelt időben ez a meghatározás annyiban változott, hogy magában foglalja a 100 nm méretű anyagokat is. Egy másik megfogalmazás szerint „a nanotechnológiák olyan eljárások, amelyek termékeinek jellemző méretei 100 nanométernél kisebbek. A tudományos élet kitüntetett érdeklődését a nanoanyagok iránt az okozza, hogy a 100 nanométer alatti méretek skáláján az anyagok tömbi jellemzői megváltoznak és újszerű, korábban nem ismert tulajdonságok (szilárdsági, mágneses stb. jellemzők) léphetnek fel.” A nanotechnológia gyakorlati megvalósításának alapjait azután Richard Feynman rakta le, aki 1959-ben publikálta első eredményeit.

A nanoanyagok és eljárások a gyakorlat számára a legegyszerűbben így jellemezhetők:

olyan termékek, amelyek funkcionális összetevőjének mérete legalább az egyik irányban 100 nm alatt van, és legjellemzőbb tulajdonságaik épp ezen a körülményen alapulnak; olyan analitikai vagy megmunkáló berendezések, amelyek alkalmasak anyagok 100 nm-t meg nem haladó pontossággal történő előállítására, mozgásuk megfigyelésére és mérésére.

Nano-szálasanyagok

250 px|bélyegkép|Spirális titán-dioxid nanoszál A nanoszálak meghatározását egy nemzetközi szabvány (ISO/TS 27687:2008) a következőképpen fogalmazza meg:

„Olyan nanoanyagú képződmény, amelynek két kiterjedése a nanométeres tartományba esik, a harmadik kiterjedése ezeknél jóval nagyobb. A nanoszál lehet hajlékony vagy merev. Két hasonló mérettartományú mérete legfeljebb 1:3 arányban térhet egymástól és a harmadik irányú méretnek, amelynek nem is kell a nano mérettartományba esnie, ezeknél legalább 3-szor nagyobbnak kell lennie.” A textiliparban „nanoszálaknak” nevezik az olyan szálakat is, amelyek átlagos átmérője nem nagyobb 0,5 μm-nél és hosszúságuk legalább 100-szorosa az átlagos átmérőnek.

Amikor a szálasanyag polimerjének átmérője a mikrométeres nagyságrendről a nanométeres nagyságrendre zsugorodik, számos jellemzője megváltozik. Ezek közül kettőnek van igen nagy jelentősége: az egyik az, hogy felülete nagymértékben megnő a térfogatához képest, a másik pedig az, hogy merevsége és szakító szilárdsága nagyobb lesz, mint bármelyik másik ismert szálé.

A nanométer nagyságrendű vastagsági méretű, szintetikus polimerekből készült szálasanyagok (nanoszálak) előállítására többnyire az elektromos szálképzést használják, amelynek során a folyékony (olvadt vagy oldott) polimert elektromossággal töltik fel. Amikor a töltés nagysága elég nagy, egy 0,1–1 mm átmérőjű, földelt tűt közelítenek a felületéhez, amelyre egy folyadékáram indul meg a folyékony polimerből. A töltéssel bíró folyadékáram instabil ostorozó mozgást végez, aminek következtében a sugár meghosszabbodik és elvékonyodik, miközben megszilárdul (lehűl, illetve elpárolog belőle az oldószer). Vastagsága a 3 nm és 1 μm közötti tartományban áll be. Elvileg folytonos nanoszál (filament) is készíthető így, ha a polimerfolyadék-sugár nem szakad meg. Ez idő szerint elektromos szálképzéssel mintegy 350–500 mm hosszú nanoszálakat tudtak előállítani. A nanoszálak szakítószilárdsága (a finomságukhoz viszonyított szakítóereje) nagyobb, mint a mikroszálaké s ez fokozza a jelentőségüket.

Egy másik gyártási eljárás a bikomponens szálasanyagok, azon belül is a „szigetek a tengerben” elvén alapul, ahol az 1,1–3,3 dtex finomságú bikomponens szálakba 240–1120 „sziget-szálat” ágyaznak be valamilyen oldható polimerbe (poliamid, polisztirol, poliakrilnitril, polikarbonát, polietilén stb.). Az ilyen bikomponens szál anyagában a „szigetek” 80, a „tenger” 20%-ot képviselnek.

Cellulózból (azaz természetes polimerből) is előállítható nanoszál. Erre példa a lyocell szál, amelynek fibrillái a nano-mérettartományba esnek és ezért a szál fibrillákra bontásával nanoszálak nyerhetők.

A nanoszálakat ez idő szerint főként nemszőtt kelmék készítésére használják, ahol a szálak elhelyezkedése véletlenszerű. Felhasználási területük igen széles, ami a szálak kis fajlagos sűrűségének, nagy fajlagos felületének, a belőlük készült nemszőtt kelme nagy porozitásának és ezzel összefüggésben jó légáteresztő képességének, kiváló mechanikai tulajdonságainak köszönhető. Az ilyen anyagból készült termékek között megtalálunk levegő- és folyadékszűrőket, hangszigetelő rétegeket, védőruhákban alkalmazott, a lélegzőképességet és egyben vízhatlanságot biztosító védőruha-rétegeket, elemekben használt szigetelő membránokat, biopolimerből készült sebkötöző anyagokat, testszövetek felépítésére szolgáló hordozórétegeket, gyógyszereket a szervezetbe bejuttatni képes anyagokat is.

Nanoméretű töltőanyagok a textilszálakban

Nanoméretű részecskéket (pl. fémoxidokat, agyagot, kormot) azért helyeznek el textilipari szálasanyagok nyersanyagaiban (poliamid, poliészter, polipropropilén, polivinilalkohol stb., sőt újabban cellulóz polimerjeiben is), hogy tartós mikrobaellenes hatást, nagyobb elektromos vezető és hővezető képességet, antisztatikus tulajdonságot, nagyobb mechanikai szilárdságot adjanak a szálaknak, sőt esetleg olyan járulékos fizikai és kémiai tulajdonságokat is adhatnak a szálaknak, amelyek az ilyen töltőanyaggal nem rendelkező szálakban nincsenek meg.

A nanoméretű töltőanyag-részecskék méretükhöz képest nagy felületűek, ennek folytán igen jól tudnak kölcsönhatásba lépni a polimer szerkezettel. Kis méretük következtében befolyásolni tudják a polimerlánc mozgását és így csökkenthetik annak mozgékonyságát. Egyenletesen oszlanak el a polimer anyagban, ezért terhet viselhetnek és javíthatják az anyag szívósságát és kopásállóságát. Tehermentesíthetik a polimer molekulaszerkezetét és ezzel fokozhatják a szál szilárdságát. Eloszlásuk a polimer szerkezeten belül alapvető fontosságú a szál minősége szempontjából. Habár az olyan töltőanyagok, mint pl. az agyag, a fémoxidok vagy a korom, mikrométer nagyságrendben már korábban is használatban voltak a szálgyártásban, de nanométer nagyságrendben ezek még nagyobb teljesítményre képesek és új lehetőségeket teremtenek.

A szén nanoszálak (300–500 szénatomból alkotott molekulaláncok) és a korom nanorészecskék a legelterjedtebben használt nanoméretű töltőanyagok közé tartoznak. A szén nanoszálak méretarányaik révén hatékonyan javítják a textilszálak szakítószilárdságát, a korom nanorészecskék pedig azok szívósságát és kopásállóságát. Mindkettőnek nagy a vegyszerállósága és az elektromos vezetőképessége. Egyes szálképző polimerek, mint pl. a poliészter, a poliamid és a polietilén 5–20%-ban tartalmazhatnak ilyen anyagokat.

A szén nanocsövek a ma létező legígéretesebb építőelemek közé tartoznak. Ezek parányi, henger alakúvá hajlított grafitlemezkék. Nagyobb szilárdságuk és nagy elektromos vezetőképességük jóval meghaladja a szén nanoszálakét. Szakítószilárdságuk 15-szöröse az acélénak, súlyuk ugyanakkor csak egy hatoda annak, hővezető képességük jobb, mint a legtisztább gyémánté, elektromos vezetőképességük a rézéhez hasonló, de sokkal nagyobb áramerősséget tudnak átvinni. A lehetséges alkalmazások között számításba jönnek a nagyszilárdságú, elektromosan vezetőképes textilszálak, az energiatároló és energiaátalakító berendezések és az emissziós képernyők. Az egyik legsikeresebb példa a szén nanocsövekkel készült szálakra a többfalú nanocsöveket tartalmazó polivinilalkohol szál, amelynek átmérője a mikrométeres tartományban van és amit koagulátum alapú fonási eljárással készítenek. Ez a szál kétszer merevebb és erősebb, és hússzor szívósabb, mint egy ugyanolyan súlyú és hosszúságú acélhuzal, szívóssága négyszerese a pókselyemének és tizenhétszer akkora, mint a golyóálló mellényekben használt aramidszálaké. Ez a szál tehát alkalmazásra találhat a biztonsági hevederek, a robbanás ellen védő takarók és az elektromágneses árnyékoló szerkezetek gyártásában.

250px|bélyegkép|jobb|Titán-dioxid nanocsövek. Vastagságuk egy hajszálénak 10 000-ed része Az agyag nanorészecskék vagy nanolemezkék anyaga néhány fajta víztartalmú alumíniumszilikát, amelyek kémiai összetételükben és kristályszerkezetükben különböznek egymástól. Mindegyik hő- és vegyszerálló, elektromosan szigetelő és megakadályozzák az ibolyántúli sugarak áthatolását. Ezért az ilyen részecskékkel erősített szálak lángállók és ellenállnak a korróziónak és az ibolyántúli sugárzásnak. Így például a montmorillonit-agyag nanorészecskéket – amely egyike a legelterjedtebben használt agyagtípusoknak – UV-blokkolóként használják poliamid kompozitszálakban. Az agyag 5%-nyi mennyisége 40%-kal növeli a szakítószilárdságot, 68%-kal növeli a szilárdsági modulust, 60%-kal javítja a hajlítószilárdságot és 126%-kal a hajlítási modulust. A hőállóságra jellemző ún. hőtorzulási hőmérséklet 65 °C-ról 152 °C-ra emelkedik. A nanoméretű lemezkék akadályt képeznek a víz, a vegyszerek és más káros anyagok behatolása előtt.

Az agyag nanorészecskék egy másik funkciója az, hogy a polipropilén szálakat színezhetővé tegyék. Ezekben a szálakban tömör szerkezetűek és nincsenek olyan helyek, ahova a színezék kapcsolódhat, és a nanorészecskék feladata éppen ilyen helyek létrehozása. Ennek eredményképpen az 5% agyag nanorészecskéket tartalmazó polipropilén savas és diszperziós színezékekkel színezhetővé válik.

A titán, alumínium, cink és magnézium alapú fémoxid csoportok fotokatalitikus képességgel, elektromos vezetőképességgel, az ibolyántúli sugarakat elnyelő képességgel és a kémiai és biológiai anyagokkal szemben fotooxidációs képességgel rendelkeznek. Az ezekből a fémoxidokból álló nanorészecskék kutatásának középpontjában a baktériumellenes, az öntisztuló és az ibolyántúli sugárzás ellen védő funkciók állnak, amit mind katonai, mind polgári célokra fel lehet használni. A cinkoxid nanorészecskékkel telített poliamid szál ibolyántúli sugarak elleni árnyékoló szerkezetekhez használható, és csökkenti az elektrosztatikus felöltődést. A titándioxid-mangánoxid nanorészecskékkel készült szál önsterilizáló hatású.

Nanotechnológia a textilkikészítésben

A nanotechnológia nemcsak a különböző szálasanyagok készítésére van hatással, hanem a kikészítési eljárásokra is. Térhódítása a textilkikészítésben már eddig is újfajta eljárásokhoz és új alkalmazásokhoz vezetett. A kikészítőszerekben lévő egyes molekulák vagy nanorészecskék termodinamikai, elektrosztatikai vagy más módszerekkel ideális esetben egyedileg helyezhetők el bizonyos helyekre a textilanyagon, meghatározott irányítottsággal.