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纳米技术在非织造布中的应用
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2019/11/18 13:46:19


  美国得克萨斯科技大学ramkumar等认为,纳米材料将是非织造布生产中未来的热潮,他们认为非织造布产品在纳米科技的发展中默默地发挥着作用。1934年纤维素醋酸纤维电子纺丝专利技术被普遍认为是纳米技术的基础。
  
  纳米技术最早是在电子行业获得应用,纺织业采用较迟,至今大量应用不多。donaldson的纳米过滤器材和nano-tex防水溅织物是少量进入市场的产业化产品。据donaldson人员称,其全部产品中约1/3含有某种纳米材料。至今全球约有100余家院校和工业研究单位正在从事有关纳米纤维、纺织品和聚合物的探索,一些国家的政府大量投入资金,据美国国家科学基金会资料,2005年在纳米技术方面投入资金超过40亿美元。美国、欧盟和日本在这方面走在前面,近年在纤维和纺织品纳米技术方面也有一些令人感兴趣的发展。
  
  纳米纤维
  
  实验室开发的纳米级纤维产品,具有比表面积大、柔性、透气性、微孔结构、重量轻、杨氏模量高以及功能性好等优点,目前已有少数成功地批量应用。如过滤器,防化学毒性织物的衬里层,组织支架(tissue scaffold)以及一些高端工程应用。一般把直径为100-500纳米的纤维视作纳米纤维。
  
  1934年anton formhals发明的电子纺丝方法是今日非织造布纳米纤维电子纺丝的先驱。电子纺丝是采用高压电场的带电荷喷嘴,将聚合物溶液纺丝,溶剂蒸发干燥后形成纳米纤维网材。从严格意义上讲,纳米纤维是亚微米级纤维的非织造布网材。根据最终用途,各种聚合物,如天然,合成和生物可降解聚合物都可以应用电子纺丝方便地制成纳米纤维网材。由于akron大学reneker教授的著作,上世纪90年代兴起了一股纳米纤维纺丝的热潮, doshi在田纳西州开创了纳米技术公司espin technologies inc.,用多种聚合物批量生产电子纺丝纳米纤维。
  
  麻省理工学院(mit)的rutledge集团进行了电子纺丝的基础研究,决定了某种聚合物可纺制相应纤维直径的终端喷嘴口径。
  
  应用于军工
  
  除了用于过滤器材,功能性纳米纤维由于其潜在的抗御化学和生物武器的能力,在军工研究和开发中受到重视。为了保护战士免受毒物伤害并提供必要的舒适性,纳米纤维大有用武之地。纳米纤维衬料防生化军装重量轻、透气、功能广、防化性能好、可以防御有毒液体、蒸气和烟雾。
  
  美国natick军人中心和政府、工业、院校协作,探索纳米纤维和纳米微粒材料在防护服中的实际应用。其中有一些令人鼓舞的课题,如热塑性弹力聚氨酯的电子纺丝织物,具有良好的性能;它弹性高,无需进一步加工或处理,强度就较高。目前的试验和开发集中在功能性熔喷和电子纺丝;混入纳米级铝、钛料制成网材,再配以其它方法,将反应性化合物加到织物中,获得自去污性能。
  
  添加有其它材料的功能性纳米纤维网材可提高其应用价值。埋有金属氧化物的纳米纤维可以催化有机磷化学武器药剂。最近,得克萨斯理工大学成功地将氧化镁(mgo)埋于聚合物纤维中,仔细地控制该过程,可以把纳米颗粒沉积于纤维表面,使其具有最大的化学反应性,提供较好的防毒功能。电子纺丝技术可以有效地用来开发蜂窝式filter-in-filter聚氨酯纳米网材。这些过滤器材由于纳米级网眼更好地捕捉颗粒,可提供过滤能力。
  
  新加坡国立大学ramakrishna集团和国防科技局(dsta)协作,开发了纳米纤维防生化面罩,可以用纳米纤维网材替代活性炭来捕截空气中的毒物,他们将纳米金属材料和环糊精埋入纳米纤维来分解化学毒物。用化学武器模仿剂(simulants)“对氧磷”作初步试验取得成功。最终目标是要开发可以洗涤和耐久性的纳米纤维军服。
  
  同时,mit的rutledge教授及其助手开发超级疏水性电子纺丝纳米材料织物,它受纤维表面化学性和形态特性的影响,这些拒水性纳米网材在防护服和生物医学应用方面具有宽广的最终用途。
  
  田纳西州大学tandec等,在非织造布中加入纳米相mn (vⅱ)氧化锰(m-7-0剂)作防御材料。m-7-0剂是环境友好材料,属于路易斯强酸氧化剂。据称这类非织造布布的主要优点是可以安全运输,可根据最终用途制成不同形状、灵活性好、去除化学武器药剂污物和工业毒性的材料。
  
  应用于生物医学
  
  康乃尔大学freg教授及其助手们开发了生物可降解聚合物高比表面积和亲水性材料,可用于药物输送和杀虫剂输送的生物感受器(biosensor)。freg称,纳米纤维的高比面积,在小体积纤维中感受器活性部位较多。
  
  donaldson公司在纳米纤维网材生物医学领域的应用中走在前面,从事纳米纤维业务已有20余年。1981年,其ultra web纳米纤维过滤器材产业化生产,并已拓展到新的应用范围,如纳米纤维细胞培养材料和阻隔烟雾服装。2002年,donaldson又建立了一个新的小组,重点研究纳米纤维新的应用领域,并激励合作研究伙伴,合资扩大批量应用;最近开发三维细胞培养介质,模拟体内细胞外基质(ecm)。生物可降解纳米网材,由于其和细胞外基质相似,可以作组织支架(tissue scaffold)。这类支架使细胞相互紧密靠近,而成长为三维组织机构。其关键因素是机械稳定性、生物配伍性、细胞增殖能力和细胞—基质互动性。这些决定着纳米纤维在生物医学中应用。
  
  最新进展
  
  近来对纳米级纺熔纤维的兴趣巨大,hills公司用海—岛方法已研究成功直径250纳米的匀质熔纺纤维。据其称,纤维强度可达到3克/旦,且可卷绕供下游工序进一步加工,hills已开发出2-0.3微米级海—岛纤维的纺粘织物;亦成功地用岛—海方法制成300纳米直径的纳米管,壁厚50-100纳米,已申请专利。hills的纳米管纤维可用于防御化学武器,药物释放,微米级过滤和微米级水力学器材(液压装置)。
  
  日本电力公司(nec)实验室sumio ijima(纯夫居岛)于1991年开发了多层碳纳米管,其特点是重量轻,强度高、电性能和耐热性好。美国dallas得克萨斯大学(utd)nanotech研究所的科学家和澳大利亚联邦科学与工业研究组织(csiro)协作,在纺制多层碳质纳米管纱线技术方面有很大突破,该产品强度高、韧性好、极其柔软、导电传热,可做成“智能化”服装,储电能、防弹、调温、多孔,穿着非常舒适。
  
  非织造布中应用前景巨大
  
  电子纺丝技术未能普及应用产业化,其原因之一可能是尚难以买到工业规模的机器设备。俄亥俄州的nanostatics公司已开发了达到产业化规模高产量的纳米纤维和含纳米材料的电子纺丝机械制造技术。nanostatics电子纺丝技术可正常生产50-100纳米直径的纤维,其纳米网材厚度可做到100纳米-200微米范围,具备投资生产条件。
  
  苏黎世科学经营咨询公司acon,ag公司估计,2015年全球纳米技术市场将达到900亿美元。大量采用纳米纤维非织造布产品后,将有利于非织造布生产和纺织业开拓各种各样的高附加值应用领域,利用纳米科学扩大其市场份额。基础事业和工业界协作研究,将使非织造布致力于未来分子级技术取得双赢。


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