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纳米纤维的制备方法 0 纳米纤维应用广泛、广泛 纳米纤维是直径为1nm100nm的纤维，这是对狭窄纳米纤维的定义。广义地说,零维或一维纳米材料与三维纳米材料复合而制得的传统纤维,也可以称为纳米复合纤维或广义的纳米纤维。更确切地说,这种复合纤维应称为由纳米微粒或纳米纤维改性的传统纤维。由于两种纤维机械性能和物理特性有很大不同,为了叙述方便,将前者称为纳米直径纤维,后者称为纳米改性纤维。 纳米材料最大的特点就是比表面积大,导致其表面能和活性的增大,从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等,在化学、物理(热、光、电磁等)性质方面表现出特异性。将纳米纤维或纳米级的微粒加入到纺织品中,可赋予该产品某种或多种新功能。因此,纳米纤维广泛应用在服装、食品、医药、能源、电子、造纸、航空等领域,特别是在产业用纺织品领域将有更大作为。 一方面,纳米纤维的广泛应用,对纳米纤维的制备技术提出了新的要求,同时也为纳米纤维制备技术的发展提供了新的发展空间;另一方面,纳米纤维制备技术的不断创新与发展,也使得纳米纤维的种类不断推陈出新,其性能和功能也得以进一步的体现和应用。本文主要讨论纳米纤维制备技术的新进展。 1 纳米纤维的制备方法 1.1 直径纳米纤维的制备方法 1.1.1 静电纺丝生产超微细纳米纤维 静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法,是一种制备超细纤维的重要方法。该方法与传统的方法明显不同,首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电,带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速.当电场力足够大时,聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布状的纤维毡。用静电纺丝法制得的纤维比传统的纺丝方法细得多,直径一般在数十到上千纳米。这种技术可用于多种聚合物纺丝,包括一些数量太少而无法用常规方法纺丝的实验材料。这一纺丝技术成为开发超微细纳米纤维的热点,但对纺丝形成过程和纤维结构、形态学和产品性质仍知之甚少。这一技术可开拓纳米纤维的潜在应用,纳米非织造布可用于屏障和分离膜、医用敷料非织造布、新型的轻质复合材料和智能纤维等。 1.1.2 海岛型复合纤维 海岛型复合纺丝技术是日本东丽公司20世纪70年代开发的一种生产超细纤维的方法。该方法将两种不同成分的聚合物通过双螺杆输送到经过特殊设计的分配板和喷丝板,纺丝得到海岛型纤维,其中一种组分为“海”,另一种为“岛”,“海”和“岛”组分在纤维轴向上是连续密集、均匀分布的。这种纤维在制造过程中经过纺丝、拉伸、制成非织造布或各种织物以后,将“海”的成分用溶剂溶解掉,便得到超细纤维。海岛型复合纺丝技术的关键设备是喷丝头组件,不同规格的喷丝头组件,可得到不同纤度的纤维。一般用本技术生产的超细纤维的纤度在1000nm以上。 最近,美国Hills公司开发了新型超微细旦纤维纺丝技术。该技术是利用新型组件技术在普通的喷丝板孔密度下纺制海岛型纤维。这种喷丝板有198个孔,孔间距为6.4mm×6.4mm。所得每根纤维有900个岛,在经过充分拉伸和溶掉“海”基聚合物后,得到900根纤维,“岛”基纤维的直径大约为300nm。该纤维的纺丝加工几乎与标准的聚合物熔纺工艺相同。另外,据悉日本东丽公司用海岛型方法在实验室也制得了纤度0.0011dtex(约100nm)的极细纤维。 1.1.3 茂金属催化剂法 据1999年9月出版的《科学》杂志报道,日本东京大学已研制成功一种在聚合过程中直接制成聚乙烯纳米纤维,而费用不高的压纺或纺丝加工技术。所发明的这种挤出聚合法在蜂窝结构的硅石纤维内使用茂金属催化剂,硅石纤维起着给聚合后的PE链集束导向的作用。据称,此法可以制造直径仅为30~50nm,即仅约普通纤维直径1‰的结晶型纤维。因为其PE链是伸直而非折叠的,这种PE纤维具有较高的强度,其分子量比通常的PE高10倍,聚合是在硅石纤维孔中进行的,抑制了分子链的支化。高机械强度的PE纳米纤维的潜在用途包括汽车部件、电子设备、绳索、钓线和体育设施。 1.1.4 盘物纺丝设备 分子喷丝板技术是对传统的纺丝技术的挑战,它将使目前使用的聚合物纺丝设备完全改观。分子喷丝板由含盘状物(discotics)构成的柱形有机分子结构的膜组成,盘状物在膜上以设计的位置定位。盘状物是一种液晶高分子,是由近年来聚合物合成化学发展而来的。聚合物分子在膜内盘状物中排列成细丝,并从膜底部将纤维释放出来。盘状物特殊的设计和定位使它们能吸引和拉伸某种聚合物分子,并将聚合物分子集束和取向,从而得到所需结构的纤维。盘状物系统一定要根据所需纤维的结构而设计。 以膜的形式设计的分子纺丝机械,一定要使膜上盘状物可以按需要的方向精确同步旋转,同时,保持盘状物在膜上的位置不变。我们设计用分子间氢键来