美國得克薩斯科技大學Ramkumar等認為,納米材料將是非織造布生產(chǎn)中未來的熱潮,他們認為非織造布產(chǎn)品在納米科技的發(fā)展中默默地發(fā)揮著作用。1934年纖維素醋酸纖維電子紡絲專利技術(shù)被普遍認為是納米技術(shù)的基礎(chǔ)。 納米技術(shù)最早是在電子行業(yè)獲得應(yīng)用,紡織業(yè)采用較遲,至今大量應(yīng)用不多。Donaldson的納米過濾器材和Nano-Tex防水濺織物是少量進入市場的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。據(jù)Donaldson人員稱,其全部產(chǎn)品中約1/3含有某種納米材料。至今全球約有100余家院校和工業(yè)研究單位正在從事有關(guān)納米纖維、紡織品和聚合物的探索,一些國家的政府大量投入資金,據(jù)美國國家科學基金會資料,2005年在納米技術(shù)方面投入資金超過40億美元。美國、歐盟和日本在這方面走在前面,近年在纖維和紡織品納米技術(shù)方面也有一些令人感興趣的發(fā)展。
納米纖維
實驗室開發(fā)的納米級纖維產(chǎn)品,具有比表面積大、柔性、透氣性、微孔結(jié)構(gòu)、重量輕、楊氏模量高以及功能性好等優(yōu)點,目前已有少數(shù)成功地批量應(yīng)用。如過濾器,防化學毒性織物的襯里層,組織支架(tissue scaffold)以及一些高端工程應(yīng)用。一般把直徑為100-500納米的纖維視作納米纖維。 1934年Anton Formhals發(fā)明的電子紡絲方法是今日非織造布納米纖維電子紡絲的先驅(qū)。電子紡絲是采用高壓電場的帶電荷噴嘴,將聚合物溶液紡絲,溶劑蒸發(fā)干燥后形成納米纖維網(wǎng)材。從嚴格意義上講,納米纖維是亞微米級纖維的非織造布網(wǎng)材。根據(jù)最終用途,各種聚合物,如天然,合成和生物可降解聚合物都可以應(yīng)用電子紡絲方便地制成納米纖維網(wǎng)材。由于Akron大學Reneker教授的著作,上世紀90年代興起了一股納米纖維紡絲的熱潮, Doshi在田納西州開創(chuàng)了納米技術(shù)公司eSpin Technologies Inc.,用多種聚合物批量生產(chǎn)電子紡絲納米纖維。 麻省理工學院(MIT)的Rutledge集團進行了電子紡絲的基礎(chǔ)研究,決定了某種聚合物可紡制相應(yīng)纖維直徑的終端噴嘴口徑。
應(yīng)用于軍工
除了用于過濾器材,功能性納米纖維由于其潛在的抗御化學和生物武器的能力,在軍工研究和開發(fā)中受到重視。為了保護戰(zhàn)士免受毒物傷害并提供必要的舒適性,納米纖維大有用武之地。納米纖維襯料防生化軍裝重量輕、透氣、功能廣、防化性能好、可以防御有毒液體、蒸氣和煙霧。 美國Natick軍人中心和政府、工業(yè)、院校協(xié)作,探索納米纖維和納米微粒材料在防護服中的實際應(yīng)用。其中有一些令人鼓舞的課題,如熱塑性彈力聚氨酯的電子紡絲織物,具有良好的性能;它彈性高,無需進一步加工或處理,強度就較高。目前的試驗和開發(fā)集中在功能性熔噴和電子紡絲;混入納米級鋁、鈦料制成網(wǎng)材,再配以其它方法,將反應(yīng)性化合物加到織物中,獲得自去污性能。 添加有其它材料的功能性納米纖維網(wǎng)材可提高其應(yīng)用價值。埋有金屬氧化物的納米纖維可以催化有機磷化學武器藥劑。最近,得克薩斯理工大學成功地將氧化鎂(MgO)埋于聚合物纖維中,仔細地控制該過程,可以把納米顆粒沉積于纖維表面,使其具有最大的化學反應(yīng)性,提供較好的防毒功能。電子紡絲技術(shù)可以有效地用來開發(fā)蜂窩式filter-in-filter聚氨酯納米網(wǎng)材。這些過濾器材由于納米級網(wǎng)眼更好地捕捉顆粒,可提供過濾能力。 新加坡國立大學Ramakrishna集團和國防科技局(DSTA)協(xié)作,開發(fā)了納米纖維防生化面罩,可以用納米纖維網(wǎng)材替代活性炭來捕截空氣中的毒物,他們將納米金屬材料和環(huán)糊精埋入納米纖維來分解化學毒物。用化學武器模仿劑(simulants)“對氧磷”作初步試驗取得成功。最終目標是要開發(fā)可以洗滌和耐久性的納米纖維軍服。 同時,MIT的Rutledge教授及其助手開發(fā)超級疏水性電子紡絲納米材料織物,它受纖維表面化學性和形態(tài)特性的影響,這些拒水性納米網(wǎng)材在防護服和生物醫(yī)學應(yīng)用方面具有寬廣的最終用途。 田納西州大學TANDEC等,在非織造布中加入納米相Mn (VⅡ)氧化錳(M-7-0劑)作防御材料。M-7-0劑是環(huán)境友好材料,屬于路易斯強酸氧化劑。據(jù)稱這類非織造布布的主要優(yōu)點是可以安全運輸,可根據(jù)最終用途制成不同形狀、靈活性好、去除化學武器藥劑污物和工業(yè)毒性的材料。
應(yīng)用于生物醫(yī)學
康乃爾大學Freg教授及其助手們開發(fā)了生物可降解聚合物高比表面積和親水性材料,可用于藥物輸送和殺蟲劑輸送的生物感受器(biosensor)。Freg稱,納米纖維的高比面積,在小體積纖維中感受器活性部位較多。 Donaldson公司在納米纖維網(wǎng)材生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用中走在前面,從事納米纖維業(yè)務(wù)已有20余年。1981年,其Ultra Web納米纖維過濾器材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),并已拓展到新的應(yīng)用范圍,如納米纖維細胞培養(yǎng)材料和阻隔煙霧服裝。2002年,Donaldson又建立了一個新的小組,重點研究納米纖維新的應(yīng)用領(lǐng)域,并激勵合作研究伙伴,合資擴大批量應(yīng)用;最近開發(fā)三維細胞培養(yǎng)介質(zhì),模擬體內(nèi)細胞外基質(zhì)(ECM)。生物可降解納米網(wǎng)材,由于其和細胞外基質(zhì)相似,可以作組織支架(tissue scaffold)。這類支架使細胞相互緊密靠近,而成長為三維組織機構(gòu)。其關(guān)鍵因素是機械穩(wěn)定性、生物配伍性、細胞增殖能力和細胞—基質(zhì)互動性。這些決定著納米纖維在生物醫(yī)學中應(yīng)用。
最新進展
近來對納米級紡熔纖維的興趣巨大,Hills公司用!獚u方法已研究成功直徑250納米的勻質(zhì)熔紡纖維。據(jù)其稱,纖維強度可達到3克/旦,且可卷繞供下游工序進一步加工,Hills已開發(fā)出2-0.3微米級!獚u纖維的紡粘織物;亦成功地用島—海方法制成300納米直徑的納米管,壁厚50-100納米,已申請專利。Hills的納米管纖維可用于防御化學武器,藥物釋放,微米級過濾和微米級水力學器材(液壓裝置)。 日本電力公司(NEC)實驗室Sumio Ijima(純夫居島)于1991年開發(fā)了多層碳納米管,其特點是重量輕,強度高、電性能和耐熱性好。美國Dallas得克薩斯大學(UTD)NanoTech研究所的科學家和澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)協(xié)作,在紡制多層碳質(zhì)納米管紗線技術(shù)方面有很大突破,該產(chǎn)品強度高、韌性好、極其柔軟、導(dǎo)電傳熱,可做成“智能化”服裝,儲電能、防彈、調(diào)溫、多孔,穿著非常舒適。
非織造布中應(yīng)用前景巨大
電子紡絲技術(shù)未能普及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化,其原因之一可能是尚難以買到工業(yè)規(guī)模的機器設(shè)備。俄亥俄州的NanoStatics公司已開發(fā)了達到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模高產(chǎn)量的納米纖維和含納米材料的電子紡絲機械制造技術(shù)。NanoStatics電子紡絲技術(shù)可正常生產(chǎn)50-100納米直徑的纖維,其納米網(wǎng)材厚度可做到100納米-200微米范圍,具備投資生產(chǎn)條件。 蘇黎世科學經(jīng)營咨詢公司ACON,AG公司估計,2015年全球納米技術(shù)市場將達到900億美元。大量采用納米纖維非織造布產(chǎn)品后,將有利于非織造布生產(chǎn)和紡織業(yè)開拓各種各樣的高附加值應(yīng)用領(lǐng)域,利用納米科學擴大其市場份額。基礎(chǔ)事業(yè)和工業(yè)界協(xié)作研究,將使非織造布致力于未來分子級技術(shù)取得雙贏。(《紡織服裝周刊》) |