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疯狂的纳米纤维
作者:Karen Bitz McIntyre    来源:Nonwovens Industry
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纳米材料/工业陶瓷展厅
空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ...
俗话说好东西的包装都不大,任何一个在无纺布工业内和纳米纤维打过交道的人都会同意这句话。尽管在其他工业中,这些细纤度纤维收到了一些负面的评价,但无纺布科技却能将其应用于粘胶长丝连续生产工艺中,起到遏制空气中粒子渗入的风险。因此,无纺布可以被应用于更新更先进的领域。

纳米纤维的定义多种多样,但大部分业界专家将直径小于1微米的纤维就界定为纳米纤维,专家们还认为根据不同的无纺布工业的生产工艺,这些纤维还可以更小。目前最先进的科技可以纺织出直径接近10毫微米的纤维,但基本上最常见的是直径位于75到100毫微米之间的纤维。

到目前为止,无纺布工业中纳米纤维科技的应用范围大部分局限于过滤材料和一些生物医学、隔音材料以及能源储备方面,但熟悉这一科技的研究人员认为该技术的应用具有无限可能性。

“我们目前正努力地带动整个工业面向新的技术——例如纳米纤维,将它们用在目前存在的各项应用中去,”Nonwovens Technologies公司的总裁Anthony Fabbricante先生说道,“该项技术可以被用于任何无纺布应用领域,有太多太多的不同的区域了。我们不敢以专家自称,但我们愿意提供基石。一旦我们将这项科技推出,其发展将会无限。”

Fabbricante先生多年来一直潜心研究如何将纳米纤维应用于熔喷无纺布,并且近期在如何以聚丙烯和聚酯生产出大量熔喷纳米纤维这一技术上取得了重大突破。去年NTI和Arthur G. Russell (AGR)签订了一项有关使用其专利高速生产熔喷纳米纤维科技的许可协议。据Fabriccante先生所说,NTI的高速生产熔喷纳米纤维技术的突破和AGR六十多年从事自动机械生产的经验两者的结合使得他们在业界占据了一个非常独特的位置。

这项新的生产技术可以使得无纺布在每标准商业喷丝孔的生产量高出20%左右。该纤维每线性英寸所含喷丝数量相比其它竞争性纤维要高,并且这些喷丝孔小到只有0.002英寸。决策人员希望能制造出一条一到三米,每分钟500米的生产线来生产这种材料,这些材料将被应用于绝缘层、土工布以及热熔等领域。其它应用领域还将包括生物纤维、双组分纤维、纺粘技术和水力/空气缠结等。

Fabbricante先生介绍说,最近田纳西大学已经成功举行了有关熔喷纳米纤维的试验,并且AGR目前也正在研发其四排喷丝板装置,由每行15英寸宽组成。一旦完成,这项登峰造极的装置的长度将会只有24英寸。

NTI公司的技术只是许多生产超细纤维无纺布工艺的一种,这些无纺布材料被广泛应用于那些需要具备抗渗性能和高效表面的领域,还包括特制熔喷、静电纺纱、静电鼓风和可分叉纤维生产。现在超细纤维在熔喷和湿法成网微玻璃科技中已处于稳健的地位,下一步就是要将直径更小的纤维甚至是纳米纤维涵盖进来。

捷克的Elmarco是一家长期在纳米科技工业中占据领先地位的公司,该公司提供的工业等级达标设备能从有机聚合物、生物聚合物和非有机材料中生产出大量高效可靠和低成本的纳米纤维。“纳米纤维是能给产品带来明显增值的发展最完善和定义最完整的纳米材料。”该公司执行总裁Ladislav Mares先生说道:“其中他们最完善的应用领域就是空气过滤产品和用于伤口的生物医学材料,但许多其它方面的应用也已经到了最后的试验阶段。”

Elmarco已经和私有产业以及学术界都签订了合作协议,这样他们就能将其技术向新的无纺布工业领域推广。“基本上,无纺布工业在我们的商业计划中占主导地位,”Elmarco公司的决策和发展总裁Stanislav Petrik先生说,“市场对我们生产的设备的需求是十分巨大的。”

性能为本

纳米纤维的长处举不胜举。他们使得滚轴材料生产商能生产出轻质牢固的材料,并且这些材料还具备良好的透气性、湿度芯、材料有悬垂度和不透明的性能。他们的局限性多跟成本需求和具备生产能力的生产商数目挂钩,而非纳米纤维无纺布材料本身。得益于日益增长的性能表现,纳米纤维无纺布材料已经被越来越多地用于替代传统的纺织材料,尽管他们的价格并不一定便宜。

在过滤方面,超细纤维和纳米纤维材料被用于在保障布料的高效流通性的同时捕捉良性微粒。不过除了他们的功能性长处以外,生产过程中简易操作要求方面的表现他们并未能达到最佳。尽管是最早的无纺布工业技术之一,湿法成网工艺能提供生产含有微纤维材质的媒介材料所需的灵活性。

最近一个使用湿法成网工艺生产微纤维无纺布材料的例子是Ahlstrom公司的Disrupto技术,他们采用的是微玻璃和纳米铝土。该技术是INDEX 08奖项获得者,该公司纳米纤维为基础的过滤媒介材料将电子和机械捕捉这两项方法合而为一。其主要优点包括了低压降,高装载量和优质的过滤效率。

Ahlstrom公司的液态过滤材料销售副总裁Jerome Barrillon先生说,纳米技术使得过滤媒介材质生产商得以革新长时间以来他们未能突破的技术。

“在过滤过程中,纳米纤维材料的长处之一就是在效率、容量和压降三方面可以同时提高,而在过去几十年以来,这一状况一直在原地踏步。这样效率得到提高又不用牺牲别的方面。”

除了Disruptor技术以外,Ahlstrom公司在北美也具备生产静电纺制纳米纤维的能力。Barrillon先生认为对于客户来说,如何将纳米科技很好地运用于产品之中的关键在于全面关注业内出现的各项知识产权。“从知识产业角度来说,我们公司是透明和自由的,但是要生产出这类产品,很多工艺现在都受到专利的严密保护。生产商们必须小心保持自由度和透明度,不要侵犯到其它公司的专利。”

另外一个有趣的纳米纤维是Hollingsworth & Vose公司的采用HVision平台技术打造的纳米纤维网。这些媒介材料是具备空前的可操控性和耐久性的多孔结构材质。凭借该技术,纤维的直径和厚度可以进行调整从而在广泛应用中达到高性能。多功能纳米网媒介材料可以用于任何无纺布涂层,包括玻璃、纤维素、综合纤维,也可以单独用作基质。在空气过滤媒介材质方面,纳米网提高了媒介去除空气蒸汽中颗粒的性能;在液体过滤媒介材质方面,纳米网更为达到许多液体应用的严格标准而设计。除过滤以外,采用H&V公司的纳米网技术而制造出的多孔结构非常轻质并有高性能的表面,所以是制作隔热和隔音材料、防过敏床上用品、防水透气布料和能源储备的最佳选择。

合作共赢

另外一个将目光展望于纳米技术在过滤材料应用之外的是Oerlikon公司。这家机械设备供应商的梳毛机分部两年前与Elmarco公司达成了合作协议,两家将梳织无纺布和制造隔音材料的纳米纤维结合在了一起。这种新产品是一种联机生产的有五层结构为梳织-纳米-梳织-纳米-梳织的材料。

“这种材料不能脱机生产,原因在于梳织无纺布需要某种粘合材料,所以Elmarco公司决定和我们Oerlikon合作将其纺织与我们现有的梳毛生产线结合起来。”Oerlikon公司的梳毛机分部总监Stefan Schlichter先生介绍道,“梳织材料层必须要包围住纳米材料层,原因在于纳米层非常粘也十分易断。梳织材料层起到了很好的保护作用。”

Elmarco公司还发展了静电纺纱技术用于生产高质的纳米纤维,并且已经同熔纺无纺布生产商Avgol公司达成了合作,采用该项技术发展过滤媒介材质。在纺粘应用方面,Elmarco公司的生产原理则由于生产速度原因需要脱机合并。先生产纺粘法无纺布,然后再加盖纳米纤维。相反的,在梳织过程中,纳米纤维则因为粘合的步骤原因需要联机生产。Oerlikon之所以是Elmarco发展这项技术的良好拍档,是因为他们拥有一条三层落纱生产线,加上在梳织材料层中再各加入一层纳米纤维,就制造出了总共五层的材料。

Schlichter先生说这种五层结构是制造隔音材料的最佳选择,因为它比同类产品具备更优秀的阻隔效果,阻隔低音的时候频率也较高,并且重量也更轻。“如果采用其它产品,垫子厚度必须要很厚,而使用了这种合成材料就能节约用料。其次,该材料可以用于一些对材料重量和尺寸有一定限制的应用,如洗碗机内部。目前市场上对降低洗碗机工作时噪音的需求普遍存在,但洗碗机的设计是比较标准的,因此只能在内部添加一定数目的隔音料。”

很好的学术尝试

目前许多包含纳米纤维的研究项目,至少在无纺布工业领域正在学术界开展。大学的研究人员正在研究如何能将该科技更好地运用于无纺布工业当中,其中田纳西大学是领头羊。早在几年前,那里的实验室就将研究重点放在了纳米科技上,目前他们正在测试一条采用NTI和Hills纳米纤维模科技的融喷试验生产线。据该校材料科学和工程系的主任兼无纺布材料研究实验室(UTNRL)总监Gajanan Bhat教授介绍,实验室的研究人员除了进行独立研究以外,同时还帮助合作公司更多地了解这一科技。

他说道:“目前我们的生产线是唯一同时拥有两种竞争性纳米纤维模的地方。这两种模都已经到位,我们也已经在从事纳米纤维的生产。跟传统的静电纺织不同,这是一种速度大大加快,持续不断的成网方式。”

在帮助中小型生产商发展更多高效过滤产品的同时,生物医学方面的应用也是非常重要的一环。事实上,Bhat博士目前正与其他研究人员一起研发一种小型的模用以生产生物医学方面的材料。

另外,Akron大学也与Elmarco公司合作以扩展其纳米科技研究范围。作为过滤纳米材料联合会(CFNC)的新成员之一,Elmarco公司的首项贡献就是为纳米纤维生产提供了独特的实验设备——纳米蜘蛛实验机械。Elamrco私有的技术轻易就升级到工业水平,从而为将该联合会的实验项目结果投入到商用中带来巨大的机会。Elmarco也是业内能提供工业生产纳米纤维材料机械的首席供应商。

Akron大学在此类研究上有着长期成功的研究传统,同时还发展了生产纳米纤维和应用的静电纺纱工艺。Darrell Reneker教授和George Chase教授是这一领域的专家。他们早就意识到纳米纤维在实用领域的巨大潜力,并于1998年成立过滤纳米材料联合会(CFNC),从而与业内具备创新意识的联合会各成员间进行学术交流,以更好地推广创意。

CFNC的任务包括对综合功能过滤材料的基础研究和设计过滤媒介,纳米纤维的发展和应用。研究的范围包括理论阶段、制模以及如何在以微米和纳米纤维制造的无纺布过滤媒介产品中捕捉及结合微米和纳米尺寸的滴落物和微粒;纳米纤维的形成方法和含有纳米纤维的无纺布媒介材料的结构;液体与液体和气体与液体的结合等。

纳米纤维在无纺工业的应用在持续发展。不论是基于速度较慢但成本较低的静电纺丝,还是产量较高的熔喷工艺,该技术必然会为无纺工业带来有趣的新产品。“这是一项新兴的令人激动的新科技,将会带来一系列新产品。”Fabbricante先生预测道。

Elmarco公司刚刚投入一条新型有机纳米科技生产线,并为保护环境作出贡献,Elmarco的决策层也同意并预测说目前的“绿色浪潮”一样会席卷纳米科技。

“纳米科技,即纳米纤维几乎在其每一个应用环节都对保护环境作出贡献,”Elmarco公司的Mares先生说,“其高效高渗透性的过滤性减少了污染,而其使液态内空气强制通过的特性则使得能源消耗大大降低。催化剂、微粒过滤网还有车用燃料和油过滤网提高了燃油效率,同时降低了放射率。总之采用纳米纤维材料对生产出更绿色环保产品的好处不胜枚举。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/14/2010)
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