静电纺丝技术生产纳米纤维的进展

静电纺丝技术生产纳米纤维的进展1静电纺聚丙烯庸基复合材料过滤材料纤维科学家和纺织品制造商的长期目标是比传统的化学纤维（

10.100m）更详细的材料20世纪60年代中期Exxon化学公司开发并注册了熔喷技术生产微细纤维（LlOum）,并于70年代在田纳西大学安装了早期的展示生产线与此同时:杜邦公司利用其专利技术“闪纺”（flash spun）用HDPE溶液生产出了微细纤维除了许多力求改进熔喷技术以生产小于12小（即纳米）纤维的尝试和努力外，至今没有实际的进展，一种可以取代熔喷的技术正在并将继续开发纳米纤维技术公司（Nanofiber TechnologyInc.）最近申请了其技术专利（US6315896B1和6183670）,即用由受控分布的纳米、微米或常规纤维组成的复合过滤介质来生产过滤材料纤维生产商利用Hills公司双组分设备发展了可分裂的海岛型或裂膜双组分纤维用以生产鹿皮，最近直接利用Freudenberg公司的Evolon技术得到的压片生产更为柔软的产品最近A.E.Wilkie在Stuttgard的医用过滤会议上提到用来生产超细纤维的多组分技术，John Ilagewood提供了一份关于聚合法生产纳米纤维的综述性论文，引起与会者广泛的关注静电纺纤维并不是一项新的技术，在机械上类似于静电喷雾纺早在1934年A.Formhals获得静电纺纤维专利US1975504杜邦公司继续对纤维成形静电纺技术进行研究，并且利用o静电纺为其闪纺技术提供更为均一的铺层装置，以生产著名的Tyvek（一种强度很好的微孔纺粘纤网），但是显然杜邦公司失去了对静电纺技术作为实用技术的兴趣Darrell Reneker及其在阿克隆大学（University ofAkron）的同事重燃了人们对静电纺技术的兴趣，并且从50种不同的聚合物中生产了50nm到几百纳米直径的纤维他们宣称更细（35nm）的纤维也能够得到，并且计划从液晶或其他分离系统生产只有几个原子厚的〜纤维纺丝通常是利用溶液由简单的装置得到，如图1所示Drexel Institute已经利用静电纺技术从聚丙烯月青溶液制得更细的纳米纤维生成的碳纤维加热得到活性纳米碳纤维虽然Larrondo和Manley已经证实聚乙烯和聚丙烯可以在熔融状态进行静电纺，但是大多数静电纺是用聚合物溶液2高分子可燃料箱纳米纤维的优点是相对于质量有非常大的比表面积，因此在很多应用领域纳米纤维可以填补空缺或取代传统的纤维，如过滤材料、防护服、催化剂载体和隔膜、生物医学的终端产品（如绷带和药物传送系统）、太空中使用的日光棚或日光镜、施加农药装置以及人造器官和增强混合物的基质由原始聚合物得到的陶瓷纳米纤维或纳米碳纤维还有许多其他的用途，例如氢的储存剂，其碳纤维就像海绵一样吸附氢，使得燃料箱汽车可行驶8000km而不停止和微米或纳米电学、机械或光学系统MEMS和NEMS同等级的弹性纤维可以扩大在纳米光学上的用途从传导性的聚合物得到的传导性的纳米纤维可以生产微热电偶总的来说，纳米纤维是机械、电气和光学装置小型化中引起人们关注的部分小的就是精彩的！Trevor Little和Behnam Poutdeyhimi在JTATM上发表的“纳米纤维新领域”总结了这一点3高分子纳米纤维微米纤维和纳米纤维的几种生产工艺比较见表lo显然，必须大大提高静电纺的生产速度，以达到纳米纤维生产的经济性Espin技术公司和Chattanooga公司有一个用于低成本垫席生产的高速纺设备演示的三年计划，该垫席采用直径为目前传统纤维1/10^1/100的纳米纤维制成这一计划有可能可以提供必要的诀窍，以使静电纺技术从有价值的科研成果转化为有商业价值的大规模生产技术Hills和纳米技术公司已提出的以及新的还没被验证的用以生产高分子纳米纤维的方法在被接受以前还需要进一步的研究探讨2002年10月纳米技术公司的CEO,YongMin Kim宣布公司通过改进消隐辐射方法和优化生产设备发展了大规模生产纳米纤维的技术，每年可生产40t尼龙6和尼龙66的纳米纤维这些样品在韩国的KITTEX2002和华盛顿的Filtration2002上首次展出在生产纳米碳管中最重要的气相技术还没有被涵盖，因为其不包括纤维的成形技术但是Pyrograf Products公司提供了一种低价的纳米碳纤维，其直径为70~200nm,长度在50~100um之间4纳米纤维过滤材料以下有关高分子纳米纤维的现在和未来应用的实例只是例证，并不是一份完整的清单1Donaldson公司使用连续纳米纤维，在其专利中该纤维具有无限大的长径比，直径小于500nm,生产纳米过滤介质，如用于收集粉尘的Ultra-Web过滤器，用于气体涡轮过滤的SpiderWeb过滤器和用于大负荷发动机的Endurance空气过滤器他们使用静电纺使纳米纤维附着在基布上23M公司已开发了一种改良型面罩该面罩是在3M公司传统的面罩介质上附着了由纳米技术公司生产的纳米纤维3更换便携式电子设备的电池因为1g碳纳米纤维可以保留10L的氢，足够一部笔记本电脑工作一年一个氢电池含有一组纳米纤维，则一块大小如电池的氢电池其能量可以是AA电池的数百倍有资料显示，这种纳米纤维电池可以使一辆车连续行驶8000kmo4Nano-Tex,Division ofBurlington公司用纳米单晶纤维开发了Nano-Care和Nano-Dry改良纤维材料5Ilitco Carbon公司提供了Microcarb,是一种以碳纳米纤维为基质的过滤介质6The U.S.Army SoldierCommand已经证实，精密的尼龙纳米纤维涂层具有保护作用，有利于避免悬浮微粒进入，同时对水蒸气的扩散提供最小的阻抗7Irvine的加州大学已经开发了一种实用性的纳米级的氢传感器，以检测燃料电池和内燃机ICE中氢的危险性水平8纳米纤维可以用来生产具有分子级微孔的半透膜，可以通过水分子而阻止其他分子通过该半透膜应用在水质净化上，可以使饮用水不再有毒，现在很多亚洲地区在使用这项技术9在MIT成立的士兵纳米技术研究所ISN的目标之一是为步兵开发一种轻型的20kg分子材料的制服，这套制服可以保护士兵避免生化武器的危害，同时质轻舒适10Drexel大学有一个纳米材料集团，正着眼于研究纳米纤维，以制造质量轻而强度很高的复合材料，该材料有可能成为在汽车和飞机上使用的轻质且安全的材料11Northeastern大学的教授R.Terry等人发现用盘状和带状结构的碳纳米纤维生产的燃料电池的阳极只需要5%重量的铝就可以产生与具有5倍重量的伯的碳电极同样的功能，且比传统的催化剂更能抵御C0中毒12Chemetics公司有一项关于使用一种或多种传统纳米过滤膜的纳米过滤工艺的专利US5858240o13Quantum集团公司的专利US6106913是使用静电纺纳米纤维与增强纤维结合形成非织造纤维状集合体，或者在织造成二维或三维织物前制成纱线14Nebraska大学的专利US6265333是使用纳米纤维生产在层间界面用纳米纤维增强的防分层的复合材料15Schoeller Textiles公司应用Nanospher技术使纺织品具有独特的三维表面结构以限制污物的接触16Fiberweb NorthAmerica公司在其专利US5783503中揭示了用多组分热塑性中空细旦长丝生产具有高强度及阻隔、覆盖性能的非织造材料17Akron大学关于纺制合成丝状纳米纤维的专利US6110590,用其制成的纳米纤维非织造纤网，纤维直径约为2~200nmo18Kimberly-Clark公司的US5935883专利揭示了使用其中含有一种是亲水聚合物的可分裂纤维通过多组分技术利用熔喷工艺生产超细的微米级非织造纤网19IBM公司正在研究纳米晶体管和纳米电线的应用，以开发纳米晶体管的计算机，LucentTechnologies的研究人员正在研究利用纳米纤维创建首个DNA发动机5有效过滤介质和服装材料的利用

5.1悬浮颗粒过滤效率的分析静电纺非织造材料作为过滤介质被Freudenburg和Donaldson公司使用已超过20年图2显示了一种在纤维素基布上成网的薄型静电纺尼龙层，以提高过滤效率，特别是对于细小颗粒，而压力降没有显著增加这是由于Knud数接近或小于1时纤维直径等于或小于空气分子自由通过的平均距离，此时空气分子和纳米纤维中存在一定滑移因素图3显示了3g/m过滤介质的悬浮颗粒过滤效率主要由纤维表面积决定纤维表面积与纤维的直径成反比，悬浮颗粒的渗透性与纤维表面积成负指数关系表2显示了不同工艺生产的非织造材料中纤维表面积对过滤效率的显著影响

5.2pvt材料和聚合物材料微孔膜，例如聚氨酯PU和膨体聚四氟乙烯ePTFE微孔膜被广泛地用于防护服材料如果一种材料具有高的水汽透过率MVTR以快速驱散人体产生的热量，低的透气性以阻止空气穿透以及良好的细菌阻隔性，即高的悬浮颗粒过滤效率，都能成为防护服理想的候选材料静电纺PU材料具有很高的MVTR,仅次于ePTFE图4,且具有最高的防风性能图5另一个研究结果表明，静电纺聚丙烯月青PAN纤维具有同样的性质对于在防护服上有很高的防风性而在过滤介质上却有很低的压力降这一相反结果的原因尚不清楚。