先進(jìn)的納米纖維源于對先進(jìn)熔融紡絲技術(shù)的追求

H. Yamanaka， M. Masuda， Y. Aranishi

東麗公司(日本)

細(xì)長的纖維可被加工成各種各樣的產(chǎn)品，對纖維特性的需求取決于產(chǎn)品的預(yù)期用途。因此，要開發(fā)各種纖維加工技術(shù)以滿足這些纖維的特性和市場需求。

業(yè)界在學(xué)術(shù)和工業(yè)上面臨的最大挑戰(zhàn)之一是對更精細(xì)纖維的追求。纖維材料的性能特性(如柔韌性、高比表面積等)隨著纖維直徑的減小而顯著提高。

納米纖維的學(xué)術(shù)定義是“直徑小于100 nm、長徑比大于100的纖維”。然而，由于能夠生產(chǎn)或制備直徑小于100 nm的纖維的工業(yè)技術(shù)和應(yīng)用相對較少，納米纖維的工業(yè)定義“直徑小于1 000 nm且長徑比大于50”在行業(yè)內(nèi)被廣泛使用和理解。

因高比表面積和單個(gè)納米纖維之間存在大量微小空間，納米纖維具有傳統(tǒng)纖維所不具備的納米尺寸效應(yīng)。納米纖維特性改進(jìn)的追求有望引領(lǐng)高性能過濾器和新型服裝紡織品及各種高功能纖維產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)。預(yù)計(jì)這種納米纖維產(chǎn)品量在全球市場上將以每年30%的速度持續(xù)增長。

1 納米纖維的制備方法

超細(xì)纖維和微細(xì)纖維材料的早期制備方法有熔噴和閃蒸紡絲法等。這些方法的優(yōu)勢在于，由超細(xì)纖維組成的非織造布的生產(chǎn)是一個(gè)相對簡單的一步法工藝。這些方法是目前生產(chǎn)纖維片材產(chǎn)品的主要方法。

復(fù)合紡絲法已被開發(fā)應(yīng)用于生產(chǎn)超細(xì)極長纖維。日本東麗塑料株式會(huì)社于20世紀(jì)70年代開發(fā)出海島復(fù)合纖維紡絲法，并推出絨面狀的材料“Ultrasuede”，這種材料由海島型超細(xì)纖維制成。

隨著復(fù)合紡絲技術(shù)的發(fā)展，纖維直徑可以從微米級降至亞微米級。此外，通過紡絲過程(如靜電紡絲和聚合物共混紡絲)中的技術(shù)革新可制備改進(jìn)的納米纖維。納米纖維生產(chǎn)技術(shù)仍處于積極開發(fā)中。近年來，在納米纖維紡絲中使用靜電紡絲技術(shù)受到廣泛關(guān)注。靜電紡絲可以制備直徑從幾十微米至數(shù)十納米的纖維。采用簡單的裝置即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過一步法可以制得由納米纖維組成的片狀材料。

2 熔融紡絲法制備納米纖維

熔融紡絲工藝制備納米纖維的技術(shù)要點(diǎn)如圖1所示。通過熔融紡絲制得海島復(fù)合纖維，除去海組分后可以得到來自島組分的納米纖維。

復(fù)合纖維(納米纖維前驅(qū)體)可以通過熔融紡絲工藝(如聚合物共混紡絲或復(fù)合紡絲)加工纖維產(chǎn)品。在生產(chǎn)各種各樣的納米纖維產(chǎn)品(如紡織品、針織品、非織造布和纖維分散液體)時(shí)，該工藝比電紡絲更早。

從工業(yè)角度看，熔融紡絲非常安全，并且由于它是一個(gè)無需溶劑的過程，因此將引發(fā)相對較少的環(huán)境問題。尤其吸引人的是它可以利用現(xiàn)有設(shè)備，從而可減少開發(fā)時(shí)間和成本。

東麗公司是合成纖維行業(yè)中第一家通過聚合物共混紡絲開發(fā)納米纖維生產(chǎn)技術(shù)的制造商。

圖1 由海島復(fù)合纖維制備納米纖維

3 聚合物共混紡絲制備短纖型納米纖維

東麗公司先進(jìn)的聚合物共混技術(shù)使納米合金可以在納米尺度上產(chǎn)生微分散的多組分聚合物。將海組分和島組分聚合物混合并通過捏合機(jī)造粒而制成納米合金聚合物粒料。然后，這些粒料被送入熔融紡絲工藝中，獲得納米合金纖維。通過堿處理從這些纖維中去除海組分，從而由島組分得到納米纖維。

然而，當(dāng)紡絲液從噴絲孔中擠出時(shí)，納米合金聚合物會(huì)顯著膨脹，聚合物細(xì)流在紡絲線上變得非常不穩(wěn)定。東麗公司通過優(yōu)化對噴絲頭中聚合物流動(dòng)的控制并選擇合適的淬火位置，克服了這一相當(dāng)長時(shí)期存在的障礙，目前該公司正高效生產(chǎn)聚合物共混紡絲納米纖維。

納米合金纖維斷面的透射電鏡照片如圖2所示。可以看到，大量的島組分(黑點(diǎn))存在于海組分(白色區(qū)域)中。這些島的平均直徑約為60 nm，通過去除海組分可以獲得極細(xì)的納米纖維。通過這種方法得到的納米纖維為長度無規(guī)的短纖型纖維。這些短纖型纖維具有層級結(jié)構(gòu)：自組裝形成納米纖維束，這些纖維束又形成納米纖維束復(fù)絲。

圖2 納米合金纖維斷面的透射電鏡圖

所得短纖型納米纖維顯示出海綿的特性。遇水時(shí)，這些納米纖維將水吸入纖維間隙并溶脹。在無水情況下(干燥條件)，它們會(huì)失水并收縮。此外，纖維的層級結(jié)構(gòu)使其具有非常好的吸濕性、優(yōu)于棉花的保水性，以及氣體吸附和藥物緩釋等性能。

4 創(chuàng)新的納米纖維技術(shù)

海島復(fù)合紡絲噴絲板的圖片如圖3所示。將海組分喂入噴絲頭后，注入島組分。島組分流入海組分，形成海島型復(fù)合細(xì)流。錐形擠出孔在橫截面方向上壓縮這些聚合物細(xì)流，產(chǎn)生海島復(fù)合纖維。在該工藝中，需考慮模壓溫度和海組分的溶解度。此外，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)兩者黏度比以形成均勻的復(fù)合流體。聚合物放電速率隨纖維直徑的減小呈指數(shù)遞減。

圖3 海島復(fù)合紡絲噴絲板圖片

盡管增加海島復(fù)合纖維橫截面上的島嶼數(shù)以制備納米纖維非常有必要，但這會(huì)造成噴絲板內(nèi)微細(xì)聚合物流體的分開非常困難。當(dāng)海島復(fù)合纖維橫截面上的任意部分發(fā)生無序的聚合物流動(dòng)時(shí)，易產(chǎn)生島組分融合。這是采用復(fù)合紡絲工藝生產(chǎn)納米纖維的技術(shù)難題。

東麗下一代噴絲板技術(shù)的進(jìn)展建立在對海島復(fù)合纖維的廣泛開發(fā)和精確控制微細(xì)聚合物流體的基礎(chǔ)上，并已成功生產(chǎn)出直徑為300 nm的均勻圓形截面長絲狀纖維(近期生產(chǎn)的纖維直徑降至150 nm)，這在之前是不可能的。

常規(guī)的納米纖維橫截面為圓形。東麗可以生產(chǎn)出各種橫截面形狀(如三角形、六邊形等)的纖維，如圖4所示。

圖4 熔融紡絲技術(shù)制備的納米纖維圖片

多邊形納米纖維的橫截面邊緣能減少接觸，因此比圓形納米纖維具有更低的表面摩擦因數(shù)。三角形納米纖維的刮涂試驗(yàn)結(jié)果表明，橫截面邊緣效應(yīng)(圖5)使得其擦拭效率更高。

圖5 圓形和三角形納米纖維的特性