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纤维高值化途径之一:通用纤维的高性能及高功能化

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点击次数:  更新时间:2017-12-28  【打印此页】  【关闭

当今纤维高值化最重要的途径之一是在通用纤维和高性能纤维的纺丝溶液或熔体中,添加条状石墨烯、碳纳米管以及各种纳米无机粉体等,以改进原纤维性能的不足,赋予其多功能,从而提高附加值。另外,也可将某些功能性纤维与微型电子元器件、传感器和轻量柔性的高效电池相组合,形成适应军民多用途的智能纺织品及服装,这也是当下和未来的重要发展方向。从本期开始,小编将围绕纤维高值化途径对新出现的重大技术和产品、后加工及智能化设计作系列介绍。

1、通用纤维高性能化

通用纤维高性能化的成功案例是将超高相对分子质量树脂以凝胶纺丝等方法加工成产品,如PE和PVA纤维K2等,还有制成PE、PP、PAN、PVA等中空纤维分离膜,进一步加工成高值分离元件的。

最近Innegra Technologies公司推出了超高模量聚丙烯(PP)纤维Innegra,密度只有0.84 g/cm3,可加工成超轻量防弹产品。美国Plascore公司利用高强高模PP纤维,进一步加工成轻量、坚固、高韧性和相对低成本的PP蜂窝结构材料。

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Plascore PP 蜂窝材料

早先PA6通过冻胶纺丝法试制过强度高达16 cN/dtex的高强丝,但产业化有难度。国外还有通过超临界CO2拉伸法制备强度超过15 cN/dtex的聚酯纤维,但未见有产业化。Domo Chemicals公司利用新创的高分子量PA6切片Donamid® 24 SD,内加有耐光和耐热剂,进行高速纺POY和FDY,产品具有优良的防紫外光和染色均匀性,且纺丝过程断丝少,力学性能大有提高。

除此之外,意大利Radici集团开发了运动服用陶瓷聚酯纱Radyarn和Starlight,其织物有固有的调温特性,能吸收和反射来自阳光和周边环境所辐射的远红外热能,使身体达到最佳的热平衡并模拟表层微循环,色牢度极好且安全性高;芬兰Aalto大学利用离子型新溶剂1,5-氮杂二环(4.3.0)非-5-烯醋酸酯(DBNH-OAc),通过醋酸纤维素的离子型溶液的干喷-湿纺法,生产出高强纤维素纤维Ioncell-F。

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离子型溶剂分子结构示意图

从其与其他纤维素纤维的应力-应变和强度-模量对比可以看出,这种纤维适用于复合材料增强纤维、碳纤维原丝以及服装、弓弦和手巾等的加工。

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Ioncell纤维(实线)与一些商品纤维(虚线)的应力-应变

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Ioncell纤维与一些商品纤维的力学性能比较

 

2、纳米纤维化

静电纺丝法的出现,使得许多无法通过常规纺丝纳米化的有机和无机材料甚至中药材(如杜仲)都可制成纳米纤维,而且得到广泛应用。纳米纤维由于具有特殊尺寸效应、超分子排列效果、细胞认知效果和层状结构效应,可进一步制成高值化产品。河南工程大学和东华大学合作,通过改进型静电纺装置,制备了聚(L-乳酸)有序纳米纤维,具有各向异性力学性能,沿PL方向的拉伸强度、拉伸应变和杨氏模量均有明显提高,今后有望应用于组织工程和复合材料增强纤维等。

改进型静电纺丝装置示意图

改进型静电纺丝装置示意图

东华大学利用静电纺制备了具有药物缓释性的芯-鞘型纳米纤维,芯材为骨胶原(COL)和聚氧乙烯(PEO),鞘材为壳聚糖(CS)和PEO,其药物缓释性已通过紫外光谱图在玻璃器皿中得到验证。

Texas-Rio Grande Valley大学用PVA水溶液批量生产多功能碳纳米纤维体系,进而制得多孔非织造碳纤维布和具有微孔和中间孔的碳纱线,具有导电性高、比表面积大、热稳定性高等特点,同时具有疏水性和疏油性,可用于吸附气溶胶、燃料电池扩散层、非浸润液体转移材料、催化剂载体、新型高效电化学装置的组装材料。

Zetta株式会社采用Zetta ESD方式(静电纺)制备了廉价且耐药品性良好的PE、PP、PET纳米纤维。

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Zetta EDS方式的工艺流程

日本山梨大学通过CO2激光超高速拉伸(CLSD)法, 可将PET 、聚2,6-萘二酸乙二酯、聚乳酸(PLLA)、聚乙二醇酸、PA6和PA66、立规PP、氟树脂和聚苯硫醚(PPS)等各种热塑性聚合物拉成纳米纤维。所谓CLSD法,是指纤维在低温超音速流中,通过激光照射使纤维瞬间熔融,再由亚音速至超音速区以几十万倍拉伸速度进行超拉伸并急冷,实现材料的纳米纤维化。由于无需溶剂和复杂的回收工序,目前正进行量产化技术开发,产品将适用于细胞培养场、缝合丝、创伤敷材、人造血管等医用材料。

苏州大学通过静电纺制备PVA纳米纤维,同时通过添加表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS),明显提高了纤维的拉伸强度和断裂伸长率。提高力学性能的两个主要因素,是改进结晶度以及增强SDBS和PVA分子间的氢键,同时添加SDBS后PVA溶液的表面张力大幅下降,使静电纺过程顺利进行,并减少料点的产生。(如需了解详尽内容,敬请关注《纺织导报》2017年第7期“纤维高值化发展及应用动向”一文,P78-82。)