功能纤维的新发展

功能纤维的新发展

最近，国外的纳米纤维（nf）和碳纳米管（cnt）的开发仍在活跃，各种功能纤维新品种层出不穷，且投放市场。一些新型功能纤维和非织布产品相继投放市场。日本的一些传统功能纤维继续进入中国市场，并在中国制造。纵观国外高功能纤维的研发和产业化水平,我国与国外尚有较大差距。1纳米纤维和碳纳米管1.1弹性聚酯纳米长丝的开发最近,东丽开发了NF长丝的新技术,用它可制造单丝直径为1000～300nm级的高均一性超细纤维。这种700nm及比它更细的超细长丝,在世界尚属首次。目前已确立了500nm级聚酯纳米长丝的批量生产技术,在三岛工厂自2012年起开始形成100t/a的生产体制。在NF短纤维方面,开发过100nm以下的超细纤维,而在长丝方面,帝人纤维的“ナノフロン”最细为700nm。东丽通过独自开发的喷丝板,不仅成功地开发出纳米长丝,还通过精密复合纺丝技术可控制复合纺丝纤维的断面形状,从而可生产出异形断面的NF。新开发的NF,由于直径细和风度佳,与以往的纤维相比,因增加了表面积,可显现出优良的吸湿性和气体吸附特性。其中圆形断面纤维虽柔软但刚性不足,可通过异形断面丝可改善和提高其刚性。目前500nm级聚酯纳米长丝已经大量生产,而尼龙等其他材料及300nm的纳米级纤维,早期就已确立批量生产技术。NF的用途除作为服装外,可用于医疗用品、高性能和功能材料、汽车、生命科学等广泛的领域。2012年的销售目标为1～2亿元,将来可望成长至数十亿日元的规模。1.2高纯度的cnf帝人和东京工业大学自2006年起就共同开发导电性的CNF(碳纳米纤维),而这次所开发成功的CNF,其石墨结晶具有层状的单一取向,纤维断面呈椭圆形,纤维长度达20μm以上,相当于以往CNF的10倍以上,而电阻低30%～40%。它可采用熔纺设备制造,因此成本较低。其制造过程不使用一切催化剂,因此可生产高纯度的CNF。用途有面向电动汽车的锂离子电池的二次电池、电容器等的电极材料、电极添加剂、树脂添加剂、燃料电池扩散层以及树脂基补强材料等广泛的应用领域。帝人纤维公司开发并销售了一种具有凉爽感的脖套,其保水层采用高吸水和高吸湿纤维“ベルォアシス”,可以使头部有冷感,并起保冷剂的作用,市场反映良好。其填料采用聚酯纳米纤维“ナノフロント”,以进一步提高其功能,商品名“清凉脖套”。由于在接触脖子的部分(填料部分)采用了“ナノフロント”,具有良好的吸水、扩散和接触冷感,它可将“ベルォアシス”保有的水分进行吸水与扩散,从而发挥气化热的冷却效果。该产品主要在夏天使用,今后将扩大应用于工厂和工地、以及护士等工作领域。每件售价为2000日元(含税),颜色有蓝和粉色两种。1.3等离子体处理法该大学的平田孝道准教授开发了使用CNT的生物传感器,其碳呈纳米尺寸的筒状分子,可从由血液的成份检测出血糖值和过敏物质,而且通过改变CNT的处理方法就可使其感应度提高至以往产品的100倍,可检出0.01%～0.1%的浓度,测定所用的血液量仅10～20μl,约为以往的1/10。今后将与企业等共同研究以实现实用化。其原理是检测作为血糖值指标的葡萄糖和作为过敏起因物质的组胺。在电极和电极间的桥渡位置的CNT表面上,只有被检测的物质附着于反应部位上。一旦目的物附着于CNT表面上,其表面导电度就会恶化而使电阻值下降,由这种变化而检测出目的物质。附着于CNT反应部位的清理不会危害基板,可选用更高效的等离子体处理法来提高感应度。通过检出物就可测出低到0.01%的浓度。接头的大小是在17.5mm边长的4方内,电极间的距离为1μm。在电极上滴下CNT溶液,一旦干燥就可制得,因此容易大量生产。此外,利用可分解淀粉的消化酵素之一的淀粉酶来检出甜味的味觉传感器也在进行研究。目标是确立性能均一的制造技术,并开发一次就能检出多种物质的多项检测接头。1.4cnf与为炭黑及其复合材料电化学工业公司和三菱材料公司是与专销售CNF制品及乙炔炭黑等的新公司“エムディーナテツソ”各出资50%而设立的。自2011年10月3日起开始营业,到2012年3月的初年度销售规模预计为4亿日元。CNF与乙炔炭黑及其复合材料,随着锂离子二次电池、锂离子电容器等的市场扩大,预计其需求将急速增长。特别是由于在正负极添加CNF后,可实现高寿命化和高功率化,因此作为关键材料而引人注目。另外,这两公司除开发CNF制造技术外,还共同开发CNF与乙炔炭黑的复合化技术。CNF的制造设备设于电化学的青海工厂的中试厂,在那里进行研发和市场开拓,而CNF与乙炔炭黑的复合化技术,也应用于电化学公司的中央研究所(东京都町田市)、大牟田工厂(福冈县大牟田市)等,在该处推进研究开发。1.5可使用热空气和静电气作为产品的原料该大学开发了被称作“预纺丝(Forespinning)法”的利用离心力而制造NF的新方法。该技术不仅可采用含生物聚合物的有机高分子,还可制造300nm水平的纳米金属纤维,生产效率高。该技术不仅利用热空气和静电压,还应用了离心力,目前该技术正在申请专利中。该技术所制得的NF和纳米线,具有优良的性能,可望用于飞机材料、滤材、人体组织、药品载体和非织造布的广阔用途。该技术现已由德克萨斯泛美大学许可转让至FibeRioTechnology公司,在“Cyclone(旋风)L-1000系列”工厂中,建成“Forcespinning(商标)”NF生产设备,并实现商业化。该设备可采用溶液或熔体纺丝法制备500nm以下纤度的产品。纺丝时其离心旋转速度为2×104r/min,熔融温度236℃,并配备了尺寸范围广的多纺位锭子。1.6静电纺丝工艺参数韩国的综合工程厂家TOPEC公司得到了信州大学的协助,开发了新型的NF设备,并实现市场化。这种新开发的NF是静电纺丝法,但后半工程为喷丝头方式。这种方式的特点是:(1)在高电压(50kV)下可安全控制,(2)通过倒置的静电纺丝法而实现高品质,(3)可进行两种以上聚合物的静电纺丝,(4)具有小的空间设计,容易进行操作。制得的样品尺寸如下:尺寸:幅宽1800mm,深度1800mm,高度1900mm。电气方式:三相220V,9kW。空气压:0.5MPa。[控制方法]方案:手控系统控制:通过伺服电机控制最佳速度[关键指标]产能:10～100mm/min,罗拉幅宽:600～800mm,适用的聚合物:聚氨酯(PU)、聚偏氟乙烯(PVDF)、尼龙6、聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)、聚乙烯醇(PVA)和蚕丝。NF的主要应用领域为医疗、电气电子、纺织等领域。其设备已在2011年5月的产业应用纺织品法兰克福展览会上展示过,由伊藤忠Systex公司取得其全球销售权。现正进行大批量生产设备的开发,每台设备的售价近2亿日元。1.7纳米物质复合结构丝捷克Liberec技术大学的UldrichJirsak开发了由纳米尺寸的无机化合物,涂覆数微米的超薄纳米涂层的制法。一般的静电纺丝法所制得的NF,已开发出医疗、滤材等各种用途,而在某些用途存在超细结构的物理性能不足的现象。因此,主要制成丝状等纳米材料,试用于各种纺织品状。为了弥补其物性的不足,该公司开发了以NF作为基层,表面涂覆超薄的纳米物质的复合结构丝。这样便可弥补其强度等物性,而且其表面涂层可赋予必要的功能。这种复合结构丝,由于其具有表面摩擦阻力低的趋势,也有采用保护它的丝进行卷绕。该制品适用于一般纺织品的加工。这样的布状制品具备一般的物性,同时在布状表面上可看到细菌、人与动物细胞的自然繁殖。利用该现象,可望应用于洗涤产业、公共污水处理场等,还可望应用于组织培养和外科手术方面。2新功能纤维产品层出不穷2.1服装、运动服、充分发挥饮料和家具的可耐洗洗美国乔治亚大学开发了可廉价提供永久无病毒纺织品的技术,可用于医用内衣和服装、口罩、贴身服装、运动服、纸尿布和尿布、军服、食品包装、塑料家具、医疗和牙科器械、绷带等,这些制品可耐洗涤。该技术可很简单地应用于纤维、织物、滤材和塑料的制造过程,也可以在最终产品如运动衣、鞋、卧室、浴室和厨房用的纺织品中,赋予抗病毒性能,但未透露处理技术细节。2.2活性碳布检测德国Chemviron公司的碳布部门正推进其Zorflex100%活性碳布的商业化,现已被英国健康保护机构(HPA)证实为抗病菌和杀病毒制品。现有两种活性碳布:ZorflexVB和ZorflexVBPlus。测试结果表明,含有ZorflexVB的材料可捕获高达99.54%的病毒,而且一旦抓获后,ZorflexVB活性层即可杀死93%的病毒;而ZorflexVBPlus捕获速率为99.88%,并在活性层内的杀死病毒速率为98%。它们可应用于呼吸口罩、医用白袍、伤口敷料、病人的病服和病床等医疗领域,以及空调系统等产业领域。2.3海水淡化传感器采用的方法位于美国圣地亚哥的加州大学开发出可穿着的网印电化学传感器,它是专为检测水中的污染物和爆炸物而设计的,这种传感器被印到氯丁橡胶制的水下作业服的袖子上,这意味着潜水员无需携带供水下测定的手提分析仪。为了检测海水中微量的重金属污染物、硝基芳族爆炸物和有机污染物,传感器中采用了酪氨酸酶,如果有害物超过了预定的水平,该传感器就会显示出来,这样潜水员或娱乐游泳运动员就可不断地确定周边的环境危害。该传感器是采用银和氯化银系的墨汁印上去的,它可提供导电层,第二层采用碳系墨汁以及因在顶部的绝缘墨汁。酪氨酸酶与碳墨汁相混可检测爆炸性TNT、重金属和有机污染物。这些电化学传感器靠使用电压来驱动氧化还原反应,并测量电流的输出功率。在安全的情况下会显示绿光,而当检测出有害苯酚(遍布工业有机污染物)时,就会显示出红色LED灯以提醒潜泳者。2.4纺丝技术的应用Smartfiber公司开发了具有调热功能的SmartcelClimate纤维,其中的相变材料(PCM)可提供高吸热性(60J/g)。在高度结晶和耐撕裂的Smartcel功能纤维中,通过拥有专利的纺丝技术嵌入石蜡烃。根据所选择的石蜡烃及所需的用途,可以调节吸热或放热温度,使之在特定温度周期内达到稳定的温度。该公司还将提供其含有锌的SmartcelSensitive和特有海藻皮肤保护效果的Seacell纤维新产品。2.5温度调节带的使用可使罪犯和医务人员早期感染澳大利亚Monash大学和联邦科学与工业组织(CSIRO)开发了一种通过改变颜色而可告诫感染的绷带。它是为更快、更有效处理伤口而设计的,这些伤口包括腿溃疡、褥疮等,该绷带中的纤维可随温度的改变和颜色的变化而有所应答。该织物对<0.5℃的变化都是敏感的。因此它可通过经标定的曲线与纤维的颜色相匹配的关系,显示出伤口的痊愈。温度的变化可以显示炎症或暗示供血存在的问题,这些问题会导致感染。这种绷带将协助病人和医务人员早期发觉异常,使他们得以在病症变得严重前及时处理任何并发症。现科学家们已开发出温敏纺织品,下一步正在开发的是把它转为准备好的绷带,这样医务人员可采用电子设备测定伤口周围的温度。发明者希望这种绷带会明显省钱。2.6作为复合纤维Syscom先进材料公司开发了一种采用可乐丽公司的Vectran纤维为芯材的导电金属鞘纤维,主要用作屏蔽编带的部件,或者作为裸线或需要用绝缘材料涂覆的纤维,这种复合纤维既柔软而有高强度、质量轻、耐久性好、并具有设定好的导电性。其商品名为“Liberator”,这种纤维可加工成类似纺织品并具有更均一的屏蔽电磁波干扰的EM/RFI作用,它可通过焊接或采用带式连接器而被终止。3非织布的功能是新3.1亚玉米集孔径技术旭化成纤维公司开发了采用熔喷法制造的超细纤维非织造布精密滤材,其捕集孔径相当于以往的1/4,约为0.5μm,因此除可发挥亚微米领域的精密过滤外,还实现了低压损和高寿命。除可用作抗蚀剂、显像液、刻蚀液等各种有机溶剂的过滤外,还可用于化学机械研磨(CMP)浆料等的粒子分级。3.2超吸水性纤维在纺织品中的应用英国TechnicalAbsorbents(工业吸收剂)公司以超吸水树脂(SAP)为基材,实现了超吸水纤维的市场化。目前该素材主要以卫生用途为中心进行销售,现由于开发了纤维状材料,相继开发了冷感衣料、医用纺织品、水封织物、电缆、带材、油性滤材、食品包装材料等广泛的用途。特别是应用于外伤治疗等医疗用途是有希望的,此外还有望用于军队和警察的紧急治疗素材。3.3生产非织造布的生产设备可乐丽公司采用高速加热蒸汽喷射技术,开发出新一代得非织造布“フレクスタ”,原料选用该公司独家生产的潜在卷曲纤维“ミクロクリンプ(Micro-Crimp)”与乙烯-乙烯醇共聚体(EVOH)纤维,靠蒸汽喷射技术利用高温高压蒸汽的喷吹使纤维在瞬间发生反应而制成非织造布,现在冈山厂拥有1000t/a的生产装置。这种成型方法,由于不存在水的问题,非织造布的干燥时间可缩短,生产所需能耗约为以往方法的2/3左右。这种工艺是靠导入三菱丽阳工程公司的技术,并在成型与加工技术方面与可乐丽公司共同开发而成功的。产品有多种类型,其中与积水化学工业公司共同开发的屏障用材料片材“サーモバア(Thermo-Barier)”,具有强度高、风度好、绝热性和透光性佳的特点,夏天具有阻挡日射的效果,而冬天可发挥室内保温和遮挡窗户附近冷空气的效果,可提高冷暖房的效率。此外,还有与道化工共同开发的新型叠床用的“DK板”与发泡聚苯乙烯板所构成床板,具有优良的冲击吸收性和缓冲性,又能保持一定刚性、轻量和高绝热性。这种“DK板”中的上述纤维交点已自粘接,可维持板的结构,因此转倒时可缓冲受到的冲击,耐久性好。另外,该非织造布还可用于流体床板系统,这是与七王工业公司合作开发的,具有冲击吸收性、吸音性、耐久性和隔热性,由住商铁钢公司负责销售。4纷纷为中国制造虚实纤维分离膜工厂4.1日本树立了树立中国特色社会主义膜制造企业该公司面向废水处理的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜“スチヲポア-SADF”,在日本、中国、韩国等世界各地已取得3000件以上的销售业绩,经它处理后的水质优良、设备占有空间小和易于维护管理。在应用该中空纤维的膜分离活性污泥法(MBR)方面,该公司是领先企业。2011年该公司与中国水处理膜生产厂家北京碧水源科技股份有限公司设立合资企业,将共同生产PVDF中空纤维膜,三菱丽阳出资51%,中方49%,在江苏无锡市成立“无锡碧水源丽阳膜科技公司”,计划于2012年3月投产。三菱丽阳在日本爱知县的丰桥事业所也拥有中空纤维