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| | 納米技術(shù)：非織造布的下一次革命 |
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| 文章來源：中國纖維網(wǎng)
添加人：amy69
添加時間：2009-10-13 |
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近年來，納米技術(shù)可謂發(fā)展得轟轟烈烈。這是一項自上而下的技術(shù)，能幫助我們從原子的性能和組成方式來理解大分子的組成。這樣的技術(shù)使得人們能從需求用途出發(fā)，來控制產(chǎn)品的組成和性能。無紡布材料在納米技術(shù)的發(fā)展歷程中扮演了重要的角色。早在1934年，細胞醋酸纖維經(jīng)典紡紗就取得了專利，比起1959年諾貝爾獎得主Richard Feynman被視為是納米技術(shù)起源的那句話“下面還有更多的空間等待挖掘”要早了很多。
納米技術(shù)首先被應(yīng)用于電子工業(yè)。對于紡織業(yè)來說，納米技術(shù)發(fā)展相對緩慢。即使是現(xiàn)在，市場上也只不過只有少數(shù)的相關(guān)產(chǎn)品。其中Donaldson公司的納米纖維過濾層以及Nano-Tex公司的新型防溢材料是市場上滲透率比較高的產(chǎn)品。根據(jù)Donaldson公司的Young Chung先生所言，Donaldson公司大約三分之一的產(chǎn)品中或多或少都含有納米材料。如今，全世界大約有超過100家學(xué)術(shù)或產(chǎn)業(yè)研究機構(gòu)致力于納米技術(shù)在纖維、紡織品以及聚合體方面的研究。世界各地的政府機構(gòu)在納米技術(shù)方面都投資相當大，根據(jù)國際科研組織機構(gòu)的統(tǒng)計，2005年納米技術(shù)研究的投資就超過了四十億美金。美國、歐盟和日本是該行業(yè)的領(lǐng)頭羊。在科技信息組織的網(wǎng)頁上，如果以“納米纖維”為關(guān)鍵詞搜索一下就會發(fā)現(xiàn)，自1992年以來一共有2015篇相關(guān)內(nèi)容的論文發(fā)表。全球納米技術(shù)正在通過不斷涌現(xiàn)的大量論文和專利澎湃發(fā)展。本文就將討論一些有關(guān)于納米技術(shù)在纖維和紡織品應(yīng)用中的一些相關(guān)發(fā)展問題。
什么是納米纖維？
近年來，研究者們開發(fā)了一些直徑以納米計算的表面積大、高適應(yīng)性、高透氣性、高吸水性、重量輕、彈性系數(shù)適合以及多功能性的纖維材料，并且這些材料已經(jīng)在市場上體現(xiàn)了其商業(yè)價值。這些納米纖維可以用于制造過濾層、化學(xué)有毒物品的保護隔絕層、組織支架和其它很多先進的工業(yè)用途。通常來說，納米纖維的直徑在100到500納米之間。
Anton Formhals公司于1934年發(fā)明了用靜電紡紗的方法生產(chǎn)出人造線，這也是今天用靜電紡紗方法制造無紡布納米纖維的前身。所謂靜電紡紗就在一個強電壓環(huán)境下，采用蒸發(fā)能夠產(chǎn)生納米纖維絲的溶劑的方式，將聚合體溶液制造成充電的噴絲。嚴格意義上來說，納米纖維就是由亞微型纖維組成的無紡布絲。根據(jù)不同的需要，通過靜電紡紗的方式可以將各種天然的、合成的和具有生物降解性的聚合體生產(chǎn)成各類納米絲。在20世紀90年代，由于Akron大學(xué)教授Darrell Reneker的杰出工作，關(guān)于靜電紡紗的科研有了質(zhì)的飛躍。1995年Jayesh Doshi和Reneker共同提交了一篇寫有他們發(fā)現(xiàn)的卓越論文。后來，Doshi教授在田納西州的Chattanooga開創(chuàng)了一家納米技術(shù)公司——Espin Technoligies，專門從事于將各種不同的聚合體通過靜電紡紗生產(chǎn)成商業(yè)用途的納米纖維。
MIT（麻省理工）的Gregory Rutledge研究小組同樣也為靜電紡紗科技奠定了基礎(chǔ)。該小組研究發(fā)現(xiàn)了噴絲的終端直徑，這一直徑也就是由任一聚合體所紡織出來的纖維的直徑。
納米纖維和軍事用途
除了作為過濾層以外，由于其本身潛在的防化學(xué)生物武器能力，納米纖維在軍事研究和發(fā)展方面也越來越被重視。既能防止戰(zhàn)士們在戰(zhàn)爭中免于受到有毒物體氣體的侵害，同時又具備一定的舒適性，納米纖維層材料是非常有前途的材料。有納米纖維層的生化衣物裝備從除了具備輕質(zhì)，透氣性好的特性以外，還能通過增加各種化學(xué)輔助材料的方式達到防毒氣，毒液和毒霧。
美國NATICK軍方基地的Heidi Schreuder-Gibson和Phil Gibson教授通過和政府、工業(yè)機構(gòu)以及其它學(xué)術(shù)伙伴的合作，已經(jīng)在如何利用納米纖維和納米粒子來制造防護服方面取得了很大的成果。例如，他們的研究項目包括將熱塑性的彈性聚亞安酯靜電紡紗，這樣生產(chǎn)出的材料不僅有很強的彈性而且不用再做任何加工就可以有非常好的強度。他們最近正在開發(fā)和實驗如何通過混合納米抗氧化鋁和氧化鈦的方法制造融噴絲和靜電紡紗絲，除此之外，還要做到在織物中添加各種混合物的同時保持織物本身的純凈性。
通過添加輔助材料給納米纖維絲增加各種性能增進了納米纖維絲的使用價值。嵌入金屬氧化物的納米纖維絲可以催化有機磷化學(xué)媒反應(yīng)。最近，德克薩斯州科技大學(xué)成功研究出了如何在聚合體纖維中嵌入納米氧化鎂（MgO）。即在非常嚴格掌控的操作過程中，將納米微粒放置于纖維的表面是完全可行的。通過這一步驟，所產(chǎn)生的纖維就具備了最強的化學(xué)效應(yīng)從而達到防毒的目的。這一靜電紡紗技術(shù)已經(jīng)在發(fā)展蜂窩過濾層疊式聚亞安酯納米絲中發(fā)揮了實際效用。這些過濾層會因為納米粒子網(wǎng)本身所具備的更強的捕捉功能而大大增強過濾性。
新加坡國際大學(xué)（NUS）教授Seeram Ramakreishna的科研小組和新加坡防衛(wèi)科學(xué)科技機構(gòu)（DSTA）正在進行一項有關(guān)于發(fā)展生化防護納米纖維面具的合作。根據(jù)NUS的科學(xué)家們的研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維絲可以取代面具中的活性碳來捕捉空氣中的毒性成分。他們通過往納米纖維中嵌入納米金屬微粒和環(huán)式糊精的方式來分解化學(xué)毒素。這一成果在對氧磷模擬化學(xué)戰(zhàn)中取得了初步的成功。他們的最終目標是能研究出一種可洗的耐用的含有納米纖維的軍用服裝。
與此同時，MIT的Rutledge教授及其同事也研究出了如何在織物表面化學(xué)和拓樸性的作用下，在靜電紡紗過程中增強納米纖維絲織物的防水性的方法。這些防水性的納米絲產(chǎn)品可以被用作防護服和生物藥用。
同樣的，位于Knoxville的田納西大學(xué)TANDEC分部的Gajanan Bhat博士和達拉斯CHK集團的Raj博士也在進行關(guān)于在無紡布織物中加入納米粒子MN(VII)氧化物（M-7-O劑）的合作，從而能夠使得織物具備防護功能。M-7-O劑是一種非常環(huán)保的強劉易斯酸性氧化劑。根據(jù)Bhat博士所說，這些無紡布織物的一些優(yōu)點在于他們可以被安全地運輸，可以按照特定的需求被制造成各種形態(tài)，并且還是排除化學(xué)戰(zhàn)中的毒素和工業(yè)化工毒素的活性材料。
納米纖維和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
康奈爾大學(xué)教授Margaret Frey和她的研究小組正致力于研究可生物降解的聚合體的高表面和水的密切關(guān)系，以及將此應(yīng)用于藥物傳輸?shù)目赡苄�，他們另外的研究項目還包括殺蟲劑的傳輸和生物傳感器的應(yīng)用。Frey博士研究指出，納米纖維的高表面特性使得一塊很小面積的織物上能有更多的傳感活躍地帶。
Donaldson公司在納米織物絲的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面一直位于前茅，該公司從事此項產(chǎn)業(yè)已經(jīng)超過二十年之久。Donaldson公司于1981年生產(chǎn)出了Ultra-Web納米纖維過濾層，并且由此發(fā)展出了新型的以納米纖維為基礎(chǔ)的細胞栽培材料和防噴霧服裝。2002年，Donaldson公司創(chuàng)建了分公司，該公司以生產(chǎn)新型納米纖維為主并同時致力于同其它研究部門和相關(guān)企業(yè)合作開發(fā)擴展納米纖維市場業(yè)務(wù)。最近Donaldson公司就研發(fā)了一種三維細胞栽培媒，這種媒可以模擬特殊細胞矩陣�？山到獾募{米纖維由于有了這種和特殊細胞矩陣（ECM）的相似之處，因此就可以被用來當做組織支架。這些支架能夠使得細胞之間更接近，因此可以發(fā)展為三維的組織結(jié)構(gòu)。機械穩(wěn)定性、生物適應(yīng)性、細胞繁殖和細胞矩陣交互作用是決定納米纖維作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的幾個評估要素。
擴大和商品化
目前靜電紡紗技術(shù)沒有取得重大的商品效益及得到廣泛推廣的原因之一大概就是市場上沒有足夠的工業(yè)級別的器械供應(yīng)。然而，俄亥俄州的NanoStatics公司已經(jīng)發(fā)明了一種新型的靜電紡紗科技，使用該項技術(shù)就可以大量地加工生產(chǎn)納米纖維和含有納米纖維的材料從而滿足市場的需求。
根據(jù)NanoStatics公司所說，他們的生產(chǎn)技術(shù)可以生產(chǎn)直徑從50納米到1000納米的納米纖維。納米絲的厚度可從100納米到200微米多。有了類似這樣的靜電紡紗技術(shù)，將來紡織產(chǎn)業(yè)在納米纖維方面就有可能吸引更多的重要投資。
融紡納米纖維
直徑以納米計的融紡納米纖維最近是大家討論的焦點。Hills公司發(fā)明了一套叫做“海島”的生產(chǎn)方法來生產(chǎn)和發(fā)展不同直徑的（從普通尺寸到250納米）的納米融紡纖維。Hills公司聲明這些纖維的承重能力每根可達3克，并且可以用來紡成具備更多用途的材料。Hills公司已經(jīng)發(fā)展了尺寸在2到0.3微米之間的“海島”型紡粘織物。“海島”采用納米管技術(shù)來生產(chǎn)和發(fā)展直徑小到300納米和厚度為50到100納米的材料，并且這一技術(shù)已經(jīng)申請了專利。Hill公司的納米管纖維材料可以被用于化學(xué)戰(zhàn)的防護、抗藥物、精微過濾以及精微水壓。
碳納米管和合成物
1991年日本NEC集團實驗室的Sumio Ijima發(fā)現(xiàn)了直徑以納米計的多壁碳納米管。納米管的特性包括重量輕、受力大、帶電和抗溫。德克薩斯大學(xué)達拉斯分部（UTD）納米技術(shù)部的科學(xué)家們與澳大利亞CSIRO的技術(shù)人員合作已經(jīng)取得了靜電紡織多壁碳納米管紗這一技術(shù)的突破性進展。這些紗堅固、強力和有特別高的彈性，并且具備溫度和電力的可調(diào)節(jié)可操作性。研究人員聲明，這些碳納米管紗可以被用來制作“智能“型衣物，例如可以儲存電能，防彈，調(diào)節(jié)溫度和透氣度從而提供一個最舒適的狀態(tài)。UTD的Ray Baughman教授和Mei Zhang博士通過與CSIRO的Ken Atkinson博士的合作，開發(fā)了多壁納米管紗，相比單壁納米管紗而言，前者更為經(jīng)濟。這些研究人員還生產(chǎn)出了比相同重量的鋼片還堅固的透明碳納米管片。這些納米管片可以被用于射光燈，低噪音電子探測器，人造肌肉，傳導(dǎo)電路和在每秒可轉(zhuǎn)換上萬的寬頻極化光源。
喬治亞理工大學(xué)的Satish Kumar教授使用單壁、雙壁和多壁碳納米管（CNT）以及蒸發(fā)生長的碳納米管通過聚合方式、融化方式和添加溶液方式來分散不同聚合體矩陣。Kumar教授說，現(xiàn)今的研究發(fā)現(xiàn)矩陣系統(tǒng)包括：聚乙烯（p-phenylene benzo bisoxazole）(PBO)、聚丙烯（PP）、乙醇烯（PVA）、甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚丙烯腈（PAN）這些合成系統(tǒng)已經(jīng)通過傳統(tǒng)的融紡和添加液紡技術(shù)被加工成了各種連續(xù)纖維。他們具備增強的張力、高系數(shù)、化學(xué)抵抗力、玻璃傳熱性和減少的溫度收縮性。聚合體/碳納米管可用于生產(chǎn)多孔納米纖維，納米線和靜電紡織精微杯。
UTK TANDEC的Gajanan Bhat將納米黏土和聚丙烯融連織物結(jié)合在一起。他的研究成果表明，每增加一個百分比的納米黏土的堅韌系數(shù)并不會減少延展度。
無紡布工業(yè)的原子未來
能使用無紡布材料的納米燃料電池的發(fā)展，已經(jīng)指日可待。瑞士蘇黎世的一家科技及商業(yè)咨詢機構(gòu)ACON就指出，到2015年全球納米技術(shù)市場的價值可達九千億美元。在這茫茫的商機中，無紡布工業(yè)乃至整個紡織工業(yè)應(yīng)該通過研究更多不同的、增值的使用納米技術(shù)的方法來加強其市場占有率，使用納米技術(shù)無異于對上述行為有莫大的好處。Douglas Mulhall在他的著作《我們的分子未來》中說道，對原子階段的掌控將會影響到未來以及和我們星球同等大小的事物。納米技術(shù)會影響無紡布工業(yè)嗎？科學(xué)研究基礎(chǔ)和工業(yè)發(fā)展的協(xié)作成果將會為無紡布工業(yè)的分子未來創(chuàng)造一個雙贏的局面！
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