新型纳米级聚酯纤维.pdf

纤 维 与 纱 线 新型纳米级聚酯纤维 m. kamiyama，m. numata 帝人纤维公司纤维研究开发部 （日本） y. ohkoshi 信州大学 （日本） 摘 要： 用多种纺丝技术， 研究了从微米到纳米级的纤维结构控制。纳米级纤维结构 控制的重要性可用两种方法阐明。其一是给出改善物理性质的模型或基本原 理， 例如结晶尺寸或分子取向。这个方法是为了连接宏观性质和纳米结构， 对 于聚合物设计和纤维结构极为重要。另一方法关注纳米纤维本身， 研究将指 出纳米纤维具有哪些新的卓越性质。 关键词： 纳米纤维， 聚酯， 结构， 性能 图 l 超细纤维的制造工艺 直径为 l0 nm 的聚酯纳米纤 维仅由 200 个高分子链组成。另 一方面， 常规的聚酯纤维由非常大 量的高分子链组成 （20 !m 直径的 纤维由 8. 7 亿个高分子链组成） 。 为了把纳米纤维推向新市场， 关于 纳米纤维独特性质的评价方法是 非常必要的。 l 回顾和目标 众所周知， 用于非织造布的纳 米生产技术有熔喷纺丝、 闪蒸纺 丝、 纺粘法和静电纺丝 （图 l） 。新 的静电纺丝法正在迅速迈向生产 阶段， 两种互不溶混的聚合物进行 共混纺丝， 广泛地用于生产非织造 产品， 特别是人造革应用。这些技 术对于生产 l0 300 nm 的纳米纤 6 国际纺织导报 !# 年第 # 期 纤 维 与 纱 线 图 2 聚酯纳米纤维截面 图 3 截面对伸长行为的影响 维具有相当的潜力， 然而， 这些仅 限于由短纤维生产的非织造布和 组合。其重点是生产纳米级纤维， 因此纤维结构形成过程似乎并不 理想， 导致力学性质相对不足。 海岛型复合纺丝技术开发于 上世纪 80 年代， 但仍然是微米级 的， 必须用化学溶剂溶解海聚合 物。 因此， 决定把研制目标确定为 长丝型纳米纤维， 具有均匀的直 径、 高强度、 在纤维制造和应用中 容易加工， 而且生产工艺生态友 好， 可用水溶解。 2 喷丝板设计技术 帝人公司聚酯纳米纤维由大 量的海岛复合纤维生产。图 2a 为 纳 米 纤 维 的 截 面 ， 其 直 径 为 85 nm， 一根长丝中约有 l 000 个 岛。图 2b 为微米纤维。 必须把喷丝板设计成能使所 有的岛都是均匀的。最初， 在研究 的初期阶段， 只有非共轴截面图 3a， 海和岛之间的位置不够。如应 力应变曲线所示， 当海区断裂时， 扩散到整个截面， 导致纤维在较小 的伸长下断裂。随着研究的进展， 调整了喷丝板设计， 最终得到了理 想的截面图 3b。此时， 断裂伸长 提高到以前的 2 倍。拉伸伸长显 示 2 个阶段， 首先海区部分地断 裂， 稍稍显示屈服点， 然后岛区顺 序地伸长到整个纤维的断裂点。 所以由这种截面可获得高拉伸比。 3 海区聚合物的溶解技术 第二个课题是用碱溶液把纳 米纤维岛从海基体中分离出来。 海区聚合物的溶解速度必须比岛 区聚合物的溶解速度快得多。如 果海区聚合物溶解的速度不够快， 纤维中心的海区聚合物仍保持未 溶解状态， 就不能完全分离纳米纤 维。首先， 观察了 25 个海岛用碱 溶液溶解的行为， 发现从纤维表面 到中心呈碱溶解的进行同心圆 （或 者如图 4 所示， 像葱头剥皮） 。根 据这种分离行为， 用模拟法估计碱 溶解海区聚合物所必需的速度。 例如表 l 中， 直径为500 nm 的300 个岛分布于 l 根纤维的 l0 个圆圈 内， 为了完全分离又不损伤岛区， 估计海区聚合物必需的溶解速度 要比岛区聚合物的溶解速度快 l 000倍。 4 纤维性质 为了使纤维变细和产生高强 度， 没有海保护的皮芯效应， 高拉 伸比和高拉伸张力对于纺丝和拉 7 国际纺织导报 !# 年第 # 期 纤 维 与 纱 线 图 4 海岛复合纤维中海区聚合物用碱溶液的溶解行为 表 1 估计所需海区聚合物溶解速度的模拟 海/ 岛溶解速度比复合长丝中心的海聚合物岛溶解率 （%） l00 300 l 000 还有剩余 还有剩余 完全溶解 20 （严重） 8 （不好） 2 （好） 注： 模拟的前提是海中 300 个岛/l f （l0 个圆周） ， 岛的直径 =500 nm， 海 - 岛 =30% 70% 表 2 纳米纤维的性质 样 品 直 径 （nm） 线密度 （dtex） 强 度 （cn/ dtex） 伸长率 （%） 微米纤维2 0000. 0432. 730 40 纳米纤维 800 480 300 36 0. 0069 0. 0025 0. 00l0 0. 0000l4 5. 5 4. 5 3. 0 试验阶段 30 30 20 试验阶段 图 5 纳米粒子的大小 伸过程中形成理想的纤维结构是 必要的。帝人公司纳米纤维的强 度为 3 5. 5 cn/ dtex （表 2） 。 5 激光照射拉伸 激光能量在纤维截面能立即 和均匀地使纤维软化， 激光照射特 别用于高拉伸比。图 5 显示拉伸 应力和拉伸比与激光照射时间的 关系。随着激光照射时间的延长， 拉伸应力迅速降低， 拉伸比也有很 大的提高。连续的激光照射可使 高拉伸比保持稳定。用激光的流 动拉伸与细颈拉伸结合， 形成非常 细的 纳 米 纤 维，直 径 为 36 nm （图 5） 。 6 纳米纤维用途 纳米纤维的大小与普通的颗 粒如烟尘、 病毒、 小于l !m 的各种 粉末相似 （图 6） 。纳米纤维能获 得非常大的表面积或非常小的孔 8 国际纺织导报 2006 年第 6 期 纤 维 与 纱 线 图 6 各种纳米颗粒的尺寸 图 7 由纳米纤维和微米纤维织成的机织物图 8 由纳米纤维和微米纤维制得的非织造物 穴。预计对于各种用途有纳米尺 寸效应。 对纳米纤维和微米纤维机织 织物样品的抗水性和透湿性进行 了比较。由 sem 照片表示织物的 表面和截面 （图 7） 。纳米织物的 特点是非常细密， 具有良好的抗水 性和透湿性， 但透气性非常低。纳 米纤维堆积形成的孔隙大小， 控制 渗 透 性 的 类 型。这种织物 适合于制作舒 适服装， 如运 动服、 夹克衫 以及雨天和冬 天用的任何产 品。另一个应 用实例是非常 薄的非织造物 （图 8） ， 用作功能滤 布。这种纳米织物由短切纳米纤 维采用湿法制得， 具有孔隙大小均 匀性， 预计具有良好的性能。由于 每根纤维充分缠结在一起， 纳米纤 维具有良好的撕裂强度， 孔隙大小 非常均匀， 最大的和平均的孔隙大 小几乎相同。能确保截留非常小 的物料。 7 结论 最后， 必须考虑纳米尺寸的独 特效应。用纳米级纤维技术， 希望 开发纺织品、 滤布、 医疗用品等各 种功能用途的产品。 桑 榆 译 申 熠 校 new nanoscale polyester fiber mie kamiyama，miyuki numata，fibers research & deuelopment department，teijin fibers ltd. ，osaka/ japan yutaka ohkoshi，shinsyu uniuersity，shinsyu/ japan abstract： the structure controi of fiber has been deveioped from micro-order to nano-order by a iot of spinning technoi- ogy. the importance of fiber structure controi in nano-order couid be expiained in two ways. one of them is to give the modei or concept to improve physicai properties，such as a crystaiiine dimension and moiecuiar orientation. this approach is for iinking between macro properties and nanostructure，and very important for poiymer design and fiber structures. the other wiii be