纺制超细和纳米纤维的纳米级分裂纺技术

纺制超细和纳米纤维的纳米级分裂纺技术

纳米颗粒分散纺的主要特点是在简单坚实的设备上使用适当的压力，通过分裂（不只是拉伸）液体流生产非常细的长蚕丝。Nanoval效应是在金属熔体的雾化过程中发现的,将其应用到其他普通液体上,最后从聚合物熔体得到确认。1拉伐尔喷嘴形成材料气体动力学(特别是声波和超声波气流)领域中著名的Walz教授为了找到一种方法以满足对细金属粉末日益增长的需求,研发了一种技术用到了Nanoval效应,尽管当时对其细节还没完全理解。基本的想法是使金属熔体通过一个先收缩后扩张的喷嘴,即拉伐尔(Laval)喷嘴,并同时让一股气流与熔体一起通过喷嘴,如图l所示。金属熔体采用圆形的拉伐尔喷嘴。压力观察到Nanoval效应的不仅有金属熔体(连带金属熔体因极高温而引起的特别问题),还有作为一种模型物质的水和汽油(注入汽车马达的燃料)。在研究材料性能对分裂效果的影响过程中也对聚合物进行了研究,结果发现该技术可以生产出细长丝,而不是细粉末,虽然条件略有变化,不需要声波速度,引起液体流“爆裂”的效应似乎对各种液体都一样。形成球体(金属粉末)的驱动力是表面张力,但对于聚合物却不能克服粘度的阻力而产生球体。所有液体都“爆裂”或分裂,但是有的形成球体,而有的“仅”形成了长丝。不同材料的裂变情况见图2。2颗粒平均直径一般Nanoval工艺制得的所有产品都非常细,金属粉末的颗粒平均直径(用Nanoval方法生产的长丝非常细,并且是连续的,基本上没有断的短丝。用Nanoval方法制得的长丝平均直径(3nanovisz长丝生产机理如果是用于金属雾化以及用于如水和汽油等液体,圆形的拉伐尔喷嘴和一个金属喷嘴就足够了,由于通过喷嘴的流体量每分钟可达若干千克。而对于聚合物其熔体量在3～20g/min,要获得足够的产量需要用一组喷丝孔,可以用一个矩形的喷嘴取代圆形的拉伐尔喷嘴,其原理如图4所示。一排喷丝孔在形成拉伐尔喷嘴的狭缝上面,即一个先收缩后扩张的开口,在下方是成网帘,纤维网就在网帘上形成。该技术是基于一种不同的细旦长丝生产机理:一根单丝分裂成若干根细丝(一般是50根左右,但可多到几百根)。由气体层流产生的剪切力对单丝外皮加速,导致了在丝的运行方向上压力增加,该现象与多数技术的流体现象相反,而与油封轴承内的现象一致。如果设备符合理想的气体和液体动力学,分裂产生时可发现一组参数。每孔熔体量和其他参数可以在相当大的范围内改变,而对长丝的直径影响不大。这一现象是独特的,在其他拉伸长丝的纺丝方法中不存在。由于生产长丝的机理不同,Nanoval工艺不是拉伸,而是分裂,丝的粗细范围不十分依赖每孔的熔体量(见表2)。而熔喷工艺相反,熔喷需要大大减少熔体量才能使单丝纤维直径达到低于3μm的要求,且不是平均直径。表2列出了可以达到同样平均直径的不同条件和用同样的熔体量可以达到的直径范围。把平均直径明显低于2μm(理想状态是≤1μm)的纤网称为“Nanovlisz”,纤网中大部分的长丝直径都在纳米级范围内。Nanoval工艺用同样喷丝板可以纺制3～8μm,直到15μm的纤维。同样的设备可以纺制整个直径范围的熔喷丝,直到常规的纺粘丝,只有在纺制极端的“Nanovlisz”和很粗的长丝的才需要对设备进行改变。4能源消耗费用比nanov-u表3列出了常规熔喷法的主要数据以及与Nanoval方法的比较。Nanoval法每孔的熔体量明显高于其他方法;比较每米宽度的熔体量,则所有方法均在相近的范围内,以Biax略优,由于其孔数极高。但是,增加喷丝孔间距,并选用0.5～1.0mm的范围较大的喷丝孔,与熔喷法的0.1～0.4mm的喷丝孔相比,喷丝板在运转中就没有那么敏感,而且制造成本也低得多。加上3～6mm的喷气槽,可以说Nanoval设备非常坚实,纺丝时对不论是聚合物杂质还是喷丝口磨损所造成的紊流也不那么敏感。上述几种工艺每千克熔体的空气消耗量相差不太大。但是,如果常规熔喷的目标是细旦丝,熔体量必须降低;而对于Nanoval工艺并不影响或影响很小。Nanoval工艺在高熔体量和纺制较粗的纤维时都不需要骤冷空气,因为该工艺用冷空气工作。空气量以及空气的加热和压缩三个因素决定了每千克熔体的能源消耗,如图5所示。Nanoval工艺用冷空气,不需要加热,或准确地说,可用任何温度的空气(冷的或压缩的或更高温度的空气)。由图5可见,所有熔喷法产品的能源消耗都比Nanoval技术生产的产品的能源消耗大至一个数量级。能源消耗费用是成本组成部分,纤维越细,成本的差距就越大。常常有种说法,压缩使一部分加热“免费”,然而事实相反。关键是风机的总效率只达约60%(压缩机、马达、齿轮和变频器效率,以及cosφ),只有当总效率达到100%时能耗才相同;低于100%时需要更多能源,而且是需要更多的一级能源(电能),而不是价格较低的燃烧加热能源。5聚合物lyocellNanoval技术是在PP的基础上开发的,同时也发现可以纺制PET细旦丝,纤维直径可低到2～3μm,其他成功纺丝的聚合物还有PA6,共聚PA,PBT,TPU,PLA,TPE和POM(缩醛共聚物)等。尽管各不相同,但都属于同类的适合熔纺的聚合物。溶剂纺是与熔融纺完全不同的一种纺丝技术。例如溶解于NMMO水混合物的纤维素纤维(Lyocell)溶液中含6%～13%的纤维素,纺丝液在离开喷丝板后的纺丝过程中NMMO被洗去或蒸发,逐渐凝固,纤维素开始形成连续长丝,后道工序包括纤维的洗涤和干燥。Lyocell的主要优点在于其不是石油基原料,而是“绿色”原料(木材、草或其他)。Lyocell吸水,能储水,还有高湿强度。用Nanoval法纺出的长丝原纤化也低于标准纺丝技术纺制的Lyocell。此外,Lyocell还有比合成聚合物纤维更像棉或粘胶纤维手感的优点。6新一代材料的能源消耗最近Nanoval工艺通过改变设备和纺丝条件,成功地纺制出平均直径低到≤1μm的长丝。该种纤维平均直径低于2μm的纺粘材料现被称为“Nanovlisz图6照片里显示的纤网,其纤维平均直径0.95μm,其中三分之二纤维的直径低于1μm,最粗纤维的直径是1.8μm。这种新一代的材料当然比标准的Nanoval需要消耗更多的能源,如图5所示。令人惊奇的是,纳米级Nanovlisz的能源消耗大约等于常规直径4～5μm熔喷纤维的能源消耗;每孔和每米幅宽的熔体量低于标准的Nanoval(参见表3);与静电纺相比,8～20kg/(h·m)的熔体流量对应的产量已很大,而静电纺是目前唯一能在纳米范围内与之竞争的技术。7应用用Nanoval分裂纺生产的材料主要的应用领域有下列几方面。(1)过滤材料可以用在折叠的或平面的过滤器中,经针刺、水刺或其他常规方法加强。主要原材料是纤维素、PET或PBT。(2)健康主要原材料是PP、PA和纤维素。(3)清洁湿巾或干擦巾。由于是由长丝构成,减少了起球;用Lyocell纤维素纤维可以获得极高的湿强力。(4)编织可用粗旦丝生产。(5)熔喷纺丝技术主要原材料是PP、PET和PBT。Nanoval技术的关键设备是纺丝机,包括喷丝板和熔体计量分配,以及空气输入和拉伐尔喷嘴。一般像挤出机、成网帘和后道工序用的其他设备可以利用现有设备或自行制造。8nanoval技术(1)就一般的纤维直径范围而言,Nanoval技术在产量上完全能和熔喷法竞争,而在能源消耗上则更占优势。(2)标准的Nanoval技术可生产平均纤