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【转】新型纳米纤维防水透湿膜的制备工艺
发布日期:2023-04-14 浏览次数:650

静电纺丝技术是一种制备微多孔膜的新技术,其通过高压静电场使聚合物溶液或熔体带电在喷头上形成泰勒锥,当聚合物溶液表面的静电排斥力大于其表面张力时,溶液会被拉长形成射流,进一步在电场力作用以及被拉伸、破裂等多种复杂运动下形成多根细纤维,溶液经过挥发和固化,最后在接地或者带负电的接收装置上堆积形成膜,即纳米纤维膜。静电纺丝技术是一种简便且可大规模制备微纳米纤维膜的方法,其可用于膜加工的材料来源广泛,且能对纤维直径和膜的孔径进行灵活控制;所制备的膜手感柔软、孔隙率高、孔道连通性好、表面粗糙度高;膜的材料组分和膜结构可进行多种复杂组合设计。因此,近年来纳米纤维膜被认为是防水透湿膜领域最具前景的膜材料。

溶液静电纺丝技术

溶液静电纺丝技术是目前研究最多,也是工艺相对成熟的纳米纤维膜制备技术。溶液静电纺丝所使用的溶液是多样的,不仅可以利用树脂原浆或其稀释溶液,也可以将聚合物溶解在溶剂中得到纺丝液。对于不易溶解的聚合物,还可以将其粉体分散或者混合在其他可纺丝的载体聚合物溶液中。比如聚四氟乙烯(PTFE)是不易溶解的聚合物,但是可以将其粉体分散在聚乙烯醇(PVA)或聚氧化乙烯(PEO)水溶液中进行纺丝,得到基膜之后在合适的温度下进行烧结,在该温度下,PVA或PEO受热分解,PTFE粉体黏合成纤维整体,最后制得纯的PTFE纳米纤维膜。

溶液静电纺丝加工设备分为针头式和无针头式两大类。针头式设备可以通过扩展针头数量,形成多个泰勒锥以提高产能,但是针头之间电场相互干扰会严重影响产品的均匀性和产能。无针头式设备主要基于带电自由液体表面激发聚合物溶液产生多个射流,从而提高纳米纤维的生产效率,也被称为自由液面静电纺丝。无针头式设备分为多孔式、滚筒式、离心式、气泡式、振动式等,其与传统针头式喷射装置相比,可减少针头间电场的相互干扰,且装置占地面积相对减少,但纺丝的可控性较差,且纺丝过程中暴露的液面会有溶剂挥发从而改变溶剂黏度,影响纺丝的稳定性,其可以通过快速更新液面减少挥发带来的影响。通过对多针头纺丝优化和设置无针头纺丝可以显著提高纳米纤维的生产效率。目前能够提供工业化多针头纺丝设备的企业有土耳其Inovenso Technology,提供工业化无针头生产设备的企业有日本的MECC Co., Ltd.、捷克的Elmarco。国内静电纺丝设备生产企业也在积极开展溶液静电纺丝设备的设计攻关,据报道部分企业已经实现了该设备的规模化生产。

熔体静电纺丝技术

相对于溶剂静电纺丝过程需要用到溶剂,熔体静电纺丝采用聚合物熔体进行纺丝,避免了溶剂使用、残留、回收及处理等问题,是聚合物纳米纤维绿色制造的发展方向。但其也存在装备复杂、工艺滞后、材料黏度高、导电能力弱、问题纤维细化难、制备效率低等问题。一般来说熔体静电纺丝需要施加的电压更大,接收距离更短,其以毛细管针头、圆盘喷头、狭缝喷头、熔体微分喷头和气泡纺丝等多种形式进行纺丝。随着对熔体纺丝材料、工艺和设备的优化,规模化熔体静电纺丝技术将逐渐被突破,产业化正越来越近。

气流纳米纺丝技术

除了利用高压静电场对溶液进行拉伸,利用气流对溶液进行拉伸也可以得到纳米纤维。据悉,清华大学研究团队开发了一种全新的、结合卡门涡街原理的无针头溶液气流纳米纺丝技术。该技术采用全新设计的连续化系统来实现无针溶液的传输以制备纳米纤维。纺丝溶液被闭环连续运动的尼龙线从储液槽中携带出后,在高速气流的驱动下,形成泰勒锥并高速喷射,通过快速拉伸和摆动形成纳米纤维。该纺丝过程同时存在空气射流与卡门涡街相结合的气流结构。两者的共同作用极大促进 了纳米纤维的高通量生产。通过流体理论和计算流体动力学模拟的研究发现,穿过尼龙线的高速气流在尼龙线的背风侧产生强烈的剪切应力和卡门涡流。强剪切应力促进了泰勒锥的形成和溶液射流的细化,而卡门涡旋扰乱了流场并加速了气流从层流转变到湍流,促进了溶液射流的挥发。

除此之外,还有研究将气流和高压静电进行组合,开发出气流辅助的静电纺丝技术,以减少射流间的干扰,提高射流激发和生产效率。在常规静电纺丝中,纺丝速度取决于溶液从喷嘴尖端被电场排斥拉出的速度,当进料速度过高时,溶液可能直接从针尖端喷射出来,而不能形成纳米纤维。而气流辅助作用可以给针尖的溶液更高的初始拉力,使纤维射流更容易形成。气流纳米纺丝技术虽然可以提高产能,但是如何获得稳定的纺丝过程和均匀的纤维直径,依然具有挑战性。

更多内容,请关注《纺织导报》2023年第2期“新型纳米纤维防水透湿膜的研发及应用”。

(来源:纺织导报官微)

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