納米技術(shù)材料NanofrontTM

崛川直幹等 著 劉輔庭 摘譯

納米技術(shù)材料NanofrontTM

崛川直幹等 著 劉輔庭 摘譯

纖維的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)正在從直徑數(shù)十微米至十?dāng)?shù)微米級(jí)的超細(xì)纖維開始向應(yīng)用復(fù)合紡絲技術(shù)的數(shù)微米級(jí)纖維以及最近應(yīng)用特殊復(fù)合紡絲技術(shù)的納米級(jí)纖維的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展?？刂萍{米級(jí)纖維結(jié)構(gòu)有兩方面的意義:一是為提高如力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性等宏觀性能而提出纖維微結(jié)構(gòu)的新概念和模型;二是納米級(jí)結(jié)構(gòu)可賦予纖維高性能或原功能的突破性提升。本文介紹帝人纖維公司開發(fā)的創(chuàng)新的海島截面的共軛紡絲技術(shù)及其成功開發(fā)的可批量生產(chǎn)的高強(qiáng)度聚酯納米長(zhǎng)絲NanofrontTM、各種功能性材料及其今后的發(fā)展。

制造細(xì)而強(qiáng)度大的纖維是合成纖維誕生至今合成纖維制造商一直追逐的課題，期間開發(fā)了各種技術(shù)。20世紀(jì)90年代微米纖維實(shí)現(xiàn)了商品化生產(chǎn);近期納米材料開發(fā)活躍。但是在開發(fā)出納米纖維后，出現(xiàn)了在批量生產(chǎn)時(shí)纖維強(qiáng)度降低的問(wèn)題，或者是只能生產(chǎn)短纖維，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)絲的商品化生產(chǎn)。

1 Nanofront紡絲技術(shù)及其特征

用海島截面共軛紡絲技術(shù)紡制一般微纖維時(shí)，一根纖維中的島組分(溶劑處理后成為單絲)有數(shù)十個(gè)，而Nanofront是經(jīng)復(fù)雜的噴嘴流路設(shè)計(jì)，形成多島的海島截面，并采用聚合物分離技術(shù)，使纖維內(nèi)部的島部分完全分離，一根纖維中約有1 000個(gè)島。圖1和圖2是采用新海島裂纖技術(shù)制得的納米纖維截面狀態(tài)。

采用新海島裂纖技術(shù)制得纖維的單絲直徑為700 nm，且纖維直徑幾無(wú)偏差，成功地實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度聚酯納米長(zhǎng)絲的工業(yè)化生產(chǎn)。Nanofront的物理性能見表1。

表1 Nanofront物理性能

圖1 采用新海島裂纖技術(shù)所制纖維示意

圖2 高倍拉伸絲的截面

2 Nanofront加工技術(shù)和特征

Nanofront在堿減量前的線密度為56 dtex/10 f，與一般的聚酯長(zhǎng)絲基本一樣，因此纖維加工時(shí)的工藝和構(gòu)件開發(fā)并無(wú)特殊的限制。

與其他纖維交織后，只對(duì)海組分減量，對(duì)其他材料和島組分無(wú)影響。成功開發(fā)的纖維具有納米級(jí)效果(比表面積增大、致密空隙、柔軟和分離)。圖3是工業(yè)化生產(chǎn)的功能性材料的橫截面照片。

圖3 用Nanofront和一般聚酯纖維制成的功能性紡織品橫截面照片

3 Nanofront產(chǎn)品開發(fā)實(shí)例

3.1 提高運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的褲子

應(yīng)用Nanofront纖維的織物，因其具有較高的摩擦阻力(圖4)，穿著時(shí)衣服壓力適當(dāng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)配合肌肉動(dòng)作而伸縮的皮膚活動(dòng)會(huì)受到抑制，從而開發(fā)了以增加肌肉活動(dòng)量為目的的商品。

為評(píng)價(jià)使用效果，對(duì)使用Nanofront的褲子和使用一般聚酯纖維的市售加壓褲進(jìn)行穿著試驗(yàn)。由肌肉電壓和衣服壓力測(cè)定結(jié)果可知，Nanofront褲在衣服壓力較低狀態(tài)下亦能增加肌肉活動(dòng)量，見圖5。

圖4 摩擦阻力試驗(yàn)結(jié)果

圖5 穿著時(shí)的肌肉電壓和衣服壓力的關(guān)系

為評(píng)價(jià)穿著Nanofront褲增加肌肉活動(dòng)量的長(zhǎng)期效果，又對(duì)14名男士進(jìn)行了約一個(gè)月的穿褲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果是:穿褲前體重72.32 kg±3.30 kg，4 w后減少到71.38 kg±3.11 kg，顯著降低(P<0.05);按體重和體脂肪率計(jì)算的體脂肪量開始時(shí)為15.50 kg±1.57 kg，4周后減少到 14.49 kg±1.52 kg，顯著減少(P<0.05);腰圍開始時(shí)為85.75 cm±2.41 cm，4周后為84.98 cm±2.30 cm，顯著減少(P<0.01);活動(dòng)量開始時(shí)為7 467.92步±551.76步，4周后為7 789.62±596.28步，無(wú)明顯差異，說(shuō)明活動(dòng)量無(wú)變化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)示于圖6。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)Nanofront在運(yùn)動(dòng)服和醫(yī)療用品方面的用途進(jìn)行開發(fā)。

圖6 Nanofront褲長(zhǎng)期穿著試驗(yàn)結(jié)果

3.2 內(nèi)衣

纖維的柔軟度與其線密度的4次方成反比。由于 Nanofront很細(xì)，僅為普通聚酯纖維(直徑15 μm)的20萬(wàn)分之一，因此可以其柔軟的風(fēng)格適用于開發(fā)對(duì)肌膚摩擦損傷極小的功能性產(chǎn)品。

衣服與肌膚摩擦，若皮膚的表面角質(zhì)層受傷，則肌膚的屏蔽功能降低，表皮水分蒸散量(TEWL，Transepiedermarl Water Loss)增加;若皮膚發(fā)生炎癥，則真皮的毛細(xì)血管增加血紅蛋白，產(chǎn)生紅斑。

圖7 肌膚摩擦后表皮水分蒸散量和紅斑指數(shù)的變化

根據(jù)圖7比較試驗(yàn)結(jié)果，可以看出Nanofront的表皮水分蒸散量和紅斑指數(shù)的變化量最小，刺激性低，可適用于制作內(nèi)衣和護(hù)膚用品。

3.3 研磨布和擦布

Nanofront具有纖維直徑均勻，強(qiáng)度高和機(jī)織、針織結(jié)構(gòu)自由度大等特征，可用于制作產(chǎn)業(yè)用研磨布和擦布。

4 今后計(jì)劃

從2008年7月24日起，帝人纖維公司已可月產(chǎn)Nanofront 25 t。今后將發(fā)揮 Nanofront不易滑動(dòng)、肌膚觸感柔軟、易擦拭、非透明和舒適感的特點(diǎn)開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，計(jì)劃達(dá)到月產(chǎn)100 t的目標(biāo)。當(dāng)前產(chǎn)銷的Nanofront其纖維直徑為700 nm，今后將生產(chǎn)直徑更小的纖維，利用功能性聚合物開發(fā)納米長(zhǎng)絲。

資料來(lái)源:纖維學(xué)會(huì)志(日)，2009，65(9):35-38.