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技术文章

热塑性纳米纤维

    纳米纤维是指直径小于100nm而长度较长的线状材料,实际中通常把直径小于1000nm的材料也称为纳米纤维,其比表面积将比微米级纤维高上100倍。研发改性功能纳米纤维及其膜制品将对快速、高效、环境友好的非织造产品带来新思考。

  熔融挤出相分离法克服传统静电纺难题

  制备纳米纤维的常见方法有熔喷法、海岛纺丝法和静电纺丝法等。熔喷法主要适用于高熔指数的聚丙烯材料,海岛技术仅能够制备直径在700nm以上的PET和PA66纤维,纳米纤维的生产主要依赖静电纺丝法,但是,静电纺丝目前仍存在生产效率低、加工成本高等问题。此外,静电纺丝需要使用一些有机溶剂,带来环境友好方面的问题,同时增加回收设备成本。

  基于此,研究组在美国期间同导师孙刚教授开发了一种新型高产出环境友好型热塑性纳米纤维的制造工艺,即熔融挤出相分离法,并以此生产出了聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚烯烃共聚物和热塑性聚氨酯等纳米纤维,其纤维直径可控制在80nm~500nm范围。此方法成功攻克了采用传统的静电纺丝技术难以制备热塑性聚合物纳米纤维材料及采用熔喷法、熔融静电纺丝法又无法制备直径小于700nm纤维的系列技术难题。

  系列轴向纤维集合体兼容性良好

  熔融挤出相分离法制备基本原理为,将两种热力学互不相容的聚合物在双螺杆熔融挤出机中充分熔融共混、挤出,共混的聚合物熔体在挤出机和喷丝头内受到剪切和拉伸复合力场的作用而伸长变形,形成纳米纤维束。最后,去除基质聚合物,获得所需种类的热塑性纳米纤维。

  在此次热塑性纳米纤维的制备工艺中,我们采用纤维素酯作为聚合物基质。采用纤维素酯的最大优势在于,它与大多数热塑性聚合物不相容,而且在后续的工艺中很容易通过丙酮将其从混合相中快速去除,去除的纤维素酯可以被循环回收利用。

  目前,利用纤维素酯和多种热塑性聚合物的不相容体系,研究组已成功且高效率地制备出几种热塑性纳米纤维,包括聚酯,聚烯烃和几种功能性共聚物等。

  利用这种方法制备的热塑性纳米纤维为一系列轴向排列的纳米纤维集合体,具有聚合物结构可调控性及与现有纤维生产设备兼容性高等特点。此外,通过将纳米纤维涂覆在不同的基体表面,成功制备得到不同非织造布基体结构的纳米纤维膜。

  多种高端应用领域仍待开发

  通过对表面含有官能团的热塑性聚合物纳米纤维进行功能化改性,可以实现其在多种领域的应用。研究组目前通过对纳米纤维进行改性,已在生物传感器、过滤分离、抗菌和防污等领域的应用研究方面取得进展。

  生物传感器。生物传感器(Biosensor)是对生物活性分子敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。采用熔融挤出相分离法成功制备了聚乙烯共聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PE-co-GMA)纳米纤维。由于PE-co-GMA是一种具备活性环氧基团的热塑性材料,而这种活性环氧基团则可以通过开环反应与蛋白质、酶等生物活性大分子中的氨基酸相连接,因此利用该纳米纤维制备生物传感器具有较大的潜力。

  过滤分离领域。由于纳米纤维独特的大比表面积、良好的生物相容性以及低流阻性等特性,国内外很多学者致力于纳米纤维在改善过滤膜效率中的应用研究。研究组以TiO2悬浮液截留率为计算标准制备的纳米纤维膜的过滤能力高达99.6%。此外,研究表明,纳米纤维膜应用于过滤分离领域将具有明显优势。

  此外,研究组通过熔融挤出相分离法制备亲水性的PVA-co-PE纳米纤维,并利用三聚氯氰对其表面进行活化,随后通过亲核取代反应将IDA接枝至纳米纤维表面,成功制备出表面固化IDA的亲水性PVA-co-PE纳米纤维,并采用涂覆的方法将该纳米纤维制备成了纳米纤维膜。

  抗污领域。具有高比表面积的纳米纤维与传统微米级的相比,在抗菌纤维领域有着重要的应用潜力。研究组通过表面原子转移自由基聚合(SI-ATRP)方法制备了表面含有两性磺胺离子的PVA-co-PE纳米纤维膜,探索这种新型抗污纳米纤维膜的抗菌性能。研究发现,表面两性磺胺离子的纳米纤维膜菌落数比纯纳米纤维的少很多。通过计算,其抗菌率达到99.46%。因而,表面接枝两性磺胺离子的纳米纤维膜还具有优良的抗菌性能。

  此外,聚合物纳米纤维材料在军用、生物工程、工业防护服、酶催化、锂电池隔膜、化妆品、空气和水过滤等方面,有更广阔的应用潜力尚待开发。而在未来的探究中还应注意考虑技术的经济性、环境友好性、回收利用的可循环性,以及产品的安全认证等问题。

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点击次数:  更新时间:2014-10-31  【打印此页】  【关闭
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