多組分纖維的功能與應用

多組分纖維的功能與應用

1熔噴法非織造材料的技術特征個人防護設備、醫(yī)療用品、安全、用法運輸、建筑纖維材料和高性能材料的開發(fā)向人們展示了具有巨大功能的紡織品開發(fā)空間。目前來看,圍繞該主題展開的研究主要包括:(1)功能性屏蔽材料,主要是熱或噪音的隔絕與防護,過濾/分離介質以及生物、化學、輻射和核污染(CBRN)的防護;(2)復合結構材料,包括三維結構紡織品、三明治結構材料以及機械增強復合材料等;(3)交互式纖維材料(Interactive),其通常具有3種功能,即敏感性、反應性和可用性,包括撓性傳感器產(chǎn)品、能量轉換產(chǎn)品及添加了各種化學改性劑的纖維制品;(4)環(huán)境友好型纖維材料,主要包括生物聚合物及其纖維和立足于可再生資源的纖維材料(如纖維素資源的利用)。近年來,立足于聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)等生物基聚合物原料,采用熔噴法工藝制備的聚合物亞微米-納米纖維(50~1000nm)復合網(wǎng)材在醫(yī)用領域取得了進展。用改進的熔噴法工藝制得的納米纖維在加工性、結構特性等方面與傳統(tǒng)的靜電紡產(chǎn)品已無差異,且相對而言更具規(guī)?；a(chǎn)的條件。而取材于木漿、秸稈、甜菜及淀粉原料的納米纖維素也已進入商業(yè)化市場。其中,纖維素納米晶(CNC)的密度僅為1.5g/cm研究實踐顯示,生物與納米技術是開發(fā)功能性聚合物及其纖維制品的重要技術途徑。生物工程的微型化與活性導電聚合物技術的融合,大大促進了可穿戴技術、便攜式能源技術的進步。智能紡織品源于纖維材料跨學科與電學、測量學、計算機科學等的融合,其產(chǎn)品表現(xiàn)出了儲能、通訊、數(shù)據(jù)處理與傳感器/制動功能等技術特征。近年來,智能紡織品在遠程醫(yī)療(Telemedicine)方面的應用研究尤為人們關注,病人活動的生理信號可以連續(xù)不間斷地傳遞給醫(yī)生。2017年世界紡織品與服裝峰會(iTechStyleSummit2017)樂觀地認為,智能紡織品的技術進步會促進傳統(tǒng)醫(yī)療方式發(fā)生巨大的改變。傳統(tǒng)的醫(yī)療方式,即醫(yī)生面對病人,臨床必要的檢查需在專門的房間內完成的狀況將發(fā)生改變,預計2020年可形成柔性檢查系統(tǒng);2025年診斷、醫(yī)療以及護理都可以在病人的家中進行;2030年將出現(xiàn)個人遠程診斷和治療的平臺。21世紀可以說是新材料的世紀,預計2016—2026年間,全球智能聚合物市場的年均復合增長率將達21.9%。2016—2024年全球智能紡織品的年均復合增長率將達35.0%。新纖維和智能紡織品市場將呈現(xiàn)出持續(xù)增長態(tài)勢。人類第四次工業(yè)變革帶給纖維材料及其加工工業(yè)新的發(fā)展機遇,聚合物纖維新材料涉及包括碳纖維在內的高性能材料、聚合物納米纖維、生物材料和多組分纖維技術等領域,本文僅就多組分纖維及其制品的技術發(fā)展現(xiàn)狀與前景做論述。2雙組分纖維在紡織品中的應用20世紀60年代,美國DuPont(杜邦)公司利用多種聚合物物料,成功得到纖維截面結構各異的雙組分纖維?；趦煞N聚合物性能和成形工藝的不同,雙組分纖維功能性的變化受到纖維廠家的普遍重視,其產(chǎn)品陸續(xù)進入傳感器、藥液控釋、光電傳輸及電磁屏蔽材料領域。目前熱黏合纖維、自潔纖維、自卷曲雙組分纖維等產(chǎn)品已批量見諸市場。多組分纖維的應用研究基本集中于3個類型,即并列型、皮芯型和多芯配置的纖維。隨著碳納米管(CNT)的出現(xiàn),添加單壁納米管(SWNT)、多壁納米管(MWNT)的復合材料賦予了多組分纖維很好的電、磁性能,導熱性能和機械特性,進一步拓展了功能性紡織品的應用市場。多組分聚合物及其纖維的制備,目前主要采用兩種方法,其中多組分聚合物的制備通常選擇使用螺桿擠壓裝置或注入添加劑的方式,賦予聚合物新的功能性,如導電性、阻燃性、耐磨性、抗氧化性以及抗紫外性能等;另一種是使用2或3種甚至更多聚合物組分,通過熔融紡絲工藝制取多功能性纖維或纖維網(wǎng)材,目前已批量進入市場的品種包括多組分長絲、短纖維與單絲、雙組分紡熔非織造布產(chǎn)品等。3多組纖維的開發(fā)和使用3.1多組纖維的前沿研究3.1.1纖維素可降溫法目前去除水中有機污染物的途徑主要是采用膜過濾、活性炭吸附、生化處理、臭氧氧化或高端氧化技術,這些方法存在著成本高、能耗高的缺陷。而多組分光催化纖維具有節(jié)能的優(yōu)點,即可借助于太陽能降解有機污染物或去除病原體。光催化不需要高溫高壓條件,一般情況下也無需添加化學氧化劑。研發(fā)中的TiO現(xiàn)實生活中的紡織品常帶有消費者并不喜歡的異味,采用TiO3.1.2復合纖維的制備德國亞琛大學紡織研究所(RWTH)開展了聚合物傳感器纖維項目的研究,研究中使用壓電聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)樹脂為皮層,PP-CNT-低熔點金屬制劑為芯組分,該壓電傳感器纖維在外界環(huán)境條件變化時,復合纖維可轉化出電信號,用于復雜環(huán)境下的材料結構的檢測,比如用于土木工程、風能設備結構的強度和葉片負荷狀況變化的監(jiān)測,被認為是最具價值的應用領域之一。皮芯型復合纖維采用熔法共擠壓成形工藝,芯組分的擠出量3mL/min,紡絲板孔徑200μm,皮組分擠出量6mL/min,紡絲板孔徑350μm。復合纖維中聚丙烯(PP)的含量控制在60%~85%之間,CNT質量分數(shù)為3%~10%,金屬制劑添加量約為10%。試驗數(shù)據(jù)顯示,當CNT添加量為10%、金屬添加量為20%時,復合纖維的電導率為100S/m;CNT添加量為5%、金屬添加量為20%時,電導率為10S/m。PVDF/PP-CNT-金屬添加劑皮芯型雙組分復合纖維的技術特征如表1所示。3.1.3提高混凝土性能和耐久性混凝土增強用雙組分纖維經(jīng)濟性好,并已證實可以替代鋼纖使用。聚烯烴雙組分纖維已成功用于混凝土工程,其皮層添加納米粉末和添加劑,可大大改善混凝土的斷裂強度、彈性模量和機械性能。通過平板試驗和四點彎曲試驗,以及實際應用和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)顯示,聚烯烴皮芯型復合纖維的結構具有在負荷下不出現(xiàn)剝離的優(yōu)點,有效改善了纖維與混凝土間的黏合力,提高了混凝土的抗彎曲強度,可用于預制件、工業(yè)地面施工和地震防護設施的建設。增強混凝土用聚烯烴雙組分纖維的性能如表2所示。3.1.4流動芯纖維流變芯對于來自外部環(huán)境的碰撞沖擊,傳統(tǒng)的個人防護方法是靠增強復合材料的殼體承載力,以防止或減緩人體可能受到的傷害。而利用流動芯纖維材料正成為個人防護材料的新理念,液態(tài)組分填塞型纖維有望成為一種全新的、適用度極高的防護材料。開發(fā)中的流動芯型復合纖維,基于芯層的流變特性,展現(xiàn)出了與速率相關聯(lián)的黏彈性。芯層采用聚合物和可流動介質,面對外來沖擊,流變芯層的移動可明顯減緩沖擊強度,大大強化了纖維材料對沖擊變化的自適應性。美國Hills(希爾)公司通過不同流體和各種注入方式的組合實驗,成功地為流變芯雙組分纖維成形提供了專用成形組件,其流變芯的使用量可占據(jù)芯層腔體的36%。目前流動芯纖維研究中,可選擇使用的皮層材料包括PP、低密度聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)6、PA12等。流變芯組分主要是聚二甲硅氧烷、聚乙二醇、聚烯烴低聚物。流動芯雙組分纖維的結構如圖1所示。3.2功能多組單絲產(chǎn)品3.2.1pa/pe雙組分單絲草坪紗人造草坪具有無氣候限制、維修成本低等優(yōu)點,可以替代天然的運動草坪。通常PA纖維的運動鋪地織物顯示出優(yōu)良的彈性回復性能,但使用中易引起運動員的皮膚傷害。而使用PE單絲草坪紗具有十分好的皮膚適應性(skin-friendly),但PE紗耐用性差,極易變形。PA/PE雙組分單絲草坪紗選用耐紫外光的PE樹脂原料為皮層,PA為芯層,兼顧了兩種材料的優(yōu)點。在經(jīng)過5000次的耐磨測試試驗后,PA/PE人造草坪紗優(yōu)化的纖維截面、良好的彈性回復性和最低的皮膚摩擦損傷風險得到了市場青睞,作為人造運動鋪地材料可與天然草坪媲美,其使用性能和外觀已為運動紡織品市場所接受。3.2.2光伏纖維的使用光伏纖維從構造上來說主要包括如下幾個部分,即聚合物陽極,兩種不同的納米材料構成的光吸附層(P3HT:PCBM和MDMO-PPV:PCBM)和半透明的陰極材料,涂敷在撓性PP單絲上而形成光伏纖維。目前實驗中的光伏纖維的短路電流密度達到了0.27mA/cmPP單絲使用了不透明樹脂,不具有導電性能,單絲直徑控制在0.59mm。光伏纖維的制備過程大體為:PP單絲→甲醇洗滌→異丙醇洗滌→水洗→氮氣氣流干燥→光伏活性材料浸漬混合→抽提加工→干燥(50℃,3h)→光活性材料處理→干燥(50℃,15min)→金屬電極涂敷→抗反射材料噴涂→防護層涂敷→卷繞成筒。3.2.3復合單絲產(chǎn)品的制備用添加CNT的聚合物材料制備的單絲紗具有良好的機械性能和電性能。CNT復合單絲紡織品對于環(huán)境條件,諸如溫度、壓力、濕度、不同的液態(tài)物料和氣體的變化顯示出傳感器的技術特征。CNT可以添加到各種不同的聚合物基質中,以形成多組分復合單絲產(chǎn)品。CNT復合材料的制備在雙螺桿擠壓機上完成。如PLA/4%CNT復合物的制備采用PLA/17%CNT與母粒稀釋的方法,螺桿轉速為300r/min;同樣熱塑性聚氨酯(TPU)/4%CNT復合物選擇使用TPU/5%CNT母粒與TPU樹脂稀釋的方式。PP/(PCL/CNT)復合物采用50%的PP和50%(PCL/CNT)的比例,以體積計量,熔融混合,螺桿轉速為300r/min。單絲紡制的擠壓/牽伸裝置選擇水浴成形,干熱牽伸工藝,依據(jù)聚合物原料的不同,熱牽伸溫度控制為TPU/CNT50℃,PP/(PCL/CNT)154℃,PLA/CNT65℃。復合單絲的品質如表3所示,添加CNT的多組分單絲可在機織物、縫合織物和裝飾織物中使用。3.3雙組分紡粘非織造布單絲直徑和直徑進入新世紀以來,功能性多組分紡熔非織造布產(chǎn)品的應用研究取得了不小的進步,熔噴復合非織造布的纖維網(wǎng)單絲直徑分布在亞微米-納米級范圍內,共軸電紡的單絲直徑可控制在200nm,雙組分紡粘纖維網(wǎng),采用撕裂工藝的裂片型、空心裂片型和帶狀裂片型產(chǎn)品的單絲直徑達1μm,而使用可溶去海組分或原纖化工藝,海島型和多組分紡粘非織造布的單絲直徑可實現(xiàn)200nm。近年來,功能性納米纖維材料在醫(yī)療方面受到重視,研究人員開發(fā)的可穿戴腎透析裝置,即使用沸石-聚合物(EVOH)納米纖維選擇性地吸附尿毒癥病人血液中的肌氨酸酐毒素,無需昂貴的透析費用即可維持病人的生命。這對難以提供常規(guī)透析處理條件的發(fā)展中國家和醫(yī)療條件較差的邊遠地區(qū)而言十分需要。3.3.1熔噴法納米纖維網(wǎng)材的應用立足于生物聚合物PHB/PLA、PGA/PDLLA、PLA/殼聚糖、殼聚糖/骨膠原等原料,采用改造的熔噴裝置,制得的功能性聚合物亞微米-納米纖維(50~1000nm)網(wǎng)材在組織工程中的應用研究正不斷擴大。納米級復合產(chǎn)品的加工性以及纖維結構特性,使其具備了規(guī)?；a(chǎn)的條件。圖3是現(xiàn)階段功能性亞微米-納米纖維在組織工程領域應用研究的一些重要領域。3.3.2納米纖維復合材料的應用在靜電紡生產(chǎn)中添加各種化學制劑如抗霉菌劑、細胞抑制劑(cytostatics)以及DNA等,使其與聚合物原料混合,可直接制得功能性納米纖維網(wǎng)。如利用共軸靜電紡絲方法制備的皮芯型納米纖維,其芯層選用PVA,皮層為PCL組分,嵌入脂質體(Liposomes)后的納米復合纖維,其網(wǎng)材的名義孔尺寸為(0.17±0.04)μm,而未植入脂質體的纖網(wǎng)的孔尺寸為(0.33±0.07)μm。試驗數(shù)據(jù)顯示,PVA/PCL皮芯型納米纖維用于組織工程和再生醫(yī)學領域展示出了很好的開發(fā)前景。鑒于納米纖維獨特的結構,特別是高負載能力、藥物包封效率和極好的使用性能,納米纖維傳感器產(chǎn)品可用于腫瘤的早期診斷,也可在腫瘤治療中使用。近來,納米纖維傳感器在腫瘤診斷中的使用已涉及納米纖維免疫傳感器(抗原和抗體的識別)、用于肺部腫瘤診斷的金屬氧化物納米纖維氣體傳感器、用于生物監(jiān)測使用的MWCNT/PA6納米纖維電化學生物傳感器以及用于“組胺”檢測的納米纖維熒光化學傳感器等。納米纖維復合材料制備的循環(huán)腫瘤細胞撲集裝置,可在腫瘤病人早期診斷的重要指標“Biomarker(生物標志物)”的檢查中使用。納米纖維可用作癌癥治療藥物的載體。通常先將藥物添加到聚合物中,采用混合紡絲的方法制得納米纖維復合材料,也可使用納米纖維網(wǎng)物理吸附藥液的方式。載體用納米纖維的原料多選用生物基樹脂,如PLA、PCL、PVA/殼聚糖等,纖維網(wǎng)材(以PCL為準)的單絲直徑平均為183nm,偏差67nm,其中最小直徑95nm,最大直徑454nm。功能性納米纖維復合材料也在癌癥治療中使用,如負載藥物的納米顆粒物粉末和納米纖維的復合產(chǎn)品及智能磁性-熱復合納米纖維材料等。日本材料科學研究所(NIMS)的研究人員使用添加了磁性納米粉末和抗癌藥物的聚合物,通過靜電紡絲工藝成功制得了熱療型(hyperthermia)納米纖維網(wǎng),用于皮膚惡性腫瘤的治療,有效減輕了對病人的傷害。智能熱療納米纖維復合材料用于癌癥的治療具有可控性,也印證了熱療和化療組合的癌癥治療平臺的優(yōu)點和可能性。國內東華大學、吉林大學生命科學學院等單位的研究人員也開展了功能性聚合物納米纖維的研究,并用于癌癥病人的臨床診療。3.3.3生物活性物質的應用研究顯示,利用熔噴法纖維的三維空間微細結構特性與靜電紡纖維良好的細胞相容性,制得的多組分纖維復合材料用作骨細胞工程,可明顯改善生物活性和骨細胞的礦化速率。三維微細-納米纖維支架選擇使用熔噴非織造布和靜電紡絲納米纖維網(wǎng)復合織物?？椢锸褂昧朔肿恿?M未添加粉末制劑的PCL納米纖網(wǎng)克重為250g/m3.3.4雙組分紡粘法巴西非織造布生產(chǎn)公司Fiseta開發(fā)了一種100%生物基雙組分紡粘非織造布,為皮芯型結構,以取材于甘蔗的生物基PE為皮層,PLA則用作芯層。這種PLA/PE雙組分紡粘非織造布纖網(wǎng)的克重為13.5~85g/m3.4pof的成裝與制備用于功能性紡織品的導電纖維或塑料光纖(POF)通常要求具備撓性、耐用性和良好的手感。瑞士國家新材料實驗室(EMPA)開發(fā)了一種套層擠壓技術(Overjacketingextrusion),其成形組件如圖4所示。用作芯組分的單絲進入套層擠壓頭,與處于熔融狀態(tài)的聚合物橫向接觸,于單絲外部形成皮層結構。完成套層包覆處理的雙組分單絲以5~300m/min速度進入冷卻區(qū),冷卻介質選用空氣或使用水浴。采用套層擠壓成形工藝,制得的雙組分POF其芯層使用環(huán)烯烴聚合物(COP),皮層為含氟聚合物。實驗生產(chǎn)的POF產(chǎn)品品質與性能顯示,該項技術可控制皮層的厚度,聚合物類型的選擇范圍也十分寬?？梢哉f,套層擠壓成形