纳米纤维在非织造布中的应用

在纤维产业，纳米纤维将传统和新兴的聚合物技术结合在一起，它的终端用途之一是作为一种典型的纺织材料来使用。然而，业界还没有出现被普遍接受的纳米纤维的定义。有些涉及纳米纤维的论文将其定义为直径在100至500纳米范围的材料，有些人则认为纳米纤维的直径小于1纳米，还有人认为纳米纤维的直径小于100纳米。在本文中，我们将纳米纤维定义为直径等于或小于500纳米的纤维。并且，对于直径大于500纳米、小于5微米的纤维，我们称之为超细纤维。

因为纳米纤维具有小孔隙和大的表面积，这些独特属性将可能提升许多应用的附加值，这些应用通常对隔音和保温、流体保持能力、柔软性、强度、耐久性、光泽、阻隔性和过滤性能有着较高的要求。

液体和气溶胶过滤尤其能大大受益于纳米纤维，因为这些纤维将显著改进其性能。纳米纤维的其他应用领域包括阻隔材料、湿巾、个人护理和医药。中空和皮芯型纳米纤维在光学和微电子技术应用中有很大潜力。在空气过滤介质中，如果使用纳米纤维，将能降低捕获微粒的大小，同时提高所有粒径的过滤效率。

聚合物微米和纳米纤维的制造技术主要包括静电纺丝、强力纺丝、溶液喷射、熔喷以及使用双组分分裂型纤维。在静电纺丝技术中，通过静电力从聚合物溶液牵伸得到聚合物纤维。高压静电场会从聚合物溶液或熔体中产生带电的射流，再通过蒸发溶剂来干燥以形成纳米纤维。强力纺丝依靠离心力使溶液或熔体形成纤维。溶液喷射类似于静电纺丝技术，只不过依赖的不是静电力，而是采用类似于熔喷工艺的高速气流来牵伸纤维，主要区别是，溶液喷射能获得较高的固体含量。例如静电纺尼龙，聚合物溶液中只有10%到11%的尼龙含量，而在溶液喷射中，这个数字可以超过20%。

静电纺丝技术能够生产直径范围从50到2000纳米的聚合物纤维。在熔喷工艺中，熔融聚合物是从模头中挤压出来，再通过高温、高速气流来牵伸形成纤维，最后纺成直径在0.5至10微米范围内的微米级细丝。双组分纤维的使用则是一项极有前景的技术，它使得生产的纤维直径可能低至100纳米至5微米。这种方法包括用传统的熔融纺丝工艺来进行双组分纤维的纺丝，例如纺粘。

静电纺丝技术

静电纺丝技术是一种使用高压电场将聚合物溶液或熔体牵伸成小直径纤维的工艺。静电纺丝使用的装置在结构上通常比较简单。它包括一个带有正负电极的高压电源、一个带有毛细管的注射泵、一个负责从注射器或移液管运送溶液到喷丝板的导管以及一个接收极板，接收极板根据要求可以是任意形状。

纺丝用的聚合物溶液或熔体通过注射泵在毛细管的顶端形成聚合物液滴。高压电场通过埋入式电极作用于注射器里的聚合物溶液，从而产生自由电荷进入聚合物溶液。这些带电的离子在外加电场的作用下会朝着相反极性的电极移动，并将拉力传导到聚合物液体中。

在毛细管的尖端，聚合物液滴在电场作用下会从半球形变为圆锥形（即“泰勒锥”）。当所施加的电压达到可以克服液体表面张力的临界值时，会从锥形的尖端产生液体射流。

在起始反应开始以后，射流在带电离子的排斥力作用下发生不规则运动或弯曲失稳。快速增长的鞭动不稳定（whipping instability）导致射流的拉伸和弯曲，形成了长而细的纤维。当溶剂蒸发后，只留下干燥的纤维在收集装置上。静电纺丝制得的纤维通常是圆形截面，不过也有其他形状，尤其是带状结构出现得较多。

静电纺丝的优点是技术的简单性和适应性。目前已经应用这种技术加工了50多种聚合物纤维，如果算上其他原料则超过100种，获得的纤维直径从数十纳米到几微米。

与传统的熔融纺丝纤维相比，静电纺纤维的直径小得多，因而有着更高的比表面积。静电纺纤维形成的纤网比熔喷或纺粘的纤网拥有更多、更小的微孔隙。

静电纺纳米纤维织物具有几个潜在的极具吸引力的特点，例如非常柔软的手感，有潜力用作微生物和细小颗粒的屏障，高的单位重量强度和高的表面能使得它具有较高的透湿性。

然而，静电纺纳米纤维织物也存在一些问题：它们可能润湿性不够，不易吸湿，并且很难对纳米纤维织物进行染色。

熔喷

熔喷是直接从聚合物挤出纤维形成纤网的技术。热塑性纤维级聚合物通过含有紧密排列的喷丝孔的模头被挤出。聚合物细流通过高速热空气流的牵伸被迅速拉细，同时室温空气渗入牵伸热空气流，使熔体细流冷却固化形成纤维。然后牵伸气流将纤维吹向收集装置，它们在接触点位置会通过自身粘合形成纤网。

熔喷工艺产生的纤维通常具有较低的分子取向或没有分子取向。影响熔喷纤维和纤网的最终性能的因素包括：温度、熔体挤出流量、模头喷丝孔几何形状、气流速度和温度、熔喷接收距离DCD等。改变其中任何一个参数都能改变纤维的性能，如截面形状、直径、结构以及纤网结构。

纤维在三种不同的力的作用下成形：模头附近的空气阻力、收集装置附近的空气阻力和纤维缠结引起的纤维伸长，不过大多数牵伸发生在模头附近。

有三种熔喷工艺，最常见的是使用高速空气流，能生产2至5微米直径的纤维。这一工艺目前已投入商业应用。超高速空气流能生产直径小于1微米的超细纤维。虽然这种方法也能生产直径低至0.1微米的纤维，但仍在发展之中。低速空气流一般生产1旦以及更大直径的纤维。分裂型截面纤维形态能帮助熔喷工艺实现亚微米的纤维直径，但是目前已经成功的纤维直径最低在1至2微米范围内。

常规熔喷工艺生产的细旦纤维能形成柔软的织物，具有优良的遮盖力和不透明度。考虑到细度以及纤维数量非常多，可以通过纤维缠结大大强化熔喷纤网的粘接强度。此外，熔喷纤网的特点是具有高的单位重量比表面积和非常细的孔隙度。

不过，熔喷工艺也有一些缺点。只有低粘度的原料可以纺成熔喷纤网，以避免喷丝板出口发生聚合物过度溶胀。据估计，超过90%的熔喷非织造布是由流动速率(MFR)在1000至1500克/10分钟的聚丙烯制成。不能使用不同的聚合物也限制了熔喷纤网的许多应用。

另一个缺点是熔喷制成的纤维具有低的力学性能，这主要是由于其具有较低的分子取向或没有分子取向，以及使用的一般是低分子量的聚合物。

像静电纺纳米纤维一样，熔喷纤维通常需要一个支撑结构，因而一般是复合结构。这让熔喷纤网能优化其过滤性能以满足客户的需求，当然这也会让成本变高，并且增加制造过程的复杂性。

熔喷纤网的脆弱也为下游的加工带来了困难。熔喷布很难染色，也很难与其他非织造布的过滤介质结构相结合，如梳理、干法、针刺或湿法复合材料。

双组分纤维

双组分纤维包含两种具有不同化学或物理性质的聚合物。最初对双组分纤维的研究是由于发现了羊毛的多相区。羊毛纤维横截面的显微照片显示，它们由两种组分组成，这两种组分彼此强烈粘结以及沿着纤维长度呈螺旋形旋绕。两种组分的热收缩性差异导致羊毛纤维呈螺旋卷曲状。事实上，羊毛就是一种天然的双组分纤维。这一发现推动了一种化学双组分纤维的诞生，这是一种新的生产卷曲合成纤维的方法。双组分纤维的第一个专利(专利号325339)是由IG Farbenindustrie公司在1943年获得。在20世纪60年代中期，杜邦公司推出了第一个商业化的双组分应用。