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纤 维 与 纱 线 新型纳米级聚酯纤维 M. Kamiyama，M. Numata 帝人纤维公司纤维研究开发部 （日本） Y. Ohkoshi 信州大学 （日本） 摘 要： 用多种纺丝技术， 研究了从微米到纳米级的纤维结构控制。纳米级纤维结构 控制的重要性可用两种方法阐明。其一是给出改善物理性质的模型或基本原 理， 例如结晶尺寸或分子取向。这个方法是为了连接宏观性质和纳米结构， 对 于聚合物设计和纤维结构极为重要。另一方法关注纳米纤维本身， 研究将指 出纳米纤维具有哪些新的卓越性质。 关键词： 纳米纤维， 聚酯， 结构， 性能 图 1 超细纤维的制造工艺 直径为 10 nm 的聚酯纳米纤 维仅由 200 个高分子链组成。另 一方面， 常规的聚酯纤维由非常大 量的高分子链组成 （20 µm 直径的 纤维由 8. 7 亿个高分子链组成） 。 为了把纳米纤维推向新市场， 关于 纳米纤维独特性质的评价方法是 非常必要的。 1 回顾和目标 众所周知， 用于非织造布的纳 米生产技术有熔喷纺丝、 闪蒸纺 丝、 纺粘法和静电纺丝 （图 1） 。新 的静电纺丝法正在迅速迈向生产 阶段， 两种互不溶混的聚合物进行 共混纺丝， 广泛地用于生产非织造 产品， 特别是人造革应用。这些技 术对于生产 10 300 nm 的纳米纤 6 国际纺织导报 2006 年第 6 期 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 纤 维 与 纱 线 图 2 聚酯纳米纤维截面 图 3 截面对伸长行为的影响 维具有相当的潜力， 然而， 这些仅 限于由短纤维生产的非织造布和 组合。其重点是生产纳米级纤维， 因此纤维结构形成过程似乎并不 理想， 导致力学性质相对不足。 海岛型复合纺丝技术开发于 上世纪 80 年代， 但仍然是微米级 的， 必须用化学溶剂溶解海聚合 物。 因此， 决定把研制目标确定为 长丝型纳米纤维， 具有均匀的直 径、 高强度、 在纤维制造和应用中 容易加工， 而且生产工艺生态友 好， 可用水溶解。 2 喷丝板设计技术 帝人公司聚酯纳米纤维由大 量的海岛复合纤维生产。图 2a 为 纳 米 纤 维 的 截 面 ， 其 直 径 为 85 nm， 一根长丝中约有 1 000 个 岛。图 2b 为微米纤维。 必须把喷丝板设计成能使所 有的岛都是均匀的。最初， 在研究 的初期阶段， 只有非共轴截面图 3a， 海和岛之间的位置不够。如应 力应变曲线所示， 当海区断裂时， 扩散到整个截面， 导致纤维在较小 的伸长下断裂。随着研究的进展， 调整了喷丝板设计， 最终得到了理 想的截面图 3b。此时， 断裂伸长 提高到以前的 2 倍。拉伸伸长显 示 2 个阶段， 首先海区部分地断 裂， 稍稍显示屈服点， 然后岛区顺 序地伸长到整个纤维的断裂点。 所以由这种截面可获得高拉伸比。 3 海区聚合物的溶解技术 第二个课题是用碱溶液把纳 米纤维岛从海基体中分离出来。 海区聚合物的溶解速度必须比岛 区聚合物的溶解速度快得多。如 果海区聚合物溶解的速度不够快， 纤维中心的海区聚合物仍保持未 溶解状态， 就不能完全分离纳米纤 维。首先， 观察了 25 个海岛用碱 溶液溶解的行为， 发现从纤维表面 到中心呈碱溶解的进行同心圆 （或 者如图 4 所示， 像葱头剥皮） 。根 据这种分离行为， 用模拟法估计碱 溶解海区聚合物所必需的速度。 例如表 1 中， 直径为500 nm 的300 个岛分布于 1 根纤维的 10 个圆圈 内， 为了完全分离又不损伤岛区， 估计海区聚合物必需的溶解速度 要比岛区聚合物的溶解速度快 1 000倍。 4 纤维性质 为了使纤维变细和产生高强 度， 没有海保护的皮芯效应， 高拉 伸比和高拉伸张力对于纺丝和拉 7 国际纺织导报 2006 年第 6 期 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 纤 维 与 纱 线 图 4 海岛复合纤维中海区聚合物用碱溶液的溶解行为 表 1 估计所需海区聚合物溶解速度的模拟 海/ 岛溶解速度比复合长丝中心的海聚合物岛溶解率 （%） 100 300 1 000 还有剩余 还有剩余 完全溶解 20 （严重） 8 （不好） 2 （好） 注： 模拟的前提是海中 300 个岛/1 f （10 个圆周） ， 岛的直径 =500 nm， 海 - 岛 =30% 70% 表 2 纳米纤维的性质 样 品 直 径 （nm） 线密度 （dtex） 强 度 （cN/ dtex） 伸长率 （%） 微米纤维2 0000. 0432. 730 40 纳米纤维 800 480 300 36 0. 0069 0. 0025 0. 0010 0. 000014 5. 5 4. 5 3. 0 试验阶段 30 30 20 试验阶段 图 5 纳米粒子的大小 伸过程中形成理想的纤维结构是 必要的。帝人公司纳米纤维的强 度为 3 5. 5 cN/ dtex （表 2） 。 5 激光照射拉伸 激光能量在纤维截面能立即 和均匀地使纤维软化， 激光照射特 别用于高拉伸比。图 5 显示拉伸 应力和拉伸比与激光照射时间的 关系。随着激光照射时间的延长， 拉伸应力迅速降低， 拉伸比也有很 大的提高。连续的激光照射可使 高拉伸比保持稳定。用激光的流 动拉伸与细颈拉伸结合， 形成非常 细的 纳 米 纤 维，直 径 为 36 nm （图 5） 。 6 纳米纤维用途 纳米纤维的大小与普通的颗 粒如烟尘、 病毒、 小于1 µm 的各种 粉末相似 （图 6） 。纳米纤维能获 得非常大的表面积或非常小的孔 8 国际纺织导报 2006 年第 6 期 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 纤 维 与 纱 线 图 6 各种纳米颗粒的尺寸 图 7 由纳米纤维和微米纤维织成的机织物图 8 由纳米纤维和微米纤维制得的非织造物 穴。预计对于各种用途有纳米尺 寸效应。 对纳米纤维和微米纤维机织 织物样品的抗水性和透湿性进行 了比较。由 SEM 照片表示织物的 表面和截面 （图 7） 。纳米织物的 特点是非常细密， 具有良好的抗水 性和透湿性， 但透气性非常低。纳 米纤维堆积形成的孔隙大小， 控制 渗 透 性 的 类 型。这种织物 适合于制作舒 适服装， 如运 动服、 夹克衫 以及雨天和冬 天用的任何产 品。另一个应 用实例是非常 薄的非织造物 （图 8） ， 用作功能滤 布。这种纳米织物由短切纳米纤 维采用湿法制得， 具有孔隙大小均 匀性， 预计具有良好的性能。由于 每根纤维充分缠结在一起， 纳米纤 维具有良好的撕裂强度， 孔隙大小 非常均匀， 最大的和平均的孔隙大 小几乎相同。能确保截留非常小 的物料。 7 结论 最后， 必须考虑纳米尺寸的独 特效应。用纳米级纤维技术， 希望 开发纺织品、 滤布、 医疗用品等各 种功能用途的产品。 桑 榆 译 申 熠 校 New nanoscaIe poIyester fiber Mie Kamiyama，Miyuki Numata，Fibers Research & Development Department，Teijin Fibers Ltd. ，Osaka/ Japan Yutaka Ohkoshi，Shinsyu University，Shinsyu/ Japan Abstract： The structure control of fiber has been developed from micro-order to nano-order by a lot of spinning technol- ogy. The importance of fiber structure control in nano-order could be explained in two ways. One of them is to give the model or concept to improve physical properties，such as a crystalline dimension and molecular orientation. This approach is for linking between macro properties and nanostructure，and very important for polymer design and fiber structures. The other will be concerned about nanofiber itself. The investigation will show which new or superior properties nanofiber has. Keywords：Nano fiber，polyester，structure，property 01 国际纺织导报 2006 年第 6 期 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark