纳米纤维技术介绍

纳米纤维技术介绍

1．纳米纤维

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料,纳米是一个长度单位,其符号为nm，为1毫米的百万分之一(l nm=1×10-6 mm)。图1可以直观的比较人类头发（0.07-0.09 mm）与纳米纤维直径的差别。

图1 纳米纤维直径尺度示例

2 纳米纤维的应用与优势

纳米纤维在众多领域都有应用的优势，这些优势被近年来大量的学术论文报导，同时受到了产业界的重视，一些产品已经在市场上广泛的应用。这些领域包括：空气过滤、液体过滤、能源/电池隔膜、生物医学、药物缓释控释、健康和个人防护、环境保护、吸声材料、食物和包装等等。

纳米纤维作为过滤材料的优势：纳米纤维在空气过滤和液体过滤材料领域已有市场化的产品，其进入中国市场的方式均为原装进口。为确保技术壁垒相关企业虽在国内建立了全资子公司，但不设纳米纤维过滤材料生产线。相关产品有唐纳森公司Torit® DCE®除尘器、燃汽轮机过滤器GDX™、汽车引擎过滤器PowerCore™，唐纳森公司宣称其产品具有无可替代的性能。另有美国贺氏（H&V）公司FA6900NW、FA6901NW、FA6900NWFR系列空气过滤滤料，以及H&V公司一些型号不明的滤料也

有使用纳米材料。

纳米纤维非织造材料对亚微米颗粒的过滤效率是常规的微米纤维非织造材料（无纺布）所无法比拟的。这一特性决定了纳米纤维在空气中颗粒污染物的分离（电子工业、无菌室、室内环境净化、新风系统、工业高效除尘等）和液体中颗粒污染物的分离（燃油滤清器、水处理等）相关领域具有广阔的应用前景。

（1）纳米纤维直径小——孔隙尺寸小、过滤效率高

过滤材料通常为纤维平面非织造材料（纤维无纺布），随着纤维直径的减小，单位面积内的纤维根数显著增加，纤维未搭接处形成的孔隙尺寸显著减小，过滤效率明显提升（如图2所示）。对于常规过滤材料很难拦截的PM 2.5污染物有很高的拦截效率。

图2 纤维直径与孔隙尺寸和过滤效率之间的关系（2）纳米纤维比表面积大——对细微颗粒的吸附能力强

纤维直径减小，纤维比表面积增大。相同的聚合物形成纤维后，比表面积(s)与纤维直径(d)的关系式为：ds1∝,其关系服从图3中的曲线。可知，纤维直径从10 μm减小到100 nm（0.1 μm）时，纤维的比表面积增加至原来的1000倍。

比表面积的增大，增加了颗粒与纤维接触而被吸附的几率，特别是对常规过滤材料无法过滤的100-500 nm的微细颗粒的捕捉与分离，纳米纤维滤料是常规滤料无法比拟的，可以捕获PM2.5污染物中粒径最细小的颗粒。

图3纤维比表面积与直径的关系

（3）纳米纤维孔隙率高——透气性好

纳米纤维无纺布孔隙率高达70-90 %，而常规微米纤维无纺布孔隙率在40 %左右。

（4）纳米纤维过滤机理为“面过滤”——易清灰、清灰后过滤性能回复率高、使用寿命长

常规滤料是“体过滤”（如图4所示），起初过滤效率很低，灰尘先进入滤料的内部，堵塞部分孔隙，过滤效率才有所提升。但是，这种方式有如下弊端：①增大了过滤阻力，运行能耗高；②在清灰过程不太可能被清除，降低滤料使用寿命；③污染物容易在风压的作用下，脱落到清洁区，影响过滤效果。

纳米纤维滤料是“面过滤”（如图5所示），颗粒污染物被截留在滤料表面，

这些表层积灰尘很容易清除。

图4 微米纤维的“体过滤”原理示意图

图5 纳米纤维表面过滤原理示意图

（5）纳米纤维滤料具有更长的使用寿命和更低的能耗——节约运行成本

表1给出了使用唐纳森公司Ultra-web®滤芯工业除尘器每年节约能耗数据，描述了使用该设备有50 %的能耗折扣：“更高过滤效率=更洁净空气；更低压降=更显著降低能耗=降低能耗成本；更低的清灰频率=更高的使用寿命”唐纳森这款纳米纤维滤料的寿命是普通过滤材料的4倍。同样，在车用空气滤清器中，没有反吹清灰设计，空气阻力升高到一定值应更换滤清器，纳米纤维滤料阻力升高水平明显低于普通滤料，寿命可达普通滤料的2倍。

表1 唐纳森使用Ultra-Web®滤芯工业除尘器节约能耗（数据来自唐纳森网站）

3．本项目的纳米纤维滤料产品与国外高端品牌产品的对比

本项目的纳米纤维滤料是高性能复合滤料的一种，可以简单地表述为在普通滤料（基材）上制造一层纳米纤维功能层，形成具有高过滤效率的纳米纤维复合滤料。

材料高性能的核心在于纳米纤维的形貌——（1）基材表层是否被纳米纤维功能层铺满？（2）表层功能纳米纤维层的纤维直径是否足够小？是多少纳米？——这些要借助电子显微镜观察。

3.1 本项目中试产品与国外高端品牌产品的纳米纤维形貌比较

用扫描电子显微镜（SEM）研究了国内市场上最高端的进口滤料（A）贺氏（H&V）普通滤料、（B）H&V纳米滤料H&V Nanoweb®、（C）唐纳森纳米滤料Ultra-web®、（D）本项目中试的纳米滤料样品的纤维形貌。

(A)为H&V普通滤纸，纤维直径在10-20 μm，过滤效率等级较低；(B)为H&V Nanoweb®纳米滤纸，其利用某种工艺在滤纸的表面复合了一层0.5-1.5 μm的亚微米纤维，有MERV 13和MERV 15两个过滤效率等级的产品；(C)为唐纳森的

Ultra-web®滤纸，滤纸表面复合的纳米纤维直径为100 nm有MERV13、MERV14、MERV15三个过滤效率等级的产品。(D)为本项目中试的纳米滤料产品，纳米纤维直径80-100 nm过滤效率等级为MERV13、MERV15。

可见，本项目中试生产的纳米纤维直径与本领域国际巨头唐纳森公司的Ultra-web®相当，且比H&V的纳米纤维Nanoweb®直径小，从过滤效率的角度势必优于H&V的纳米纤维产品（这在表2.2中有充分的说明），而与唐纳森的滤料过滤效率相当（唐纳森不单独销售滤料，因此我们无法获得样品来测试效率）。

3.2 本项目中试产品与国外高端品牌产品的性能测试结果比较

表2中列举了本项目中试阶段定型的2款纳米纤维滤纸性能数据，并对比了未复合纳米纤维前的普通滤料，以及H&V的纳米滤纸Nanoweb®的性能。

可以看出，在同样的测试环境下，本项目制备的纳米滤料效率高于H&V Nanoweb®，远高于普通滤料的17.55%，这些过滤效率的优势均源于本项目将纤维直径缩小到90 nm，这与唐纳森公司的Ultra-web®的100 nm有同样的水平，参考图6。过滤性能分级也与唐纳森公司的Ultra-web®处于同样的水平，且初阻力相似。

4．纳米纤维的工业化大规模制造

纳米纤维制备的有效方法是静电纺丝技术，它起源于1902年Cooler等人的发明，经过百余年的发展，其物理本质和形成过程已经被多个学科的研究成果所揭示和证明。随着纳米科技的兴起,特别是20世纪90年代和21世纪初，静电纺丝技术获得了飞速的发展，学术论文呈几何级数增长。

4.1 纳米纤维制造原理与过程

如图7所示，静电纺丝基本装置主要包括高压电源、喷丝头和接收装置三个