纳米纤维的制备及应用ppt课件
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纳米纤维的制备及应用
曹根阳 纺织品服用性能
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Nano Fiber
• 美国国家卫生基金会(NSF)规定,纳米材料是 指该材料至少有一项尺寸≤100 nm。
• 静电纺丝可以纺出直径在10~10 000 nm的 纤维,所以静电纺纤维可以称为纳米纤维。
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Nano Fiber
• 溶液液晶取向生长法或桔瓣纤维分裂法、 海岛纤维溶解法等纺丝方法均可以制造纳 米纤维。
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Nano Fiber
• 但是影响静电纺丝的因素很多,如聚合物和 溶剂的类型、聚合物分子链长度和分布、 聚合物溶液浓度、溶剂挥发性、电压和电 极大小、溶液导电性和pH值、喷嘴与接收 板间的距离、接收板移动速度、环境温湿 度、气压和电场等。
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Nano Fiber
• 近年来，由于各种功能的纤维被制造出来， 纤维的消费开始转向产业用途，同时对纤 维制造商提出了更多多功能、高功能的要 求。另一方面，由于环境问题，非石油的 原料（从植物来资源）日益受到重视。
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特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• 溶胶-凝胶涂覆技术也是一种制备功能性纳 米管的重要工艺。Caruso等人采用溶胶-凝 胶涂覆技术首先将无定形二氧化钛涂覆在 聚L型丙交酯静电纺丝纤维上，再热降解去 除聚L型丙交酯后，制备中空二氧化钛纳米 管。
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汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研 发
• 汽车节能符合抑制地球温室效应（CO2削减 排放）的要求，日本正积极探讨燃油降低 问题。燃油降低的有效手段就是减轻车重， 目前汽车制造商在着重探讨由钢向铝等轻 金属材料转换，下一步计划利用先进的复 合材料。
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汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研 发
• 碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比高强 度钢的比强度更高的轻质效果，被寄予非 常高的期望。目前正积极开发CFRP材料设 计成形技术、组装技术、冲击安全技术以 及回用技术，努力使其达到实用化。
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顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发
• 用静电纺丝及纳米熔融分散纺丝技术，对 纤维材料进行纳米级成形加工及表面加工 以及混合运用，使材料高功能化，最大限 度地利用超细纤维的超比表面积效应、纳 米级效应及超分子排列效应的三大效应， 在燃料电池、信息家电、环境能源、医疗 福利、安全等领域，制造革新材料以增强 日本产业的竞争力。
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Nano Fiber
• 聚合物纤维接收板通常是固定的接地金属 平板或格栅，聚合物纤维形成后随意沉积 在接收板上而被收集。这种收集方式的不 足是聚合物纳米纤维只能以无纺布的形式 收集，无法获得彼此分离的纳米纤维丝。
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Байду номын сангаас
Nano Fiber
• 几乎所有可以溶解于一定溶剂中形成溶液 或能够熔融成熔体的聚合物都可以用来静 电纺丝。
• 静电纺丝是制造纳米纤维最简单的途径。
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Nano Fiber
• 静电纺丝是一种利 用静电力直接将聚 合物溶液或熔体纺 成纳米纤维的纺丝 过程。
静电纺纤维装置示意图
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Nano Fiber
• 在静电纺丝的起始阶段，聚合物流体因表 面张力作用贮积在毛细管内不外流。当外 加电场开始作用于毛细管顶端，流体表面 产生大量静电电荷。毛细管顶端液滴的表 面张力受静电斥力削弱，被逐渐拉长形成 带电锥体，即泰勒锥。
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Nano Fiber
• 日本在纤维的多功能、高功能及环境保护 方面的研究处于世界领先地位。
• 以下介绍日本技术开发机构（NEDO）有关 纳米纤维的研究开发项目及调查状况。
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顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发
• 该项目在给人民带来丰富而舒适生活的目 标下，为实现高度信息化社会、节约能源、 安全健康长寿的社会目标，以科学为基础， 通过革新的材料创新技术来实现上述目标。
• 有效利用光合成可再生的生物资源是十分 重要的课题。纤维素纤维（粘胶等）一般 都用有害的试剂经湿法纺丝制得，因此不 能说它是环境友好的材料。利用新型纤维 素纺丝技术，使其达到热可塑性化，可用 熔融纺丝法制成纤维。
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高性能聚酮纤维的工业化基础技术的开 发
• 芳香族聚酰胺等高性能纤维，原料价格高， 性价比不高，因此用途受到限制。我们采 用低价的一氧化碳和乙烯作为原料的脂肪 族聚酮，用其浓盐水溶液经凝胶纺制得低 成本的超纤维，掌握了基础技术。在此基 础技术上该研究确立了聚酮纤维工业生产 技术，并了解了聚酮纤维的应用特，目的 在于聚酮纤维的工业化。
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特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• Bognitzki 等人采用了管纤维模板（TUFT） 工艺对PLA进行静电纺丝，成功制备了聚合 物/金属功能性纳米管。TUFT工艺过程就是 先用化学气相沉淀法使PLA纤维表面附着一 层聚ρ-亚二甲苯，然后再涂敷上一层目的金 属，最后热分解PLA纤维内芯，制备中空纳 米管
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Nano Fiber
• 在静电纺丝装置中，毛细管可以垂直和水 平放置，两者不同之处在于液滴的引发机 理不同。毛细管水平放置时要用活塞泵挤 压毛细管中流体引发液滴，而毛细管垂直 放置时则可以依靠重力作用或泵两种方式 来引发液滴。有时也会以不同的倾斜角度 来放置毛细管以达到控制流体流动特性的 目的。
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精密高分子
• 为了发挥高分子材料原有的极限性能、功 能，着眼于分子间互相作用，进行纳米级 高序结构控制，通过发现多种高分子材料 物性，来适应用户的高标准要求。因此在 项目的后期，明确了更实用化的研究目标， 不限于确立单项基础技术。
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特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• 由于静电纺丝是快速相分离和快速固化两 个过程共同作用的结果，因此可以通过选 择性地去除溶液中的某种成分，制备高性 能的特殊表面拓扑结构的功能性纳米纤维。
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Nano Fiber
• 当电场强度增大到特定临界值时，流体表 面的电荷斥力大于表面张力，带电流体就 会从泰勒锥的顶点喷射出来，形成带电射 流。在喷射区带电射流将经历一个突然加 速的过程，同时聚合物因溶剂挥发凝结或 熔融体冷却固化形成聚合物纤维形成，并 被高度拉伸而逐渐细化，最后沉积在接地 收集板上。
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应用纳米纤维的隔热、耐热、舒适性优 良的先进消防服的开发
• 为了有效灭火及迅速救助受灾者，需要阻 燃性、耐热性非常高的消防服；纳米纤维 使纤维材料高功能化，因此可开发出纳米 纤维的织物、积层结构体及消防服，制造 出防护性和舒适性兼备的世界最高水平的 先进消防服。
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从熔融纺丝制得以天然物为原料的新型 纤维的研究
曹根阳 纺织品服用性能
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Nano Fiber
• 美国国家卫生基金会(NSF)规定,纳米材料是 指该材料至少有一项尺寸≤100 nm。
• 静电纺丝可以纺出直径在10~10 000 nm的 纤维,所以静电纺纤维可以称为纳米纤维。
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Nano Fiber
• 溶液液晶取向生长法或桔瓣纤维分裂法、 海岛纤维溶解法等纺丝方法均可以制造纳 米纤维。
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Nano Fiber
• 但是影响静电纺丝的因素很多,如聚合物和 溶剂的类型、聚合物分子链长度和分布、 聚合物溶液浓度、溶剂挥发性、电压和电 极大小、溶液导电性和pH值、喷嘴与接收 板间的距离、接收板移动速度、环境温湿 度、气压和电场等。
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Nano Fiber
• 近年来，由于各种功能的纤维被制造出来， 纤维的消费开始转向产业用途，同时对纤 维制造商提出了更多多功能、高功能的要 求。另一方面，由于环境问题，非石油的 原料（从植物来资源）日益受到重视。
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特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• 溶胶-凝胶涂覆技术也是一种制备功能性纳 米管的重要工艺。Caruso等人采用溶胶-凝 胶涂覆技术首先将无定形二氧化钛涂覆在 聚L型丙交酯静电纺丝纤维上，再热降解去 除聚L型丙交酯后，制备中空二氧化钛纳米 管。
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汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研 发
• 汽车节能符合抑制地球温室效应（CO2削减 排放）的要求，日本正积极探讨燃油降低 问题。燃油降低的有效手段就是减轻车重， 目前汽车制造商在着重探讨由钢向铝等轻 金属材料转换，下一步计划利用先进的复 合材料。
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汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研 发
• 碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比高强 度钢的比强度更高的轻质效果，被寄予非 常高的期望。目前正积极开发CFRP材料设 计成形技术、组装技术、冲击安全技术以 及回用技术，努力使其达到实用化。
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顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发
• 用静电纺丝及纳米熔融分散纺丝技术，对 纤维材料进行纳米级成形加工及表面加工 以及混合运用，使材料高功能化，最大限 度地利用超细纤维的超比表面积效应、纳 米级效应及超分子排列效应的三大效应， 在燃料电池、信息家电、环境能源、医疗 福利、安全等领域，制造革新材料以增强 日本产业的竞争力。
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Nano Fiber
• 聚合物纤维接收板通常是固定的接地金属 平板或格栅，聚合物纤维形成后随意沉积 在接收板上而被收集。这种收集方式的不 足是聚合物纳米纤维只能以无纺布的形式 收集，无法获得彼此分离的纳米纤维丝。
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Байду номын сангаас
Nano Fiber
• 几乎所有可以溶解于一定溶剂中形成溶液 或能够熔融成熔体的聚合物都可以用来静 电纺丝。
• 静电纺丝是制造纳米纤维最简单的途径。
.
Nano Fiber
• 静电纺丝是一种利 用静电力直接将聚 合物溶液或熔体纺 成纳米纤维的纺丝 过程。
静电纺纤维装置示意图
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Nano Fiber
• 在静电纺丝的起始阶段，聚合物流体因表 面张力作用贮积在毛细管内不外流。当外 加电场开始作用于毛细管顶端，流体表面 产生大量静电电荷。毛细管顶端液滴的表 面张力受静电斥力削弱，被逐渐拉长形成 带电锥体，即泰勒锥。
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Nano Fiber
• 日本在纤维的多功能、高功能及环境保护 方面的研究处于世界领先地位。
• 以下介绍日本技术开发机构（NEDO）有关 纳米纤维的研究开发项目及调查状况。
.
顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发
• 该项目在给人民带来丰富而舒适生活的目 标下，为实现高度信息化社会、节约能源、 安全健康长寿的社会目标，以科学为基础， 通过革新的材料创新技术来实现上述目标。
• 有效利用光合成可再生的生物资源是十分 重要的课题。纤维素纤维（粘胶等）一般 都用有害的试剂经湿法纺丝制得，因此不 能说它是环境友好的材料。利用新型纤维 素纺丝技术，使其达到热可塑性化，可用 熔融纺丝法制成纤维。
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高性能聚酮纤维的工业化基础技术的开 发
• 芳香族聚酰胺等高性能纤维，原料价格高， 性价比不高，因此用途受到限制。我们采 用低价的一氧化碳和乙烯作为原料的脂肪 族聚酮，用其浓盐水溶液经凝胶纺制得低 成本的超纤维，掌握了基础技术。在此基 础技术上该研究确立了聚酮纤维工业生产 技术，并了解了聚酮纤维的应用特，目的 在于聚酮纤维的工业化。
.
特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• Bognitzki 等人采用了管纤维模板（TUFT） 工艺对PLA进行静电纺丝，成功制备了聚合 物/金属功能性纳米管。TUFT工艺过程就是 先用化学气相沉淀法使PLA纤维表面附着一 层聚ρ-亚二甲苯，然后再涂敷上一层目的金 属，最后热分解PLA纤维内芯，制备中空纳 米管
.
Nano Fiber
• 在静电纺丝装置中，毛细管可以垂直和水 平放置，两者不同之处在于液滴的引发机 理不同。毛细管水平放置时要用活塞泵挤 压毛细管中流体引发液滴，而毛细管垂直 放置时则可以依靠重力作用或泵两种方式 来引发液滴。有时也会以不同的倾斜角度 来放置毛细管以达到控制流体流动特性的 目的。
.
精密高分子
• 为了发挥高分子材料原有的极限性能、功 能，着眼于分子间互相作用，进行纳米级 高序结构控制，通过发现多种高分子材料 物性，来适应用户的高标准要求。因此在 项目的后期，明确了更实用化的研究目标， 不限于确立单项基础技术。
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特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• 由于静电纺丝是快速相分离和快速固化两 个过程共同作用的结果，因此可以通过选 择性地去除溶液中的某种成分，制备高性 能的特殊表面拓扑结构的功能性纳米纤维。
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Nano Fiber
• 当电场强度增大到特定临界值时，流体表 面的电荷斥力大于表面张力，带电流体就 会从泰勒锥的顶点喷射出来，形成带电射 流。在喷射区带电射流将经历一个突然加 速的过程，同时聚合物因溶剂挥发凝结或 熔融体冷却固化形成聚合物纤维形成，并 被高度拉伸而逐渐细化，最后沉积在接地 收集板上。
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应用纳米纤维的隔热、耐热、舒适性优 良的先进消防服的开发
• 为了有效灭火及迅速救助受灾者，需要阻 燃性、耐热性非常高的消防服；纳米纤维 使纤维材料高功能化，因此可开发出纳米 纤维的织物、积层结构体及消防服，制造 出防护性和舒适性兼备的世界最高水平的 先进消防服。
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从熔融纺丝制得以天然物为原料的新型 纤维的研究