Nanospider、碳纳米管、HMT、熔喷纳米纤维生产工艺和性能区别

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2017-12-23 环球过滤分离技术网

       近十几年间，纳米纤维技术呈多样化发展趋势，已商业化并投入使用的纳米纤维生产工艺不下10种，诸如强力纺、离心纺以及原纤化技术等都取得了实质性进展。

静电纺纳米纤维的加工

传统静电纺丝工艺不适宜规模化生产的要求，Elmarco公司开发的“Nanospider”技术系无针静电纺丝工艺，在效率、成本、成形组件及纤网品质均一性方面具有一定的优势。使用中，其纺丝压力降为169Pa，波动变异 6Pa，变异系数4%，在生产克重低至0.063g/m2的产品时，变异系数可控制在5%以内。

“Nanospider”对原料的适应性较强，可以加工高聚物、生物聚合物以及氧化铝、二氧化钛等无机材料。目前在过滤领域已投入试验和使用的纳米聚合物纤维品种较多。

开发中的纳米纤维过滤介质常用的聚合物及其溶剂类型

静电纺丝设备可以依据产品特点，以模块化设计供给用户，目前市场上可提供的专用纳米纤维生产线有空气过滤介质生产线、吸音材料生产线以及锂离子电池隔膜生产线等。近来专为过滤材料配置的纳米纤维生产装置采用了熔法成形工艺，具有十分好的成本优势，受到用户青睐。目前静电纺纳米纤维已广泛在过滤与分离操作中使用，主要包括水净化和重金属污水的处理、离子交换法工业污水处理、饮用水的处理以及油品和燃油过滤系统等。

静电纺纳米纤维的技术特征

熔喷工艺制纳米纤维

熔喷法纳米纤维技术已实现了规模化生产。美国Arthur公司纳米熔喷非织造布设备的挤压机使用压力为1500psi，单头幅宽300mm，纺丝头孔密度64孔/英寸，纳米纤网单丝直径400nm。

Hills（希尔斯）公司在亚微米－纳米熔喷非织造布技术开发方面取得了重大进展。在熔喷纳米纤维网的生产中，其螺杆挤压机通常配置4个加热区，并附水冷区，以降低聚合物加工过程中可能出现的降解现象。使用熔融指数（MFI）为1800的Exxon-6936聚丙烯（PP）树脂进行加工，新型纺丝组件的长径比达200。

加工熔喷纳米纤维网时，当产品克重为2.5、5.0或10g/m2时，生产效率通常为0.0125～0.1g/（孔·min），加工速度14.85m/min；当产品克重为20g/m2时，生产效率为0.214g/（孔·min），加工速度为15.6m/min；当生产克重为0.22、0.33、0.50或1.5 g/m2的产品时，生产效率为0.002～0.0055 g/（孔·min），加工速度为14.5～33m/min。

目前，幅宽1600 mm的熔喷法PA纳米非织造布生产中，纤维网单丝直径主要分布在300～1500 nm范围内。如以年运转时间4000h、产品克重2.5g/m2、纳米纤维单丝直径在330nm左右计算，则其年生产能力可达26750kg，相当于40个静电纺丝成形单元的产能。

混合膜－新型纳米纤维过滤介质

杜邦公司开发的HMT混合膜技术，作为过滤介质兼具非织造布和膜材料的结构特征，纤维网主体单丝直径为400nm，是采用全新的纺丝工艺生产的纳米纤维滤材。

当用作液态物料过滤时，HMT可以在135 ℃条件下使用，过滤效率为熔喷过滤介质的2～3倍。与传统滤材不同，HMT混合膜具有过滤效率高、纤网均匀等优点，孔尺寸在0.5～0.6μm之间，在过滤过程中显示出了非常好的耐用性。

HMT混合膜采用100%的PA66树脂，纤网克重1.0g/m2，单丝直径分布在100～1000nm之间。与常规过滤介质相比，其过滤效率（对直径为1μm的颗粒物）比常规滤材的92%高，达99%；初始压力降低于普通滤材的1.75psi，为0.4psi；容污能力高于普通滤材的1.1g，达1.6 g；流量高于普通介质的98mL/（min·cm2），达340mL/（min·cm2）。

据悉，HMT混合膜已在膜系统的预过滤、燃油过滤、生物制药以及食品饮料等工业领域使用，常用混合膜的克重在16～32g/m2之间。

吸附分离用纳米碳纤维与碳纳米管

CNF单丝直径一般在70～200nm之间，长度为50～100μm，目前已实现商业化生产。CNT的结构、尺度、制造工艺和成本与碳纤维不同。目前全球CNT的生产能力达4600t/a，可确认产量约为2300t/a。CNT具有高流量、高选择性、高热稳定性特点，具备在良好的低温下运转的条件，被视为新型吸附材料，尤其是在水处理和净化领域，市场潜力较大。

CNT材料的高吸附能力，使其可有效地从污水和地表水中吸附分离重金属或放射性物质，但同时也面临着技术、成本、潜在的环境影响等问题。以CCVDPFR或CCVD-PBR碳纳米管的制作工艺观察，CNT的生产效率达595kg/h，加工成本在25～38美元/kg之间，而商业化制造成本高达80美元/kg，实现大规模工业化生产的成本应在1200美元/t左右（纯度＞97%）。

来源：《纺织导报——产业用纺织品增刊》

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