2016年11月11日 星期五 09:15:33

前沿|功能性纳米纤维:小身材赋予个体防护服装大能量!

发表时间:2018/1/10

个体防护服装需要适宜人体的生理条件,同时作为屏蔽介质对有毒物质如气溶胶粒子、有害气体和液态物等起阻隔作用。基于纳米级金属氧化物添加剂和聚合物纳米纤维材料开发的新型防护服装,具有质轻、反应活性高以及添加制剂受热状态下无毒性气体逸出等性能,对化学制剂、生物制剂以及农用杀虫剂等表现出十分宽的防护和净化能力。



自洁功能纳米纤维在防护服装材料上的使用

有毒生化制剂可污染服装,进而与皮肤接触,当环境温度升高,汗液和皮肤的分泌物亦会加速有毒污染物的扩散。对进行危险作业和军事战斗的人员来说,自洁功能织物可以提供有效的个人防护。美国得克萨斯大学的研究人员使用聚氧乙烯(PEO)和纳米级MgO配置了PEO水溶液,采用静电纺丝工艺制得的纳米纤维网,可作为危险化学品的防护基材,其吸附性能可以做到定量化。含有TiO2的聚合物纳米纤维膜材可赋予纤维制品对农用杀虫剂的自洁功能,采用共轴静电纺丝工艺制成的皮芯型结构的TiO2/PAN纳米纤维具有自洁功能,可用作军事、医疗和农业生产人员的个体防护服装材料。



纳米纤维在微波防护织物上的使用

在功能性纳米纤维的研究中,轻质PANI原料的低成本、碳纳米管的高导电性(电导率为104 S/cm)和热稳定性(导热系数超过200 W/(m·k))特点也广为研究人员注意。我国哈尔滨工业大学和美国Lamar大学合作开展了PANI/PAN/MWCNT多组分纳米纤维的研究,采用静电纺丝工艺,在PANI质量分数为0.2%、PAN质量分数为8%的纺丝液中,当MWCNT组分添加量为 3%、5%或7%时,PANI/PAN/MWCNT 纳米纤维的电导率分别提升到1.79、3.26或7.97 S/m,具有良好的电磁波吸附性能。



纳米纤维在农用防护服装上的应用

纳米纤维农用防护服在阻隔农田作业中可能出现的危险液态物方面取得了明显效果。聚氨酯(TPU)纳米纤维农用防护服装的应用数据显示,其可有效地抵御农田作业中的各种化学液态物,且服装的透气性、水汽传输性和穿着舒适感得到肯定。将TPU纳米纤维组分层直接铺敷在100%聚丙烯(PP)纺粘底布上,当TPU纳米纤维网材的克重为1.0 g/m2时,防护服空气透过率相应为170 cm3/(cm2·s);克重为2.0 g/m2时,空气透过率为120 cm3/(cm2·s)。个人防护服的空气透过率大都介于 0 ~ 100 cm3/(cm2·s)之间。因此,TPU纳米纤维农用防护服功能层的克重可控制在1.0~2.0 g/m2之间。



纳米颗粒物及悬浮物(气溶胶)环境下的个人防护服装

空气中的悬浮颗粒物多以灰尘、雾、烟等形式存在,会严重影响大气的能见度和气候环境,亦危及人们的正常生活甚至健康,因此需对在有害悬浮颗粒物(特别是纳米粉末)环境下作业的人群进行安全防护。此外,化学战场上的有害物质也极易以气溶胶形式存在,故人体防护和面部防护装备亦是保障士兵战斗力的重要工具之一。



研究人员使用聚酰胺6(PA6)为原料,以甲酸/乙酸为混合溶剂系统,采用静电纺丝工艺制得了纳米纤维网,经热熔方法铺敷在粘胶纤维非织造布上,在氯化钠溶液的穿透测试中,粒子的阻隔效率明显,加大纳米纤维网厚度,粒子的阻隔效率可以提高到99%。美国陆军Natick士兵中心利用聚合物纳米纤维网和TPU熔喷非制造布制得了多层复合结构的面料,用于抵御极端环境下可能出现的生化悬浮物危害。


功能性纳米纤维在消防服上的使用

纳米纤维加工技术的进步,也为高性能、低成本阻燃纤维材料的开发提供了机会。美国得克萨斯大学的研究人员以PA6为原料,添加了诸如阻燃剂、MWCNT和纳米级粘土等3种组分,以共混方式制得了PA6阻燃纳米纤维,用于制作消防服装,展现出优良的阻燃性能。印度Rangasamy技术学院的研究人员选用纳米级MgO粉末为添加剂,成功制得了PA6纳米纤维,具有十分好的阻燃性和抗霉菌性,直接铺敷于棉织物上,可用作消防员或士兵服装面料。



美国DuPont(杜邦)公司立足于芳香聚酰胺纤维(Nomex®)开发出新一代消防服装面料即“DuPontTM Nomex® Nano”产品系列。该产品将纳米级粉末添加剂混入Nomex®纤维中,进而加工成Nomex®纳米纤维织物,用于消防服面料中,空气透过率6.4 m3/(m2·min),极限氧指数(LOI值)达40%,耐洗次数超过25次。芳香族聚酰胺纳米纤维消防服表面用纱由60%的普通Nomex®长丝和40%的芳香族聚酰胺纳米纤维与兰精公司阻燃纤维(LenzingTM FR)的混纺纱构成。据介绍,这种芳香族聚酰胺纳米纤维消防服具有轻质特点,织物厚度可比市场普通产品降低40%,吸湿性提高30%,屏蔽性能提高近 4 倍,热防护功能(TPP)提高25%,且明显改善了消防员活动的自如性,用作新一代消防服取得了市场青睐。


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