Нановолокна будут все быстрее внедряться в новые продукты благодаря тому, что на рынке появляется достаточное продукции на основе нановолоконной сети, чтобы обеспечить ее коммерческое распространение.

Изготовление нановолоконных нетканых материалов в рамках процесса электроформования, изготовление нетканых материалов с содержанием наноструктурных материалов, изготовление объемных нетканых материалов, изготовление микроволокон фильерным методом, аэродинамическим способом из расплава, методами скоростного и электростатического формования – все это лишь некоторые из тех областей, которых касается настоящая статья.

Слово «нановолокно» обычно обозначает волокно с диаметром менее 1 микрона. Стекловолокна уже некоторое время существуют в субмикронном диапазоне, и полимерные волокна, изготовленные аэродинамическим способом из расплава, только начинают преодолевать микронный барьер. При этом нановолокна диаметром 0.25 микрона, полученные методом электроформования, производятся и применяются в коммерческих областях уже более двадцати лет. Некоторые области применения нетканых материалов с высокой добавленной стоимостью, среди которых устройства фильтрации, барьерные ткани, скребки, средства личной гигиены, медицинские и фармацевтические продукты, могут выиграть от использования интересных технических свойств предлагаемых на рынке нановолокон и нановолоконных сетей.

Методики производства нановолоконных нетканых материалов

Производство нановолоконных нетканых материалов методом электроформования
Полимерные нановолокна можно изготовить при помощи метода электроформования, который был писан выше. Во время этого процесса используется электрическое поле, которое позволяет перемещать полимерный расплав или раствор от кончика капиллярной трубки к коллектору. К полимеру подается напряжение, в результате чего создается поток расплава, который направляется к общему коллектору. Тонкие струи высыхают и формируют полимерные волокна, которые можно объединять в сеть. Действие процесса электроформования было документально зафиксировано для различных полимеров. Если выбрать подходящий полимер и систему раствора, то можно изготовить нановолокна с диаметром в диапазоне 40-2000 нм (0.04-2 микрона). Диаметр волокон можно изменять и контролировать.

Диаметр нановолокон составляет примерно 250 нанометров, что можно сравнить с целлюлозной волоконной структурой, обладающей диаметрами более десяти микрон. Подобная композитная структура среды фильтра успешно обрабатывается на высокоскоростном ротационном гофрировочном оборудовании с минимальным ущербом для нановолоконного слоя.

Производство нетканых материалов, содержащих наноструктурные материалы

Аэрогели можно изготавливать из металлоксидов, а также из полимеров, углерода и многих других материалов. Самые популярные аэрогели основаны на кремнеземе, особенно в форме чистого кварцевого стекла. Если использовать микроскоп, то можно увидеть, что они состоят из молекул нанометрового размера (диаметр 1-10 нм), объединенных ковалентными связями и сшитых полимером. Данные молекулы объединены в устойчивую трехмерную сеть.

Диаметр поровых каналов обычно составляет 10-100 нм. Превосходные свойства теплоизоляции, характерные для аэрогелей, формируются под влиянием их нанопористой структуры, которая создает барьер и обеспечивает столкновение молекул газа. Столкновения молекул позволяют осуществлять теплопередачу внутри нефтезаводского газа. Более быстрые (горячие) молекулы сталкиваются с медленными (холодными) и передают им некоторую часть своей тепловой энергии. Данный процесс столкновений можно предотвратить при помощи барьера, предотвращающего столкновение молекул друг с другом, которые вместо этого сталкиваются с барьером, отскакивают от него и в результате этого сохраняют свою тепловую энергию.

Области применения

Подобные композиты в виде нановолоконной сети используются в нескольких областях фильтрации воздуха. Многие из таких воздушных фильтров изготавливаются из сетей нановолоконной среды фильтра, ширина которых превышает 24 дюйма (610 мм).

В США разработано «аэрогельное покрывало», известное как Spaceloft и используемое главным образом в зимней одежде, например костюмы для сноубордов. Данный продукт производится путем межпористого улавливания Аэрогелей внутри волоконной матрицы. Для этого матрица пропитывается исходным продуктом формирования Аэрогеля и подвергается сверхкритическому высушиванию под давлением. В 2002 году компания Aspen Aerogels Inc запатентовала композит Аэрогель, усиленный низкоплотным волокнистым ватином, а также короткими микроволокнами беспорядочной ориентации или проводящими слоями, или обоими видами материала.

Композит Аэрогель составляется из двух фаз. Первая включает в себя низкоплотную матрицу Аэрогеля, а вторая представляет собой армирующую фазу. Данная армирующая фаза состоит главным образом из волокон, желательно из сочетания ватина и одного или более волокнистых материалов со значительно различающимися толщиной, длиной и/или коэффициентом пропорциональности.

Желательное сочетание системы двух волокнистых материалов создается в тех случаях, когда короткое микроволокно с высоким коэффициентом пропорциональности (один волокнистый материал) рассеивается по всей длине матрицы Аэрогеля, которая проникает в непрерывный длинный волоконный ватин (второй волокнистый материал). Если не герметизировать полученный композит, то вновь возникают проблемы миграции частиц Аэрогеля, особенно разрушенного Аэрогеля, по всей ткани, а также осложняется первоначальное объединение и фиксация структуры ткани.

Стоимость непористого Аэрогеля также может оказаться чрезмерной, и существует необходимость сбалансирования того объема Аэрогеля, который внедряется в ткань, с улучшенной термостойкостью. Более того, Аэрогели используются в одежде, на таких участках тела как позвоночник, почки и туловище.

Производство объемных нетканых материалов

При формировании сети производится в основном двухмерные текстильные ткани. Тем не менее, технический текстиль, благодаря тому, что его волокна ориентированы вертикально относительно поперечного сечения материала, все чаще изготавливаются трехмерными. Объемные текстильные ткани создают идеальную структуру для изготовления салонов автомобилей (чехлы сидений на замену полиуретановой пене, дверные панели, панели крыш, передние, средние и задние стойки кузовов легковых автомобилей, другое). Они полностью соответствуют таким важным требованиям как мягкость, воздухопроницаемость, свойства, имеющие отношение к обивочному материалу, а также эстетические функции.