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纳米技术报告

新闻中心

纳米技术报告

分类:
新闻中心
作者:
来源:国际非织造工业商情
发布时间:
2022/05/09

非织造布行业对纳米纤维的需求有望增长。根据Allied Market Research的数据,2020年全球对非织造布用纳米纤维的需求量超过250万吨。展望未来,2030年全球对非织造布用纳米纤维的需求预计将略高于1000万吨,在整个预测期内的复合年增长率将低于两位数。

 

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据Allied Market Research的分析师Prakhar Jain称,最初,直径小于100纳米的纤维被视为纳米纤维,不过最近范围有所扩大,所有直径小于500纳米的纤维都被视为纳米纤维。此外,纳米纤维的直径取决于所用聚合物的类型和生产方法。

 

“与超细纤维相比,纳米纤维的独特之处在于其较大的表面积与体积比、高孔隙率、出色的机械强度以及在功能化方面的灵活性。”Jain说。

 

据市场研究人员称,纳米纤维可以由天然聚合物和合成聚合物组成。天然聚合物包括胶原蛋白、纤维素、丝素蛋白、角蛋白、明胶和多糖(例如壳聚糖和海藻酸盐)。合成聚合物包括聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚氨酯(PU)、聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)、聚3-羟基丁酸-共-3-羟基戊酯(PHBV)和聚乙烯-共-醋酸乙烯酯(PEVA)。

 

“与传统纤维相比,纳米纤维具有更高的初始和持续效率,”Jain 说,“当清洁时,纳米纤维网络能比没有细纤维层的清洁过滤器更好地捕获灰尘和其他有害颗粒。他们能够利用拦截、扩散和撞击等过滤方法来实现高水平的过滤。”

 

纳米纤维出众的另一个原因是纳米纤维层比其他纤维更持久。“纳米纤维能将这些颗粒捕获在纤维表面,有助于防止它们堵塞纤维中的其他材料层,”他解释道,“更长的纤维寿命意味着最终用户不需要经常购买纤维。因此,尽管许多细纤维的前期成本较高,但从长远来看,它们可以节省大量资金。”

 

据Smithers咨询公司的Phil Mango称,在纳米纤维非织造布的生产工艺中,静电纺丝占据了主要地位。“由于电压要求高、生产率低以及对聚合物性能高度依赖,静电纺丝工艺因而具有很大的局限性。”他还补充说,其他纺丝微纳米纤维的方法包括溶液喷射或喷气纺丝、离心纺丝、相转变冷冻干燥和模板合成法。

 

“由于产量高,溶液喷射似乎是最有希望的替代方案之一,它不需要高压,可以替代静电纺丝,”他解释说,“研究表明,溶液喷射的微纳米纤维与通过静电纺丝获得的纤维具有几乎相同的形态和结构。而与静电纺丝相比,溶液喷射的生产率高出了一个数量级。”

 

他补充说,离心纺丝被认为是替代静电纺丝的出色的候选者。“与溶液喷射技术类似,离心纺丝由于具有高生产率而在工业应用中极富前景。”

 

其他一些非静电纺丝技术,例如模板合成、相转变、冷冻干燥和基于喷丝板的拉伸技术,它们适用于特定的应用领域,例如电子、光电、传感器和电池应用。“与溶液喷射和离心纺丝相比,这些替代技术的生产能力较低,但其形成三维结构的能力使它们有希望成功用于生物医学应用、组织工程、增强材料、智能纺织品、致动器或传感器。”Mango说。

Hifyber专注于过滤介质


土耳其的Hifyber公司加工的纳米纤维比人的头发细500倍。其结构让纳米纤维层显示出非常独特的特性,例如高表面积体积比、高孔隙率和小孔径。

 

纳米纤维层的小孔径使其能对非常小的灰尘和生物杂质进行机械过滤,高孔隙率能确保高的气流(较低的压降),因而能降低成本并节能。Hifyber公司的销售经理Mehmet Gonullu说:“纳米纤维的这些独特性能与材料本身的功能相结合,能在现实世界开发出新的多样化应用。”

 

基于聚合物的Hifyber纳米层由致密的纳米纤维网组成,平均纤维厚度为100-300nm。为了生产先进且坚固的材料,Hifyber使用了开创性的静电纺丝技术。

 

该公司最近开发了一种纳米纤维涂层的抗菌抗病毒HVAC过滤介质,以防止空气过滤器中的微生物生长。这种过滤介质可以破坏细菌细胞和病毒的重要功能,对于阻止细菌和病毒的生长非常有效。Hifyber提供的高效抗菌抗病毒HVAC过滤介质符合空气过滤测试标准,包括ASHRAE 52.2、EN 779:2012、ISO 16890和EN1822。

 

Hifyber还开发了一种可生物降解的纳米纤维过滤介质,以带来更多环境效益,为后代留下一个绿色、健康和更宜居的世界。此外,基于Hifyber纳米纤维的过滤介质能给HVAC系统带来高的过滤效率,从而满足人们的生活空间对新鲜和清洁空气的需求,同时还通过其阻燃特性来确保提供一个安全的工作环境。

 

“由于其独特的结构和材料成分,Hifyber纳米纤维介质可以使用更长时间,这与传统的静电增强熔喷材料不同,”Gonullu说,“静电纺丝技术可以生产出非常细的连续纤维,该技术在提高过滤效率方面发挥着关键作用。Hifyber过滤介质仅依靠机械过滤,并在过滤器的整个生命周期内保证持续的过滤效率。”

 

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他补充说,Hifyber纳米纤维介质采用全合成的环保原料,与玻璃纤维过滤介质不同,该技术消除了对纤维脱落的担忧。“科学研究表明,由玻璃纤维制成的过滤器可能让空气中含有纤维碎屑,吸入这样的空气会让人们的喉咙和肺部受到刺激,并且长期持续的接触也会导致永久性疾病。”

Matregenix加快扩展步伐


2021年6月,总部位于美国加利福尼亚的科技公司Matregenix公司宣布扩建新的制造工厂,并安装了一条新的纳米纤维生产线。

 

Matregenix创始人兼首席执行官Sherif Soliman博士说:“最近,我们决定新增另一条纳米纤维生产线,因为我们认为有必要提高产能以满足客户对我们的纳米纤维技术不断增长的需求。”

 

该公司的目标是从生物医学到过滤的多种应用。他们在生物医学领域主要关注伤口愈合和组织工程支架。在过滤领域,他们迄今为止的两个重点是口罩过滤介质和用于HVAC过滤器的过滤介质。

 

“我们在口罩过滤介质取得了非常大的进展,”Soliman博士说,“同样,非织造布过滤介质市场已经充满了各种纳米纤维产品,但它们的生产不在美国,最近出现的供应链问题导致对在美国生产的这些过滤介质的需求激增。”
Matregenix一直在投资研发以开发纳米纤维产品,从而满足许多医疗应用方面的需求。该公司专注于产品开发,并积极寻求战略合作伙伴来共同开发这些产品,并将其带入商业化之路。

 

在过滤领域,Matregenix最近开发了一种新的抗病毒和抗菌过滤技术,可以过滤99%的空气传播病毒,包括人类冠状病毒。“重要的是,产生抗病毒活性的活性成分不是基于金属氧化物的物质,而是一种无毒的天然草本提取物,”Soliman博士说,“第三方测试实验室显示,它具有超过99%的抗病毒和减少细菌生长的功效。”

 

根据Soliman博士的说法,推动纳米技术在非织造布行业增长的主要因素是技术本身的应用价值。“例如,在过滤应用中,在低压降的同时保持高过滤效率,这是目前任何其他非织造材料无法相比的,”他解释道,“它的独特性能可以彻底颠覆整个行业,这两个因素是非常重要的,但对于其他非织造布来说,它们通常无法同时实现。”

 

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在保持低压降的同时还具有高过滤效率,这让口罩具有更好的透气性,或者在HVAC系统中可以使用更高额定值的更薄的过滤器。他补充说,口罩的透气性对于某些从事特定工作的人极为重要,例如医生或教师,他们每周至少有五天要全天戴着口罩。“纳米纤维过滤介质的另一个显著优势是,与传统的熔喷过滤介质不同,纳米纤维的过滤机制与静电荷无关,而完全取决于纳米纤维的孔径、孔分布和形态。这种机械过滤机制使其能获得无限期的保质期,而大多数政府都希望储备口罩以防止另一场流行病来袭,这显然对他们来说很有吸引力。”

 

尽管有这些积极因素,但Soliman博士表示,纳米纤维在产品一致性和可重复性方面的表现不好。“静电纺丝的过程很精细,需要控制很多变量,需要对材料科学和化学拥有深刻的理解,才能很好地控制静电纺丝过程,”他说,“此外,静电纺丝不是那种可以快速适应制造工艺的‘即插即用’工艺,而是需要针对不同产品进行高度定制的工艺,这意味着大多数公司不愿意投资于长期的研发。”

 

Matregenix的独特之处在于其“专有技术”及其由纳米纤维科学家组成的专家团队,他们在纳米纤维研究及其应用方面拥有30多年的全面的实践经验。“多年来,我们开发了多种专有配方,具有广泛的特性,这使我们能快速调整这些配方的用途,以建立标准操作程序 (SOP) 来开发不同产品,”他说,“这意味着我们可以在很短时间内真正地将概念验证变成产品。我们还实施了非常严格的质量控制系统,以确保产品在纤维形态和微观结构特征方面符合其目标要求。”

NXTNano安装新的生产线


2021年,总部位于美国俄克拉荷马州的NXTNano宣布将安装另外三条HYPR-Spun纳米纤维生产线。新生产线使该公司的生产线总数达到6条。

 

“对于NXTNano来说,2020年是令人难以置信的一年。我们看到该技术迅速被许多新市场采用,更重要的是,我们有义务继续服务于为了与新冠疫情作斗争而提供口罩、呼吸器和室内空气净化的客户。”NXTNano的销售总监Andrew McDowell说。

 

该公司决定安装额外的生产线是由于对产品的需求增长而驱动的。根据McDowell的说法,该公司决定增加两条生产线,并进行一些内部改造。额外的改造需要更多的空气处理,但将让两条生产线在不进行更改的情况下超过三条生产线的产能。与此同时,NXTNano的第四条生产线现已启动并运行,第五条生产线已就位,但正在等待一些控制组件到位。其原有的3号生产线进行了一些升级,进一步提高了产能。

 

NXTNano是纳米纤维材料的大批量生产商,专门向尚未采用它们的市场来以商业化规模提供产品。它的生产线是内部开发的,并使用一种称为HYPR纺丝的工艺。HYPR纺丝是静电纺丝的衍生产品,具有一些独特的捻度和额外的力,使公司能以比传统静电纺丝更高的速度和更广泛的控制范围进行生产。

 

“当今纳米纤维的最大市场是过滤,它也是纳米材料最成熟和存在时间最长的市场,”McDowell说,“然而,即使在纳米技术已经商业化应用三十年的市场中,它仍处于起步阶段。工业空气过滤或汽车进气过滤等相对简单和效果显著的用途得到了很好的解决,尽管可能没有优化。在通过转向合成材料或进一步提高载体介质渗透性来减少限制方面,我们还有很多性能需要开发。”

 

NXTNano还在室内空气过滤市场大量采用纳米纤维,并预计这一趋势将继续下去。“消费者从未如此关注他们呼吸的空气质量,而纳米纤维可以提供这一应用所需的高性能。”他说。

 

该公司还一直致力于让其合作伙伴在N95口罩中能使用纳米纤维过滤介质。NXTNano甚至向公众提供了这些材料,这样他们就可以切割这些材料并将它们缝制成布口罩来保护自己。

 

在其他市场,例如需要更大克重的纳米纤维膜的微通风和微过滤,NXTNano也一直在关注这些领域,并且没有看到其他技术能够生产这种膜。

本文选自Nonwovens Industry杂志
作者:Tara Olivo


来源:荣格-《国际非织造工业商情》